深度學(xué)習(xí)助力實(shí)現(xiàn)智能行為分析和事件識(shí)別

“近年來(lái)，深度攝像技術(shù)的發(fā)展使得人體運(yùn)動(dòng)的深度圖像序列變得容易獲取，結(jié)合高精度的骨架估計(jì)算法，能夠進(jìn)一步提取人體骨架運(yùn)動(dòng)序列。”

行為識(shí)別是指通過(guò)分析視頻、深度傳感器等數(shù)據(jù)，利用特定的算法，對(duì)行人的行為進(jìn)行識(shí)別、分析的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在視頻分類、人機(jī)交互、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。行為識(shí)別包含兩個(gè)研究方向：個(gè)體行為識(shí)別與群體行為（事件）識(shí)別。近年來(lái)，深度攝像技術(shù)的發(fā)展使得人體運(yùn)動(dòng)的深度圖像序列變得容易獲取，結(jié)合高精度的骨架估計(jì)算法，能夠進(jìn)一步提取人體骨架運(yùn)動(dòng)序列。利用這些運(yùn)動(dòng)序列信息，行為識(shí)別性能得到了很大提升，對(duì)智能視頻監(jiān)控、智能交通管理及智慧城市建設(shè)等具有重要意義。同時(shí)，隨著行人智能分析與群體事件感知的需求與日俱增，一系列行為分析與事件識(shí)別算法在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的推動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生。下面將介紹我們最新的相關(guān)研究。

圖1 行為識(shí)別的定義及應(yīng)用領(lǐng)域

1.基于層級(jí)化循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人體骨架運(yùn)動(dòng)序列行為識(shí)別

目前基于人體骨架的行為識(shí)別方法主要可分為兩類：1）基于局部特征的方法：該類方法是對(duì)序列中的各時(shí)刻的人體骨架的局部幾何結(jié)構(gòu)做特征提取，然后利用詞包（Bag of Words, BoW）模型結(jié)合時(shí)間金字塔（Temporal Pyramid, TP）或是結(jié)合動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（Dynamic Time Warping, DTW）進(jìn)行識(shí)別，該類方法沒(méi)有或是只能局部考慮運(yùn)動(dòng)序列的時(shí)序信息，其識(shí)別過(guò)程更多地依賴局部靜態(tài)結(jié)構(gòu)特征；2）基于序列狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方法：該類方法主要是利用HMM 對(duì)行為演化的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行建模，其兩個(gè)主要不足是不僅需要對(duì)序列做預(yù)對(duì)齊，同時(shí)還需要估計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程的遷移概率，這本是兩個(gè)比較困難的問(wèn)題，其識(shí)別的精度也往往偏低。本研究主要基于微軟的Kinect 和運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)提取的人體骨架運(yùn)動(dòng)序列，結(jié)合人體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，提出了基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人體骨架運(yùn)動(dòng)序列的行為識(shí)別模型。提出的模型首先對(duì)已經(jīng)提取好的人體骨架姿態(tài)序列中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行歸一化，以消除人體所處絕對(duì)空間位置對(duì)識(shí)別過(guò)程的影響，利用簡(jiǎn)單平滑濾波器對(duì)骨架節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)做平滑濾波以提高信噪比，最后將平滑后的數(shù)據(jù)送入一個(gè)層次化雙向遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步進(jìn)行深度特征表達(dá)提取、融合及識(shí)別，同時(shí)提供了一種層次化單向遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以應(yīng)對(duì)實(shí)際中的實(shí)時(shí)分析需求。該方法主要優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)人體結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，設(shè)計(jì)端到端的分析模式，在實(shí)現(xiàn)高精度識(shí)別率的同時(shí)避免復(fù)雜的計(jì)算，便于實(shí)際應(yīng)用。

圖2 基于層級(jí)化RNN的人體骨架序列行為識(shí)別示意圖

2.基于雙流循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的行為識(shí)別

由于深度傳感器的成本的降低和實(shí)時(shí)的骨架估計(jì)算法的出現(xiàn)，基于骨架的行為識(shí)別研究越來(lái)越受歡迎。傳統(tǒng)方法主要基于手工特征設(shè)計(jì)，對(duì)行為中運(yùn)動(dòng)的表達(dá)能力有限。最近出現(xiàn)了一些基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，可以直接處理原始數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)行為。這些方法只考慮了骨架坐標(biāo)隨著時(shí)間的動(dòng)態(tài)演變，而忽略了它們?cè)谀骋粋€(gè)時(shí)刻的空間關(guān)系。在本文中，我們提出一種基于雙流循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法如圖三，分別對(duì)骨架坐標(biāo)的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性和空間相對(duì)關(guān)系建模。對(duì)于時(shí)間通道，我們探索了兩種不同的結(jié)構(gòu)：多層循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和層次化的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)于空間通道，我們提出兩種有效的方法把坐標(biāo)的空間關(guān)系圖轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)點(diǎn)的序列，以方便輸入到循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。為了提高模型的泛化能力，我們探究了基于三維坐標(biāo)變換的數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，包括旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切變換。 在深度視頻的行為識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的測(cè)試結(jié)果顯示，我們的方法對(duì)于一般行為，交互式行為和手勢(shì)的識(shí)別結(jié)果都有相當(dāng)大的提高。

