【论文笔记】光流在视频行为识别中的作用

Paper：On the Integration of Optical Flow and Action Recognition
Author：Facebook，Zhejiang University，MPI for Intelligent Systems，NVIDIA

0. 引言

在做视频行为识别时，特别是基于two-stream框架时，常常会引入光流图作为双流网络其中一支的输入。这是很常用，且在各数据集上已被证明有效的做法。但是，关于光流在行为识别中到底起到了什么作用其实并没有明确的研究。通常我们认为光流代表了视频的motion信息，可以和帧图像的appearance信息形成互补，从而提高双流模型的效果。
那么是否真的是这样呢？本文探讨了光流对于行为识别有用的原因。首先给出本文的结论，有些结论可能有点反直觉：
（1）光流对于action recognition有用是因为它的表观特征不变性（而不是动态信息）
（2）光流方法优化时通常采用end-point-error(EPE)，但是EPE的好坏和action recognition的性能没有强相关性
（3）从测试的光流算法看，光流在边界处和小位移处的精度对于提升action recognition的性能有强相关
（4）以最小化分类误差为目标去训练光流比最小化EPE更能提升action recognition的性能
（5）以action recognition为目标学习到的光流和传统的光流不相同，特别是在人体内部的光流以及在人体边界处的光流

1. 为什么使用光流作为视频行为识别的输入？

之所以用光流，是基于一种直觉上的想法（没有经过具体验证的），那就是两帧之间的光流对于视频分类来说是一个好的特征，因为直觉上来说在一个视频相关的任务中引入motion是很合理的。

但是其实目前数据集上的视频类别常常可以从单帧图像中得到。很多action都是定义为人与物体的交互，这些是可以从单帧图像上识别出来的。但是有论文[33]显示，仅使用光流作为输入得到的分类acc，竟然可以比仅适用图像作为输入得到的分类acc高。这个结果让人惊讶，因为现有的视频数据集在场景/物体和类别之间有很强的关联性（比如水和类别划船，吉他和类别弹吉他等）。而光流看起来并不能够提供这些物体的信息，那么我们就要问了，光流为什么会成为视频分类的一个这么有用的特征呢？

(1) 光流里面包含了运动轨迹，所以有用？
为了验证这一点，我们通过对光流进行temporal shuffling来实验。具体地，temporal shuffling是在test的时候进行的，以TSN为框架进行实验。TSN的输入是5帧光流，对5帧光流进行random排序，然后再输入到TSN中做推理。
实验结果如表1所示。我们发现当运动的轨迹被破坏了，总的acc还是很高（shuffled flow fields, 78.64%）。这说明连贯的时序轨迹并不是光流最重要的特征——至少在当前的设置下以及当前的网络结构下是这样。

（2）单帧光流也包含了帧间的motion信息，所以有用？
那即使是上面提到的shuffled flow fields，也还是包含了temporal的信息，因为单帧的光流本身也是通过两张相邻的帧计算出来的。为此，我们将用于提光流的RGB图片也做了shuffle，这样的话得到的光流就和物理上的运动没有关系了，但是它仍然包含运动物体的形状。如表1所示，这时候的acc下降到了59.5%（shuffled images），虽然这已经是一个比较大的变化了，但是它还是比随机猜(~1%)的概率要高很多，这说明光流的大部分的acc可能不是从motion得到的。

根据上述实验，说明光流对视频行为识别的作用可能并不是在于其对于motion的刻画，那么光流到底是因为什么所以有用呢？作者提出了他们的观点：光流中真正包含的最重要的信息是表观不变性。

为了验证上述想法，通过将UCF101的colormap进行变化进行实验。具体地，首先将RGB图片转成灰度图，然后再随机sample某种colormap如jet，brg，hsv等，将其再转成彩色，如图2的例子。观察acc的变化，如表1所示，我们发现对于RGB来说，虽然人眼来看altered colormap并没有什么画面上的变化，但是模型的结果看acc下降了50%，而对于flow来说，altered colormap没什么大的影响。

另外，我们再验证一下人眼可见的变化，当表观变化比较小的时候，我们对输入的帧每个channel scale一个[0.3,1]范围内的因子，结果显示RGB的acc降了20%，而光流则没有下降。
这些结果说明光流成功的原因并不是其时序结构在起作用，而是表观不变性。

3. 光流的精度和视频行为识别的精度有正相关关系吗？

是否更精确的光流算法就能够带来更精确的动作分类的结果？即，光流的精度和动作分类的精度正相关？

为了验证这一假设，我们把几种不同的光流算法作为输入，输入到一个行为识别的baseline系统中，记录它们的分类精度。同时，我们也在标准的光流数据集上计算了它们的精度（用end-point-error (EPE)表示），然后比较两个精度之间的相关性。图3显示小的EPE并没有带来更高的行为识别的精度。这可能是因为EPE是根据全图计算得到的，但不是全图的光流向量都对行为识别有同等程度的帮助。比如边界包含形状的信息，这是对识别有帮助的，但是背景的相机运动就没什么用。

我们进一步观察到光流场的某一些特性和分类精度有关联。特别地，在运动边界和小位移处的光流和分类精度有一定关系。

4. 对于行为识别任务来说，存在比光流更好的运动表示吗？

上述分析告诉我们光流之所以有用是因为它的表观不变性，而不是因为它包含了motion的信息。既然motion信息并不是光流成功的根本原因，那么建立有效的运动表示就还是一个开放的问题了，因为光流并没有能够解决这个问题。

作者认为需要寻求一个比普通光流更好的运动表示。但是在此处，作者选择使用行为分类的损失函数来fine tune光流网络，从而获得提升（因为EPE衡量的光流精度和行为识别精度没有什么关系，所以作者认为直接用行为识别的loss来做finetune能够提升光流在行为识别中的精度）。作者并没有探索光流之外的表示方式。

同样使用TSN作为识别的网络，前面光流提取的网络用SpyNet和FlowNet，我们从原有的光流网络开始，然后用行为识别的loss来fine tune光流网络。TSN是用之前光流模型固定时finetune的TSN，在此处对其fix参数。我们按照TSN的架构，采用3段式，6帧图像（即5帧光流）。lr=1e-7,和原始FlowNet一致。结果如表2所示，发现让光流学着去识别动作能够提升运动特征，能够进一步提升动作识别的acc。

另外我们将新得到的光流网络也重新测了EPE，结果如表3，和之前的结论一样，识别精度的提升和EPE的精度并没有什么关联。

那么用行为识别的loss训练的光流到底学到了什么使得识别精度有提升呢？我们比较了EPE训练的光流和行为识别训练的光流，结果如图5，发现大部分的区别在运动的边界及人所在的位置。

为了量化这种变化，我们使用Mask-RCNN来对图片进行pixel-wise的标注，然后我们比较了在人体内部和外部pixel的平均变化，以及在运动边界以及不在运动边界的pixel的变化，结果如表4，说明了在运动边界以及交互物体（这里指人）的光流对于识别最为重要。