AI视频智能分析技术与应用（二）

AI视频智能分析技术与应用（一）

AI视频智能分析技术与应用（二）

AI视频智能分析技术与应用（三）

二、AI视频智能分析有那些技术？

3、动作行为识别技术

动作行为识别是预测目标在当前时刻或一段时间内的状态。该技术广泛应用至动作识别、流程规范化识别以及视频分类等场景。如校园打架暴力检测、工厂工人操作流程规范性检测、摔倒行为检测等。此外还可用于视频分类。例如，抖音视频、快手视频、百度视频每天上传数以万计的长短视频，这些视频需要进行分类并赋予泛标签，从而进行视频推荐、广告推荐。因此，高效准确的视频理解至关重要。

图19. 动作行为识别示意图

视频识别与图像识别两者的重要区别是是否对时间序列建模。因为，视频是多帧图像的组合，同时具有时间序列特性。比如，开门与关门两个动作，从一个时间方向预测是关门，相反方向是开门。如果不考虑时序特性，仅进行图像融合，神经网络对两个视频动作的预测可能是同一个结果。

如图19所示，每个视频片段经解码处理成为单帧图像，对单帧图像进行特征提取获得空间特征，同时采样时间方向建模，获取帧时序特征，最后经过特征融合与分类输出视频类别。这是常规的视频分类方法。对于时序特征的提取，常用的方法包括3D-CNN，RNN, LSTM等。而这些模型参数量大、计算开销大。对于视频分类高效、准确尤为重要，特别是对于算力有限的边缘嵌入式设备的在线视频分析。

下面介绍动作行为预测中的典型网络模型TSM（Temporal Shift Module）。

图20. TSM模块

核心思想：在时间方向上对特征通道数据移动，实现时序信息交换，同时不增加计算成本。

解释一下，神经网络对输入张量进行特征提取获取特征图，假设当前帧获取的特征图的个数为C，为了使下一帧能够获取当前帧的特征信息，从当前帧C个特征图中选取一部分(假设C/8)传至下一帧，当前帧的部分特征图（C/8）与下一帧的特征图（7*C/8）共同构成了下一帧的特征图。这样就实现了时序间的信息传递。

如图20所示，（b）在时间方向上进行特征移动，即当前时刻的一部分特征移向了前一时刻；一部分特征移向了下一时刻。该移动方式适用于离线的视频分析。（c）在时间方向上进行单向移动，即当前时刻的部分特征移向下一时刻，该移动方式适用于在线视频分析。

问题1：为什么TSM不增加计算成本？

卷积操作可以分为移动与乘积两部分操作。移动是常规的指针偏移操作几乎不消耗计算量；卷积核与张量的乘积耗费计算量。因此，TSM选择在通道方向上的移动操作，既降低了计算量，同时实现时序特征交换。

问题2：TSM移动的特征图比例多少合适？

如果移动的当前帧的特征图比例过多，虽然不会增加计算量不会产生计算耗时，但是会涉及到数据在内存中的移动，这部分移动也会增加耗时。数据移动量越大，耗时越大。同时特征图移动比例过大，会造成当前帧特征图空间建模能力下降。为此，对于双向移动的TSM模块，比例选择1/4，即每个方向上移动1/8特征图；对于单向移动的TSM模块，比例选择1/8。经测试，该比例下的预测精度高，同时由于数据移动产生的耗时低。

问题3：TSM模块特征提取放在什么位置？

TSM模块提供了两种插入位置，一种是放到残差网络之前，另一种是放到残差分支中。

对于第一种，如图21(a), 该方式将时移特征作为主干特征，残差分支与直连分支均基于主干特征操作。该方式会损坏当前时刻特征的空间学习能力，特别是时移比例较大的情况。

对于第二种，如图21(b)，该方式将时移特征插入至残差分支，不仅能够保留原始空间特征，同时能够学习到时移特征，解决了方式第一种特征学习能力不足导致的网络退化问题。

图21. TSM模块类型

如图22所示，当前层的Feature Map X经时移操作得到新的特征图Shift，后接卷积操作得到的结果与输入X进行Add操作，从而得到输出。

图22. Residual TSM

可自定义对特征提取网络的某些层，实现Residual TSM，并将时移特征传递至下一时刻。

图23. TSM在线预测网络结构

TSM在线预测推理过程如下：

简单的说，对于每一帧，保存残差块的前1/8个特征图至缓存中。下一帧将当前特征图的前1/8用缓存中的特征图代替，1/8的旧特征图与7/8的当前特征图组合生成下一层，并重复该过程。

第一步：将当前时刻该层的特征图的前1/8用缓存中旧的1/8来代替，并将1/8旧特征图与7/8当前特征图组合生成至下一层；

第二步：当前时刻的下一层，重复第一步的方法，依次循环完成当前时刻所有残差层的特征图更新，同时完成缓存更新。

第三步：对于历史前N个时刻的logit输出进行平均，输出这N个时刻的所构成的视频片段的预测结果，完成动作预测。

TSM通过时间维度上的特征移动实现了不同时刻特征信息的交换与融合，同时基于多个时刻预测值的均值预测类别，兼顾了速度与性能，为视频分类经典模型。

4、时序动作定位技术

时序动作定位简称TAL（Temporal Action Localization）是视频理解中的重要分支。其解决的主要问题为，定位动作发生的开始时刻与结束时刻。

TAL技术应用广泛，如流程性动作的始末点分析；海量视频的智能剪辑；广告的智能检测与插播等场景都离不开时序动作定位技术。比如机场中通过TAL技术来定位飞机在什么时间段完成了什么节点动作，电视台通过TAL技术鉴别广告播放与结束时刻，从而进行目标广告植入。

