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WACV 2023 | SSVOD:基于稀疏标注的半监督视频目标检测

WACV 2023 | SSVOD:基于稀疏标注的半监督视频目标检测

文章目录

  • 论文主要贡献
  • 论文创新点
  • 问题
  • 方法
    • SSVOD整体框架:基于师生网络端到端架构
    • Flow-warped Feature Set Generator(光流扭曲特征集生成器)
    • 鲁棒伪标签筛选
    • 损失函数
  • 实验
  • 消融实验
  • 结论

论文信息

  • 论文题目:SSVOD: Semi-Supervised Video Object Detection with Sparse Annotations
  • 论文作者:Tanvir Mahmud,Chun-Hao Liu,Burhaneddin Yaman, Diana Marculescu
  • 发表会议:WACV 2023
  • 代码链接:https://github.com/enyacgroup/SSVOD.git

论文主要贡献

本文提出了SSVOD,这是一个端到端的半监督视频目标检测框架,它利用视频的运动动态,通过稀疏注释来利用大规模未标记帧。为了在多组帧中选择性地整合稳健的伪标签,本文引入了来自邻近帧的光流扭曲预测,用于时间一致性估计。具体而言,本文在一组估计预测上分别引入了基于跨交并比(cross-IoU)和跨KL散度(cross-KL-divergence)的选择方法,以分别获取用于边界框和类别标签的稳健伪标签。为了平衡伪标签中的确认偏差和不确定性噪声,本文提出了基于置信度阈值的硬伪标签和软伪标签组合方法。该方法在ImageNetVID、Epic-KITCHENS和YouTube-VIS数据集上相比现有方法取得了显著的性能提升。

论文创新点

  • 提出一个端到端的半监督视频目标检测框架 SSVOD:利用视频的运动动态特性,结合稀疏标注来利用大规模未标注帧。
  • 引入来自邻近帧的光流扭曲预测,用于时间一致性估计。
  • 引入了基于跨交并比(cross-IoU)和跨KL散度(cross-KL-divergence)的选择方法,以分别筛选出用于边界框和类别标签的稳健伪标签。
  • 提出基于置信度阈值的硬伪标签和软伪标签组合方法,平衡伪标签中的确认偏误和不确定性噪声。

问题

1.监督式视频目标检测的良好性能高度依赖标注帧的数量;
2.尽管视频帧间存在很强的关联性,但为每个视频的大量帧标注数据,不仅成本高、耗时长,而且往往存在冗余;
3.现有的静态图像半监督技术,难以利用视频本身固有的时间运动动态特征。
三种训练策略对比,直观展示了视频目标检测在不同标注方式下的差异,以及 SSVOD(图 c)的核心思路
a 密集标注:性能最好,绿色块输出最准确稳定,但成本高
b 稀疏标注:有监督训练策略,未标注的关键帧完全不参与训练,也不利用参考帧的运动信息,性能差,绿色块数量少,输出不稳定
c 稀疏标注:通过光流扭曲生成伪标签,让模型也学习这些帧的特征,成本低,性能好

方法


半监督视频目标检测(SSVOD)概述

SSVOD整体框架:基于师生网络端到端架构

  • 教师由学生的EMA权重更新,对弱增强的未标注帧生成原始伪标签;
  • 学生同时训练强增强的未标注帧和标注帧;
  • 核心通过光流扭曲挖掘视频时间特征,经三重筛选得到硬/软伪标签,实现伪标签的精准生成。

Flow-warped Feature Set Generator(光流扭曲特征集生成器)

SSVOD中「光流扭曲特征集生成器」的详细流程图,展示如何把视频的运动信息变成模型能利用的特征,是SSVOD区别于静态图像方法的核心模块。

  1. 光流估计(Flow Estimator)
  • 输入:关键帧t+ 参考帧t-10/t+10。
  • 操作:用光流估计器计算关键帧与参考帧之间的运动轨迹(彩色的光流图)
  1. 特征扭曲(图中的W模块)
  • 输入:
    • 参考帧的视觉特征。
    • 上一步得到的光流场。
  • 操作:根据光流,把参考帧的特征移动到关键帧的对应位置,得到光流扭曲关键特征。
  1. 参考特征聚合(Reference Aggregator)
  • 输入:
    • 得到的扭曲后关键特征。
    • 所有参考帧的原始特征集合 。
  • 操作:将“扭曲后的关键特征”与“原始参考特征”进行聚合,融合多帧信息。
  • 输出:最终的Flow-warped Feature Sets(光流扭曲特征集)
    • 每个特征集都包含:关键帧自身特征 + 对齐后的参考帧特征。
    • 训练阶段每组帧仅使用2个参考帧,控制计算开销,不会无限制引入大量参考帧。

