Video Analysis相关领域介绍之Action Recognition
随着深度学习技术的发展，以及计算能力的进步（GPU等），现在基于视频的研究领域越来越受到重视。视频与图片最大的不同在于视频还包含了时序上的信息，此外需要的计算量通常也大很多。目前主要在做视频中动作定位相关的工作，为了开拓思路，读了不少视频分析相关领域的文章，所以打算写几篇博客，对视频分析相关的几个领域做一个简要的介绍。
这篇主要介绍Action Recognition（行为识别）这个方向。这个方向的主要目标是判断一段视频中人的行为的类别，所以也可以叫做Human Action Recognition。虽然这个问题是针对视频中人的动作，但基于这个问题发展出来的算法，大都不特定针对人，也可以用于其他类型视频的分类。
任务特点及分析
目的
给一个视频片段进行分类，类别通常是各类人的动作
特点
简化了问题，一般使用的数据库都先将动作分割好了，一个视频片断中包含一段明确的动作，时间较短（几秒钟）且有唯一确定的label。所以也可以看作是输入为视频，输出为动作标签的多分类问题。此外，动作识别数据库中的动作一般都比较明确，周围的干扰也相对较少（不那么real-world）。有点像图像分析中的ImageClassification任务。
难点/关键点
强有力的特征：即如何在视频中提取出能更好的描述视频判断的特征。特征越强，模型的效果通常较好。
特征的编码（encode）/融合（fusion）：这一部分包括两个方面，第一个方面是非时序的，在使用多种特征的时候如何编码/融合这些特征以获得更好的效果；另外一个方面是时序上的，由于视频很重要的一个特性就是其时序信息，一些动作看单帧的图像是无法判断的，只能通过时序上的变化判断，所以需要将时序上的特征进行编码或者融合，获得对于视频整体的描述。
算法速度：虽然在发论文刷数据库的时候算法的速度并不是第一位的。但高效的算法更有可能应用到实际场景中去。
常用数据库
行为识别的数据库比较多，这里主要介绍两个最常用的数据库，也是近年这个方向的论文必做的数据库。
UCF101:来源为YouTube视频，共计101类动作，13320段视频。共有5个大类的动作：1)人-物交互；2)肢体运动；3)人-人交互；4)弹奏乐器；5)运动。数据库主页为：http://crcv.ucf.edu/data/UCF101.php
HMDB51:来源为YouTube视频，共计51类动作，约7000段视频。数据库主页为：http://serre-lab.clps.brown.edu/resource/hmdb-a-large-human-motion-database/#Downloads
在Actioin Recognition中，实际上还有一类骨架数据库，比如MSR Action 3D，HDM05，SBU KinectInteraction Dataset等。这些数据库已经提取了每帧视频中人的骨架信息，基于骨架信息判断运动类型，不做详细介绍。
研究进展
传统方法
iDT（improveddense trajectories)特征："Action recognition with improved trajectories"
iDT方法（13年）是深度学习进入该领域前效果最好，稳定性最好，可靠性最高的方法，不过算法速度很慢。这个方法是该实验室之前工作（Dense Trajectories and Motion Boundary Descriptors forAction Recognition）的改进。此前写的笔记见http://blog.csdn.net/wzmsltw/article/details/53023363，算法代码分析见：http://blog.csdn.net/wzmsltw/article/details/53221179
基本思路：DT算法的基本思路为利用光流场来获得视频序列中的一些轨迹，再沿着轨迹提取HOF，HOG，MBH，trajectory4种特征，其中HOF基于灰度图计算，另外几个均基于dense optical flow计算。最后利用FV（FisherVector）方法对特征进行编码，再基于编码结果训练SVM分类器。而iDT改进的地方在于它利用前后两帧视频之间的光流以及SURF关键点进行匹配，从而消除/减弱相机运动带来的影响，改进后的光流图像被成为warp optical flow
基于iDT方法的改进效果最好的是“Action Recognition with Stacked Fisher Vectors”这篇文章。使用了两层的fv编码，笔记见http://blog.csdn.net/wzmsltw/article/details/52050112
深度学习方法
由于这个方向这几年的论文实在太多，所以这部分挑选了一些近年比较有代表性的论文进行简要介绍。更多的论文可以上谷歌学术通过搜索Action Recognition找到。
(1) Two Stream Network及衍生方法
“Two-StreamConvolutional Networks for Action Recognition in Videos”（2014NIPS）
Two Stream方法最初在这篇文章中被提出，基本原理为对视频序列中每两帧计算密集光流，得到密集光流的序列（即temporal信息）。然后对于视频图像（spatial）和密集光流（temporal）分别训练CNN模型，两个分支的网络分别对动作的类别进行判断，最后直接对两个网络的class score进行fusion（包括直接平均和svm两种方法），得到最终的分类结果。注意，对与两个分支使用了相同的2D CNN网络结构，其网络结构见下图。
