AAAI 2018 | 美图联合中科院提出无监督类脑智能方法NOASSOM：可实现视频语义理解

机器之心专栏

作者：美图云视觉技术部&中科院自动化所

近日，美图云视觉技术部门与中科院自动化所共同合作研发，提出一种基于类脑智能的无监督的视频特征学习和行为识别的方法 NOASSOM (Hierarchical Nonlinear Orthogonal Adaptive-Subspace Self-Organizing Map based Feature Extraction for Human Action Recognition)，该方法不依赖于标签信息，可以自适应地、无监督地学到视频的特征表示，相关成果已发表在 AAAI 2018 上，并以 oral 的形式在大会上进行了报告。

 

视频语义理解一直是学术界的研究热点之一。近两年随着短视频领域的火爆发展，围绕短视频的业务场景应用也在增长，工业界应用场景都对视频内容理解提出了迫切的落地需求。与学术界用的确定性数据集不同，工业界业务产生的视频数据具有如下特点：首先，数据量大，每天都会有成千上百万的视频被上传；其次，内容未知，现实生活中的场景是很复杂的，尤其对于 UGC 内容，无法确定用户上传的视频中的主体和场景，行为更是无法预测；再次，时效性，在不同的时间段内视频的主题、场景以及行为是不同的，它可能会随着时间发生变化进行转移。因此，在这样的数据集上人工建立标签体系非常困难。NOASSOM 算法的提出有效解决了算法模型在训练过程中无标签输入的问题。

 

NOASSOM 是通过模拟视觉皮层中表面区域的结构来构建的，以数据驱动自组织更新，恢复基本视觉皮层中的神经元对输入刺激的反应。NOASSOM 是对 ASSOM 方法的改进。ASSOM 是一种特征提取方法，它可以从输入数据中学习统计模式，并对学到的模式进行自组织排列，从而进行特征表示。但是 ASSOM 只能处理有标签的数据，并且只对线性化的数据有效，无法胜任其他复杂情形。NOASSOM 的提出解决了 ASSOM 的这两个重要问题。首先，NOASSOM 通过引入一个非线性正交映射层，处理非线性的输入数据，并使用核函数来避免定义该映射的具体形式。其次，通过修改 ASSOM 的损失函数，使输入数据的每个样本可以独立地贡献于损失函数，而不需要标签信息。这样，NOASSOM 可以有效地、无监督地学习数据的统计模式和本征表示。图 1 示意了 NOASSOM 与 ASSOM 的网络结构区别。

 

NOASSOM 与 ASSOM 网络结构

ASSOM 由输入层、子空间层、输出层组成。NOASSOM 比 ASSOM 增加一个非线性正交映射层，用于实现输入层和子空间层的非线性正交映射。为保证映射后的子空间基向量仍然保持正交性，NOASSOM 采用正交约束的核函数：

输出层使用输入在子空间的投影表示：

使用投影残差构建损失函数：

原始的 ASSOM 的损失函数表示如下：

通过修改损失函数使每个样本独立地贡献于损失函数，而不必使用 Class-specific 的数据进行有监督训练。NOASSOM 使用随机梯度下降法对网络进行训练。

在每次迭代之后，重新对基向量进行正交化处理。算法流程图如下：

 

NOASSOM 论文进一步还提出一个层级的 NOASSOM 来提取高层的抽象特征，有效地描述视频中行为轨迹的表观和运动信息，构建了一个层级的 NOASSOM 结构提取视频中的局部行为特征，并使用 FISHER VECTOR 进行聚合编码，采用 SVM 进行分类，如图 2 所示。

层级 NOASSOM 特征提取框架

 

训练得到的基向量的可视化结果如图 3 所示，左边是表观信息滤波器，右边是运动信息滤波器。可以看出表观信息滤波器可以学到一些类似边缘检测的滤波器，这样类型的滤波器对图像的水平边沿和垂直边沿能进行检测，从而提取良好的轮廓纹理信息。右边的运动信息滤波器学到了一些类似 Gabor 滤波器的滤波器，这样的滤波器对运动信息更加敏感，实现对运动信息进行良好的提取。

 

NOASSOM 中基向量的可视化结果

 

NOASSOM 中训练得到的基向量的可视化结果如图 2 所示，左边是表观信息滤波器，右边是运动信息滤波器。可以看出表观信息滤波器可以学到一些类似边缘检测的滤波器，这样类型的滤波器能对图像的水平边沿和垂直边沿进行检测，从而提取良好的轮廓纹理信息。右边的运动信息滤波器学到了一些类似 Gabor 滤波器学到的信息，这样的滤波器对运动信息更加敏感，实现对运动信息地鲁棒性提取。

NOASSOM 在国际公开大型数据集 UCF101, HMDB51 和小型数据集 KTH 上进行了评测，获得了 93.8%，69.3% 和 98.2% 的识别率。在 UCF101 和 HMDB51 上，分别超出使用手工特征的 iDt+HSV 基准方法 5.9% 和 8.2%，并且分别超出使用卷积神经网络模型的 iDt+CNN 方法 2.3% 和 3.4%，在 KTH 上超过 iDT+MBH 的基准方法 3.2% 以及基于 3D CNN 的方法 8.0%。公开数据集上的实验结果表明，这种方法优于之前基于手工特征的方法和大多基于深度特征的方法。此外，在小数据库上，性能更加优于基于 CNN 的方法。更多的技术细节和实验结果请参考原始论文。

 

NOASSOM 方法的独特优势在于，可以从大量没有标签的数据进行更加快速的训练，并且获得和其他基于有标签数据方法性能相当甚至更加优越的性能。基于这项技术的输出将被应用于美拍短视频多个业务场景中，如相似视频的推荐和大规模视频检索，基于短视频内容的用户聚类和画像，以及基于短视频内容的运营标签挖掘等等。

附：

美图云视觉技术部门，专注于文本、图像和视频等领域的视觉算法研发和平台构建。部门主导研发的 AI 视觉分析平台 DeepNet，提供检测、分类、语义理解、哈希、OCR 等多个方向的技术支撑，正在为美图各产品和业务，如美拍短视频运营、商业化广告、推荐业务、搜索业务和安全审核等提供算法支撑。视觉部门长期招纳视觉领域相关人才，方向不限，有意者请发简历至 lili.zhao@meitu.com。

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