鲁棒伪标签筛选

经初始置信度阈值过滤后,通过三阶段筛选生成高质量硬/软伪标签:

  1. 跨IoU筛选:计算关键帧与参考帧预测框的平均IoU,保留高重叠度的伪边界框;
    x I o U ( k ) = 1 2 i ∑ j = − i i I o U ( o k t , o k t + j ) xIoU(k)=\frac{1}{2 i} \sum_{j=-i}^{i} IoU\left(o_{k}^{t}, o_{k}^{t+j}\right)xIoU(k)=2i1​j=−i∑i​IoU(okt​,okt+j​)
    o k t o_{k}^{t}okt​代表t tt时刻关键帧第k kk个物体;o k t + j o_{k}^{t+j}okt+j​是参考帧扭曲后匹配到的对应物体;2 i 2i2i为参考帧总数量。计算得到平均跨I o U IoUIoU,当x I o U > ζ I o U xIoU>\zeta_{IoU}xIoU>ζIoU​,保留该伪边界框。
  2. 跨KL散度筛选:对上述边界框计算类别概率的平均散度,保留低差异的类别标签,得到硬伪标签;
    x D i v ( k ) = 1 2 i ∑ j = − i i D K L ( o k t , o k t + j ) xDiv(k)=\frac{1}{2 i} \sum_{j=-i}^{i} D_{KL}\left(o_{k}^{t}, o_{k}^{t+j}\right)xDiv(k)=2i1​j=−i∑i​DKL​(okt​,okt+j​)
    通过跨I o U IoUIoUd得到候选框之后,计算类别分布之间KL散度平均值。当x D i v < η d i v xDiv < \eta_{div}xDiv<ηdiv​,代表多帧类别预测高度一致,生成硬伪标签。
  3. 置信度感知软筛选:对未通过前两步但置信度达标的预测,生成软伪标签。
    L s o f t t = D K L ( P s t d , c l s t , P s o f t t ) \mathcal{L}_{soft }^{t}=D_{KL}\left(P_{std,cls }^{t}, P_{soft }^{t}\right)Lsoftt​=DKL​(Pstd,clst​,Psoftt​)
    P s t d , c l s t P_{std,cls}^{t}Pstd,clst​:学生网络输出类别概率;P s o f t t P_{soft}^{t}Psoftt​教师输出软伪标签概率分布;使用 KL 散度做蒸馏,不使用强one‑hot监督。

损失函数

L = L c l s s u p + L b b o x s u p + L c l s u n s u p + L b b o x u n s u p + L s o f t u n s u p \mathcal{L}=\mathcal{L}_{cls }^{sup }+\mathcal{L}_{bbox }^{sup }+\mathcal{L}_{cls }^{unsup }+\mathcal{L}_{bbox }^{unsup }+\mathcal{L}_{soft }^{unsup }L=Lclssup​+Lbboxsup​+Lclsunsup​+Lbboxunsup​+Lsoftunsup​

学生网络的总损失融合标注集监督损失(类别+边界框)、未标注集硬标签损失(类别+边界框)和未标注集软标签蒸馏损失(KL散度),通过多损失协同训练,保证检测精度与泛化能力。

实验


在稀疏标注场景下,对比 SSVOD(Ours)与其他半监督 / 监督方法的性能,直观证明 SSVOD 的优越性

消融实验

不同视频目标检测器的消融实验。SSVOD方案在各种检测器上均比有监督基线有持续改进。

不同损失组件对伪标签影响的消融研究。三者协同效果显著


不同数量未标记关键帧影响的消融研究。性能随未标注帧数量增加而提升


在 SSVOD 框架下,额外引入大规模无标注静态图像数据,可在原有基础上进一步提升 1.9 个 mAP。


进阶组件消融实验,核心验证:升级光流估计器与基础检测器,可进一步提高 SSVOD 的性能。

结论

本文中提出了一种新颖的半监督学习框架(SSVOD),以克服现有有监督视频目标检测方法在稀疏标注方面的局限性。与在最先进的视频检测器上简单集成现有半监督图像技术不同,SSVOD利用帧组的时间特征空间,基于运动一致性来搜索稳健的伪标签。此外,SSVOD被证实具有检测器不变性,能够通过改进的有监督基线来提升性能。我们提出的用于边界框回归、硬标签分类和软标签蒸馏的三阶段伪标签选择,在很大程度上促进了最终的性能提升。通过有效利用视频中的未标记帧,SSVOD仅使用超过95%的稀疏标注就能达到密集监督性能的约98%,显著优于其他基线。

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