《TDN: Temporal Difference Networks for Efficient Action Recognition》论文详解
作者：互联网
论文地址：https://arxiv.org/abs/2012.10071
代码地址：https://github.com/MCG-NJU/TDN
该文章在2020年12月份发表于arxiv，文章提出了short-term TDM和long-sterm TDM模块来高效的获取local motion信息和global motion信息。从而在速度和精度上都取得了较好的成绩。
一、网络结构
网络结构如下图所示，从图中可以看出大体的框架类似于TSN模型（实际从代码上来说用的也是TSN的框架），虽然图中在short term和long term画了多个网络，实际上这都是一个网络，类似于TSN文章中的网络结构图。
为了更好的说明网络的工作原理，我们先来看一下图中，也是本文的创新点，short-term TDM和long-term TDM两种模块的结果和工作原理。
1.1 short-term TDM
TDM全名为 temporal difference module，可以知道TDM模块里存在一些差值的计算，而short-term指的就是短时间内局部信息的差值。举例说明，对于给定的一个视频V来说，首先类似TSN的处理方式，将视频等时长的分为T份。然后在等分的子视频中随机抽取一帧图像，那么视频V就可以输出T帧图像，用符号表示为 I = [ I 1 , I 2 , . . . , I T ] I = [I_1, I_2, ..., I_T] I=[I1,I2,...,IT]， I i I_i Ii表示抽取出来的一帧图像，这里I的维度为[T, C, H, W]。接着获取的帧输入到2D CNN中提取特征，得到 F = [ F 1 , . . . , F T ] F=[F_1, ..., F_T] F=[F1,...,FT]， F表示获取到的特征，维度为 [ T , C ′ , H ′ , W ′ ] [T, C', H', W'] [T,C′,H′,W′]。上述2DCNN就是接下来要解释的short-term TDM的一部分，short-term TDM是为了更好的来表示local motion而设计的。（这里框架图和short-sterm TDM图有一点点不太一样，框架图里面的S-TDM实际上是short-sterm TDM图中去除conv1后的其余部分结构，但是不影响理解。）
short-term TDM用公式表示如下：
F
^
i
=
F
i
+
H
(
I
i
)
\hat{F}_i = F_i + H(I_i)
F^i=Fi+H(Ii)
F
^
i
\hat{F}_i
F^i表示short-term TDM的输出，H表示的是short-term TDM的核心部分。
H用公式表示如下：
H
(
I
i
)
=
U
p
s
a
m
p
l
e
(
C
N
N
(
D
o
w
n
s
a
m
p
l
e
(
D
(
I
i
)
)
)
)
H(I_i)=Upsample(CNN(Downsample(D(I_i))))
H(Ii)=Upsample(CNN(Downsample(D(Ii))))
上式中
D
(
I
i
)
=
[
D
−
2
,
D
−
1
,
D
1
,
D
2
]
D(I_i) = [D_{-2}, D_{-1}, D_{1}, D_{2}]
D(Ii)=[D−2,D−1,D1,D2]为以采样图片帧
I
i
I_i
Ii为中心局部抽取帧之间的帧差结果。
short-term TDM的示例图如下所示：
可以从图片看出，在抽取出 I = [ I 1 , I 2 , . . . , I T ] I = [I_1, I_2, ..., I_T] I=[I1,I2,...,IT]图像后，short-term TDM会先根据抽取的图像帧，从他们周围在多抽取几帧，其中 I i I_i Ii帧为中心且直接输入到conv中提取出特征 F i F_i Fi，其余的周围的帧和 I i I_i Ii帧一起互相做差值，然后经过一些resnet中提出的res层和上采样下采样融合出short-term TDM的输出特征。文章表示这样输出的特征能比较好的获取局部的motion特征，然后将得到的short-term TDM特征作为long-term TDM的输入。
1.2 long-sterm TDM
long-sterm TDM的输入为short-sterm TDM的输出，下面用 F i F_i Fi表示。
因为long-sterm TDM结构有点复杂，用公式表示会多比short-sterm TDM多一点，如下所示：
F
^
i
=
F
i
+
F
i
⊙
G
(
F
i
,
F
i
+
1
)
\hat{F}_i=F_i + F_i \odot \mathcal{G}(F_i, F_{i+1})
F^i=Fi+Fi⊙G(Fi,Fi+1)
G
(
F
i
,
F
i
+
1
)
=
1
2
[
M
(
F
i
,
F
i
+
1
)
+
M
(
F
i
+
1
,
F
i
)
]
\mathcal{G}(F_i, F_{i+1}) = \frac{1}{2}[M(F_i, F_{i+1})+M(F_{i+1}, F_i)]
G(Fi,Fi+1)=21[M(Fi,Fi+1)+M(Fi+1,Fi)]
M
(
F
i
,
F
i
+
1
)
=
S
i
g
m
d
(
C
o
n
v
(
∑
i
n
C
N
N
j
(
C
(
F
i
,
F
i
+
1
)
)
)
)
M(F_i, F_{i+1}) = Sigmd(Conv(\sum^{n}_{i}CNN_j(C(F_i, F_{i+1}))))
M(Fi,Fi+1)=Sigmd(Conv(∑inCNNj(C(Fi,Fi+1))))
C
(
F
i
,
F
i
+
1
)
=
F
i
−
C
o
n
v
(
F
i
+
1
)
C(F_i, F_{i+1})=F_i-Conv(F_{i+1})
C(Fi,Fi+1)=Fi−Conv(Fi+1)
上式中
⊙
\odot
⊙表示点乘。
公式看起来复杂点，看图会比较好理解，long-sterm TDM如下图所示。因为也是TDM模块，所以也有做差值的操作。
上图中有个地方需要额外说明一下，就是F经过conv1后得到 F t , F t + 1 F_t, F_{t+1} Ft,Ft+1，且通道数变成了C/r。首先通道数变化好理解，就是conv1输出通道数是输入的1/r。为什么conv1输出了不同的 F t , F t + 1 F_t, F_{t+1} Ft,Ft+1呢，这里可以理解为经过conv1输出的feature在T维度向前移和向后移了一个单位。这也是TDM的表示所在，文章认为这样做可以获取全局的motion feature信息。
通过了解了提出的两个模块结构后，可以知道网络里类似于TSN一样计算，将一个样本视频提取的多个帧放入batch维度（输入的是NCTHW， 实际计算是 ( N × T ) × C H W (N\times T)\times CHW (N×T)×CHW）。这样实际上上图显示的多个网络实际都是一套网络参数。还需要注意的是TDN网络图中的block不是单纯的long-sterm模块，而是以long-sterm模块为核心的residual模块（类似于在原始的resnet里面插入一个L-sterm TDM）。
到这里基本的创新原理就讲完了，具体的实验方式和实验结果可以查看论文与代码获取更多信息。
标签：term,short,TDN,TDM,Efficient,Temporal,long,sterm,Fi 来源： https://blog.csdn.net/liuxiaoheng1992/article/details/114435192