图24. 时序动作定位示意图

如图24所示，时序动作定位核心问题为在时间方向上预测动作的起点与终点，同时给出起点终点之间的视频类别。

图25. 时序动作定位方法

怎样预测起止点与动作类别？

（1）滑窗法

预测起止点与类别，最直接的方法是给定不同大小的滑窗，在时序视频上进行滑动，然后判断滑窗内的动作类别。

图26. 滑窗法时序动作预测

（2）候选框预测法

类比于两阶段的目标检测算法，第一阶段通过RPN网络生成候选框，第二阶段对候选框进行分类与坐标修正。基于候选框法的时序动作定位遵循类似的思路。首先，原始视频经2D CNN或3D CNN提取1D卷积特征；其次，通过模型生成动作候选区间，最后预测每个候选区间内动作类别，并对候选区间进行修正。

图27. 候选框预测法

滑窗法与候选区间法，本质上都是基于预先设定的区域间框对区间内动作类别进行预测，同时修正区间边界。这类方法统称为自顶向下方法。听着很熟悉，没错，类似于姿态识别当中的自顶向下方法。受限于预先设定的窗口，所定位的动作的起止位置不够准确。

（3）起止点预测法

起止点预测法属于自底向上的预测方法也称作local to global先局部后整体。首先，通过局部特征预测动作的开始时刻与结束时刻；其次，将开始时刻与结束时刻合成候选区间；最后，预测候选区间内的动作类别。

图28. BSN网络结构

下面介绍自底向上时序动作定位算法BSN（BSN: Boundary Sensitive Network for Temporal Action Proposal Generation）该方法主要分为以下三步：

第一步：BSN在视频片段的每个时间点上预测输出一个动作开始的概率，结束的概率以及当前时间点属于某个动作的概率，同时生成<start prob, end prob, action prob>时间序列作为局部信息；

第二步：使用local to global方式组合高概率值的开始点与结束点，生成不同大小，不同边界准确性的proposal；

第三步：利用proposal level特征来评估每个proposal的置信度，并从第二步中检索出高置信度的proposal。

随着自注意力Transformer在图像分类、目标检测中表现出的强大能力，在时序动作定位中也产生了令人印象深刻的性能，并出现了如ActionFormer等模型，鉴于篇幅限制，暂不做详细介绍。

5、视频内容检索技术

什么是视频内容检索？

视频内容检索即通过检索关键词、图片、视频从海量视频底库中检索出目标视频。本质上是向量检索，即对底库视频进行数字化编码形成能表征视频特征的向量T，同时对检索内容进行向量数字化编码形成检索向量S。检索即通过特征比对从海量底库视频T中检索出检索出S。

能检索什么？

视频内容检索区别于传统的基于关键词的检索，是一种新型的内容检索方式，更符合用户习惯与用户检索需求。视频内容检索可检索视频文字、视频目标、相似内容视频、相似语义视频。

应用场景？

该技术广泛应用至数字资产管理、海量视频检索、视频侵权检测以及视频推荐系统中。

单从检索精度上来说，涉及两个问题：

问题1：如何有效对视频内容进行向量化形成Embedding?

问题2：如何度量检索S与底库T之间的相似性？

图29. 视频内容Embedding方法

如图29所示，对视频进行Embedding的方法大致分为三类：

第一类：基于内容的Embedding

该类方法主要采用特征提取网络对视频中序列帧进行向量化编码，形成2048或768维度的向量。通过非时序或时序网络提取每帧特征，同时进行特征融合形成表征该视频特征的全局Embedding。同时，细粒度的内容Embedding还包括视频中的目标、人脸、文字Embedding。

第二类：基于语义的Embedding

该类方法主要采用视觉编码器如ResNet50，Vit-Base/32等对视频中的图片进行Embedding。在此基础上通过映射网络将视觉特征映射至语义空间，得到每帧图片的语义Embedding。其中映射网络通过CLIP/Chinese CLIP训练得到，即通过数亿对的图文对训练获取。

第三类：基于结构化的Embedding

该类方法主要采用视频图像中的结构化数据进行Embedding。比如页面点赞量、收藏量、关注量信息、用户的观看时长、是否评论等行为信息对视频进行Embedding。在推荐系统中应用居多。

图30. 视频内容检索方法

如图30. 视频内容检索方法根据模态的不同可分为同模态检索与跨模态检索。

同模态检索表示检索内容与底库内容形式相同（同为文本、图片、视频），跨模态检索表示检索内容与底库形式异同（文本->视频），相似性对量方法与上文所述deepsort中的度量方式类似，以余弦距离度量为主，因为余弦距离值域0-1，阈值选取简单。