实验效果：UCF101-88.0%，HMDB51-59.4%
”ConvolutionalTwo-Stream Network Fusion for Video Action Recognition“（2016CVPR）
这篇论文的主要工作为在two stream network的基础上，利用CNN网络进行了spatial以及temporal的融合，从而进一步提高了效果。此外，该文章还将基础的spatial和temporal网络都换成了VGG-16 network。
实验效果：UCF101-92.5%，HMDB51-65.4%
”TemporalSegment Networks: Towards Good Practices for Deep Action Recognition”
这篇文章是港中文Limin Wang大神的工作，他在这方面做了很多很棒的工作，可以followt他的主页：http://wanglimin.github.io/ 。
这篇文章提出的TSN网络也算是spaital+temporal fusion，结构图见下图。这篇文章对如何进一步提高two stream方法进行了详尽的讨论，主要包括几个方面（完整内容请看原文）：
1. 输入数据的类型：除去two stream原本的RGB image和 opticalflow field这两种输入外，这篇文章中还尝试了RGB difference及 warpedoptical flow field两种输入。最终结果是 RGB+optical flow+warped optical flow的组合效果最好。
2. 网络结构：尝试了GoogLeNet,VGGNet-16及BN-Inception三种网络结构，其中BN-Inception的效果最好。
3. 训练策略：包括跨模态预训练，正则化，数据增强等。
实验效果：UCF101-94.2%，HMDB51-69.4%
“BeyondShort Snippets: Deep Networks for Video Classification Joe"
这篇文章主要是用LSTM来做two-stream network的temporal融合。效果一般。
实验效果：UCF101-88.6%
(2) C3D Network
"Learningspatiotemporal features with 3d convolutional networks"
C3D是facebook的一个工作，采用3D卷积和3D Pooling构建了网络。论文笔记见：http://blog.csdn.net/wzmsltw/article/details/61192243 。通过3D卷积，C3D可以直接处理视频（或者说是视频帧的volume）
实验效果：UCF101-85.2% 可以看出其在UCF101上的效果距离two stream方法还有不小差距。我认为这主要是网络结构造成的，C3D中的网络结构为自己设计的简单结构，如下图所示。
速度：C3D的最大优势在于其速度，在文章中其速度为314fps。而实际上这是基于两年前的显卡了。用Nvidia 1080显卡可以达到600fps以上。所以C3D的效率是要远远高于其他方法的，个人认为这使得C3D有着很好的应用前景。
作者在其项目主页：http://vlg.cs.dartmouth.edu/c3d/ 放出了新版本的Res-C3D网络的caffe模型，但论文还没放出，估计是ICCV2017的投稿文章。新版本的模型大小是之前的一半，速度比C3D快了很多，效果也比之前提高了几个百分点（UCF上）。非常期待看到这个论文，等放出后也会好好讨论一下的。
(3) 其他方法
“A KeyVolume Mining Deep Framework for Action Recognition”
本文主要做的是key volume的自动识别。通常都是将一整段动作视频进行学习，而事实上这段视频中有一些帧与动作的关系并不大。因此进行关键帧的学习，再在关键帧上进行CNN模型的建立有助于提高模型效果。本文达到了93%的正确率吗，为目前最高。
实验效果：UCF101-93.1%，HMDB51-63.3%
”DeepTemporal Linear Encoding Networks”
本文主要提出了“Temporal Linear Encoding Layer” 时序线性编码层，主要对视频中不同位置的特征进行融合编码。至于特征提取则可以使用各种方法，文中实验了two stream以及C3D两种网络来提取特征。
实验效果：UCF101-95.6%，HMDB51-71.1%（特征用two stream提取）。应该是目前为止看到效果最好的方法了（CVPR2017里可能会有更好的效果）
小结
可以看出，这几年action recognition领域发展的非常快，有各种各样的方法被提出。但要注意，action recognition一般是对预先分割过的短视频进行分类，而真实环境中的视频一般都是没有预先切分过的，而且会包含大量无关信息。所以我认为这个领域的研究很像对Image Classification的研究，比较基础，可以为相关领域的研究提供有力的工具。下一篇文章将讨论视频中的动作定位问题：Temporal Action Detection.
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