圖3 基于雙流RNN的骨架的行為識(shí)別方法

3.基于類相關(guān)玻爾茲曼機(jī)的視頻事件分析

我們研究了有監(jiān)督模型中的視頻表達(dá)學(xué)習(xí)，以期望利用類標(biāo)簽學(xué)到更有區(qū)分力的表達(dá)，可同時(shí)用于視頻分類和檢索。我們知道，由于低層視覺(jué)特征與類標(biāo)簽之間的語(yǔ)義鴻溝、高維低層特征對(duì)后續(xù)分析所產(chǎn)生的計(jì)算代價(jià)以及有標(biāo)簽訓(xùn)練樣本的缺乏，在不受控制的網(wǎng)絡(luò)視頻中分析無(wú)結(jié)構(gòu)的群體行為和事件是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，如圖四所示。為了克服這些困難，我們希望能夠?qū)W習(xí)一個(gè)含有語(yǔ)義信息的緊湊中層視頻表達(dá)。因此，我們提出了一種新的有監(jiān)督概率圖模型：類相關(guān)受限玻爾茲曼機(jī)(Relevance Restricted Boltzmann Machine, ReRBM)，學(xué)習(xí)一種低維的隱語(yǔ)義表達(dá)用于復(fù)雜行為和事件分析。提出的模型在受限玻爾茲曼機(jī)（RBM）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些關(guān)鍵性擴(kuò)展：1）將稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)與RBM結(jié)合來(lái)學(xué)習(xí)具有區(qū)分力的與視頻類相關(guān)的隱含特征；2）將RBM中的二進(jìn)制隨機(jī)隱含單元替換為非負(fù)線性單元來(lái)更好的解釋復(fù)雜視頻內(nèi)容，并使得變分推理能夠適用于提出的模型；3）開(kāi)發(fā)了有效的變分EM算法用于模型的參數(shù)估計(jì)和推理。我們?cè)谌齻€(gè)具有挑戰(zhàn)性的標(biāo)準(zhǔn)視頻數(shù)據(jù)集(Unstructured Social Activity Attribute、Event Video和Hollywood2)上對(duì)提出的模型進(jìn)行了評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比其他的一些隱變量概率圖模型如圖五所示，提出的模型所學(xué)到的類相關(guān)特征提供了對(duì)視頻數(shù)據(jù)更具有區(qū)分力的語(yǔ)義描述，在分類準(zhǔn)確率和檢索精度上獲得了最好結(jié)果，特別是在使用很少有標(biāo)簽訓(xùn)練樣本的情況下。這項(xiàng)工作發(fā)表在機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)信號(hào)處理領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際會(huì)議NIPS 2013上，其擴(kuò)展后的版本被計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際期刊IJCV 2016發(fā)表。

圖 4 不同類型的活動(dòng) （簡(jiǎn)單動(dòng)作、結(jié)構(gòu)化活動(dòng)、非結(jié)構(gòu)化群體事件）

圖5 基于類相關(guān)受限玻爾茲曼機(jī)的視頻表達(dá)

4.采用雙通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基于行走行為的身份識(shí)別

基于行走行為的身份識(shí)別，即步態(tài)識(shí)別一般指的是給定一個(gè)步態(tài)序列，要求從一個(gè)匹配庫(kù)中找出與之最相似的序列，從而確定所給定序列中人的身份。步態(tài)是遠(yuǎn)距離、非受控情況下唯一可感知的生物特征，使用范圍可遠(yuǎn)達(dá)50米，在遠(yuǎn)距離大范圍的視覺(jué)監(jiān)控場(chǎng)合具有不可替代的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。我們提出的方法處理的是預(yù)先提取好的步態(tài)能量圖（Gait Energy Images，GEI），步態(tài)能量圖是將視頻序列中提取出的行人剪影對(duì)齊后沿時(shí)間維度平均得到的一種2D的灰度圖像。首先，考慮到基于步態(tài)能量圖的步態(tài)識(shí)別中局部細(xì)節(jié)差異的重要性，多點(diǎn)的局部比較應(yīng)該會(huì)優(yōu)于一次全局比較;其次，兩個(gè)處于不同視角的樣本可能會(huì)在表觀上出現(xiàn)巨大的差異，如果只考慮比較單元自己的局部區(qū)域，將很難捕捉到足夠的信息進(jìn)行比較；另外還需要判別式地學(xué)習(xí)特征和比較模型。以上的三點(diǎn)都可以在一個(gè)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，從而我們提出了基于上下文的跨視角步態(tài)識(shí)別方法如圖六所示，在極為困難的同時(shí)跨視角和行走狀態(tài)的任務(wù)中，也能夠達(dá)到足夠讓人接受的識(shí)別效率。

圖6 步態(tài)識(shí)別流程圖與提出的模型結(jié)構(gòu)圖