【论文阅读】D3D: Distilled 3D Networks for Video Action Recognition

个人感觉这篇文章写得挺好的，而且由于太久没有看行为识别相关论文了，所以准备好好地看一下这篇论文，然后基于这篇论文地参考文献往前搜索。

3D卷积网络中的运动信息

提出问题：3D卷积网络到底能不能提取全部的运动信息呢？

这是文章首先提出的第一个问题，我对这个问题也是非常地感兴趣。在之前的3D卷积神经网络中，我们仅仅地输入RGB彩色信息，因为我们默认3D卷积神经网络可以有效地提取视频中的空间和运动信息，但是后来I3D做了相关的实验：two-stream I3D相较于 RGB输入的I3D可以提高行为识别的准确率。所以矛盾来了，如果3D卷积神经网络可以提取全部的运动信息，为什么 two-stream 3D的效果还是会提升呢？所以文章首先做出了一个假设：在3D卷积神经网络中，仅仅输入RGB视频帧，并且以交叉熵为优化目标，会丢失一些运动信息。

设置实验

为了探究3D卷积神经网络是否提取了视频中的运动信息，文章设置了一个非常巧妙的实验：对于一段视频，将其输入到3D卷积神经网络中，提取出这段视频的3D特征，然后使用一个解码器，将3D网络计算的特征中的运动信息解码到光流，根据解码的光流与TV-L1光流EPE损失来判断特征中的运动信息的大小。
文章设置了三种对比的解码器，如下图所示：

1. 简单解码器：简单解码器就是使用一层简单的卷积网络解码
2. 空间解码器：空间解码器使用多层的卷积网络解码
3. PEC解码器：这个是使用的最新的计算光流的网络解码

我们发现解码器的共同点就是时间维度的卷积都是1，这是为了防止在解码的过程中，解码器根据3D卷积特征时序之间的关系计算光流，从而保证所有的光流都是从3D卷积特征内部解码出来的。

实验结果

上表是解码出来的结果，其中 All Zeros 表示解码器输出为全0，此时的EPE损失高达2.92。PWC-flow表示的是使用光流输入的3DCNN解码出来的结果，可以看到此时的EPE损失是低到0.63，表明当光流作为输入时，3DCNN可以有效地捕获运动信息。然后再看 Simple-RGB、spatial-RGB和PEC-RGB的EPE，可以看到他们与PWC-flow的EPE相比都是很高的，这说明当以RGB作为3DCNN的输入时，其捕获的视频中的运动信息确实要远远少于以光流作为输入。

个人感想

那么为什么会出现这种结果呢？个人感觉在行为识别任务中，有一些行为appearance的占比更大一些，有一些行为的motion占比更大一些，而以RGB输入的3DCNN中，其更倾向于优化到关注视频的appearance，而以光流为输入的3DCNN中，其更倾向于被优化到关注视频的motion，所以才会得到上边的结论：“当以RGB作为3DCNN的输入时，其捕获的视频中的运动信息确实要远远少于以光流作为输入。其实本质上不能怪3DCNN，而应该怪数据，3DCNN是完全有能力提取视频的时空信息的，只是你一直喂RGB，网络会过拟合地更倾向于appearance”
如果想佐证上边的结论，可以分别计算appearance流的准确率高的行为和motion流的准确率高的行为，然后相互地对比一下就可以。

D3D

结构原理

所以探讨完了 3DCNN中运动信息这个观点以后，我们该如何在RGB输入的3D卷积网络中，让其更多地捕获运动信息呢？本文使用了一个非常巧妙的方法，称为蒸馏学习方法。

方法如上图所示，其原理是既然我们知道RGB输入的3DCNN中运动信息比较少，光流输入的3DCNN中运动信息非常多，那么我们把光流输入3DCNN中的特征也作为一种监督信息，因为该特征中本身包含有视频的运动信息，从而之前的“交叉熵损失”变为了 “交叉熵损失+光流特征的监督损失”。其中光流特征的监督损失使用的是RGB流和光流流的全连接特征之间的l2 loss（公式就不贴了，非常简单）。这样在RGB输入训练的时候，可以使得3DCNN不会过多的关注appearance信息，达到appearance信息和motion信息的平衡，减少过拟合的现象
文章也使用了其他的没有达到效果的方法来减少这种appearance过拟合的现象：

1. 在3DCNN中添加一个decoder，损失为decoder解码的结果与TV-L1光流之间的l2损失和交叉熵损失，这种方法不好的原因在于，光流输入的3DCNN捕获运动信息并不是从全部的光流中捕获的，而是从从光流的运动边缘捕获的，所以直接以光流为监督信息得到的效果并不怎么好。
2. 第二种就是还是维持原来的双流结构，但是motion流的输入不再是TV-L1光流，而是使用光流估计网络从RGB中计算的光流，然后全部微调，这种改进的双流网络的效果要比使用光流作为输入的效果是好的，但是还是没有本文提出的D3D的效果好。

实验

D3D真的比S3D-G中包含更多的运动信息吗？

文章首先对比了S3D-G和D3D之间在提取视频中运动信息时候的区别（蓝色和红色的立方柱），可以看到在网络的各层都是D3D的光流重构loss更低，所以D3D确实能更好地捕获视频中的运动信息。而且可以看到层数越高损失越大，说明越抽象的特征越难重构出光流信息来。而且蒸馏学习是在抽象层完成的，然而却会影响到底层并且影响最大的还是底层，这个也是挺有意思的，说明加入的蒸馏学习影响到了整个网络的优化。

然后文章对S3D-G和D3D的decoder的光流进行了可视化，可以看到确实D3D解码出来的光流分布与TV-L1的光流更像一些。

在哪一层的蒸馏效果最好呢？

文章也实验了在不同层得蒸馏效果，基本上差别不是很大，但是层数越高效果越好，应该是因为层数越高，能够影响的层数越多，相当于全局微调，所以效果好了。

反过来蒸馏怎么样呢？

上图中第一行表示不加行为识别的损失，可以看到此时的效果是非常地差地，这是必然的。第二行是使用空间流作为老师，motion流作为学生，效果没有反过来好，我个人分析是因为在kinetics数据集中，appearance占比更大，如果换一个motion占比更大的数据集，说不定反过来效果就好了。

蒸馏学习定量分析的效果

上图是文章统计的关于各个行为经过蒸馏学习准确率的变化，我感觉这个统计是非常地有意思的，可以看到并不是所有的行为的准确率都升高了，我其实也是受到这个的启发，那就是 数据集中的appearance和motion占比是真实的存在的，提升的行为类别motion占比更大一些，减小的行为类别appearance占比更大一些。

标签：卷积,信息,光流,RGB,Video,Distilled,Action,3DCNN,3D
来源： https://blog.csdn.net/zzmshuai/article/details/90903936