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Metric Learning 설명

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이 글에서는 Metric Learning을 간략하게 정리한다.


Metric Learning

한 문장으로 요약하면,

  • Object간에 어떤 거리 함수를 학습하는 task

이다.

예를 들어 아래 이미지들을 보자.

뭔가 “이미지 간 거리”를 생각해보면, 1번째 이미지와 2번째 이미지는 거리가 가까울 것 같다. 이와는 대조적으로, 3번째 이미지는 다른 두 개의 이미지보다 거리가 멀 것 같다.

이런 관계를 학습하는 방식이 Metric Learning이다.

위의 경우는 조금 fine-grained한 경우이고, 좀 더 coarse한 경우는,

1번과 2번 간 거리보다는 3번 간 거리가 훨씬 멀 것 같다.


Training Dataset

그러면, 이러한 관계를 어떻게 데이터셋으로 만들 수 있는가?

  • “1번 이미지가 3번 이미지보다는 2번 이미지와 더 가깝다.”

혹은

  • 연관도 순으로 1 » 2 » 3 » 4

와 같이 쓸 수도 있고, 어떤 식으로든 관계를 설정해서 데이터셋으로 쓸 수 있다.

그렇다면, 왜 이렇게 복잡해 보이는(?) 방식으로 데이터를 구성하고 학습을 시키는가?

당연히, 이러한 데이터셋은 hard하게 labeling하는 것보다 훨씬 쉽게 대량의 데이터를 구성할 수 있다.

그리고, 위와 같이 어쨌든 supervision이 있기 때문에(좀 약하긴 하지만) metric learning은 지도학습의 일종이다.


Problem Formulation

크게 3가지로 생각할 수 있다. 이 중 일반적으로 2번째가 많이 쓰인다.

  1. Point-wise Problem: 하나의 학습 샘플은 Query-Item 쌍이 있고 어떤 numerical/ordinal score와 연관된다.
    • 그냥 classification 문제와 비슷하다. 하나의 query-item 쌍이 주어지면, 모델은 그 score를 예측할 수 있어야 한다.
  2. Pair-wise Problem: 하나의 학습 샘플은 순서가 있는 2개의 item으로 구성된다.
    • 모델은 주어진 query에 대해 각 item에 점수(혹은 순위)를 예측한다. 순서는 보존된다.
    • 그 순위(순서)를 최대한 바르게 맞추는 것이 목표가 된다.
  3. List-wise Problem: 하나의 학습 샘플이 2개보다 많은 item의 순서가 있는 list로 구성된다.
    • 계산량이 많고 어려워서 많이 쓰이지는 않는다.
    • NDCG 등으로 평가한다.

NDCG(Normalized Discounted Cumulative Gain)

널리 쓰이는 ranking metric(순위 평가 척도)이다.

먼저 CG를 정의한다.

Cumulative Gain: result list에서 모든 result의 관련도 점수의 합. $rel_i$는 관계가 제일 높으면 1, 그 반대면 0이라 할 수 있다. 물론 0~1 범위가 아니라 실제 점수를 쓸 수도 있다.

[\text{CG}p = \sum^p{i=1}rel_i]

이제 DCG를 정의하자. Discounted CG는 상위에 있는 item을 더 중요하게 친다.

[\text{DCG}p = \sum^p{i=1} \frac{rel_i}{\log_2(i+1)} = rel_1 + \sum^p_{i=2} \frac{rel_i}{\log_2(i+1)}]

Alternative formulation of DCG를 생각할 수도 있다. 이는 관련도상 상위 item을 더 강조한다.

[\text{DCG}p = \sum^p{i=1} \frac{2^{rel_i}-1}{\log_2(i+1)}]

그런데 DCG는 개수가 많거나 관련도 점수가 높으면 한없이 커질 수 있다. 그래서 정규화가 필요하다.

이제 Normalized DCG를 정의하자. 그러러면 먼저 Ideal DCG를 생각해야 한다. IDCG는 위의 식으로 최상의 결과를 출력했을 때 얻을 수 있는 점수라 생각하면 된다.

[\text{DCG}p = \sum^{REL_p}{i=1} \frac{rel_i}{\log_2(i+1)}]

이제 NDCG는 다음과 같다.

[\text{NDCG}_p = \frac{DCG_p}{IDCG_p}]


Triplet Loss

3개의 point 간 거리를 갖고 loss를 구하는 방식이다.

  • 기준점을 Anchor,
  • anchor와 관련이 높은 point를 Positive,
  • 관련이 없거나 먼 point를 Negative

라 하면,

loss function은 유클리드 거리 함수로 생각할 수 있다.

[\mathcal{L}(A, P, N) = max(\Vert \text{f}(A) - \text{f}(P) \Vert^2 - \Vert \text{f}(A) - \text{f}(N) \Vert^2 + \alpha, 0)]

$N$개의 anchor point로 확장하면 다음과 같이 쓸 수 있다. (사실 같은 식이라 다름없다)

[\mathcal{L} = \sum^N_i [ max(\Vert \text{f}(x_i^a) - \text{f}(x_i^p) \Vert^2 - \Vert \text{f}(x_i^a) - \text{f}(x_i^n) \Vert^2 + \alpha, 0)]]

$\alpha$는 margin을 나타낸다.

Training(Dataset)

학습할 때 anchor과 positive, negative를 잘 설정해야 한다.

랜덤으로 point를 뽑으면 잘 되지 않는 경우가 많다.

여기서 사용할 수 있는 방법으로 Online Negative Mining이 있다.

이는 batch를 크게 잡아서, 현재 sample인 anchor-positive-negative에서 다른 sample의 anchor/positive/negative 중 anchor와 positive 관계인 것을 제외하고 가장 가까운 것부터 선택하여 negative를 대체하여 계산할 수 있다. 이러면 학습이 조금 더 되지만, batch size가 커야 되고, 계산량이 매우 많아지는 단점이 존재한다.

학습을 더 잘 하기 위해서 생각해야 할 방법은 semi-hard negative mining이다.

A와 P는 고정이라 할 때, 아래 3개의 Negative 중 어느 것을 선택해야 학습이 잘 될까라는 문제이다.

  • Hard Negative: $d(a, n_1) < d(a, p)$
    • 언뜻 보면 학습이 잘 될 것 같지만, loss를 줄이는 방법은 그냥 모든 $x$에 대해 $f(x)=0$으로 만들어 버리는 것이라(collapsing) 학습이 잘 안 된다.
  • Semi-hard Negative: $d(a, p) < d(a, n_2) < d(a, p) + \alpha$
    • 이 경우에는 위의 collapsing problem이 발생하지 않으면서 N을 P 밖으로 밀어내면서 학습이 제일 잘 된다.
  • Easy Negative: $d(a, p) + \alpha < d(a, n_3)$
    • N3는 이미 $d(a, p) + \alpha$보다 멀리 있기 때문에 negative로 잡아도 학습할 수 있는 것이 없다.

따라서 semi-hard negative로 sample을 잡아 학습하는 것이 제일 좋다고 한다.


FaceNet: A Unified Embedding for Face Recognition and Clustering

논문 링크: FaceNet: A Unified Embedding for Face Recognition and Clustering

Metric Learning을 사용해서 여러 사진이 있을 때 같은 사람의 사진끼리 모으는 task를 수행했다.

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Attention based Video Models

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이 글에서는 Attention 기반 Video (Classification) Model을 간략히 소개한다.


Multi-LSTM

논문 링크: Every Moment Counts: Dense Detailed Labeling of Actions in Complex Videos

LRCN과 비슷하다.

다른 점은,

  • Multiple Input: LSTM에 입력이 1개의 frame이 아니라 N개의 최근 frame에 대해 attention을 적용한다.
    • Query: LSTM의 이전 hidden state $h_{i-1}$
    • Key=value: $N$개의 input frame features
    • Attention value: $N$개의 frame freature의 가중합
  • Multiple Output: 각 LSTM cell은 $N$개의 최근 frame에 대한 예측결과를 출력한다.

Action Recognition using Visual Attention

논문 링크: Action Recognition using Visual Attention

  • LSTM의 이전 hidden state(=query)와 입력 이미지의 region feature(7 x 7 x 1024)를 49개의 candidate로 보고 spatial attention을 수행한다. 이를 통해 attention value(1024차원)를 얻는다.
    • Query: LSTM의 직전 hidden state
    • Key=Value: 입력 이미지 $X_t$의 $K \times K$의 region feature
    • Attention Value: region feature의 가중합. Weight: $h_{t-1}$

이 모델의 장점은 Interpretability가 좋다(spatial attention에 의함). 정답을 맞췄을 때 어떤 부분을 보고 맞추었는지, 혹은 반대로 틀렸을때 어디를 보고 틀렸는지를 볼 수 있다(spatial attention의 의미를 생각해보면 알 수 있다).

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RNN based Video Models

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이 글에서는 RNN 기반 Video Classification Model을 간략히 소개한다.

RNN 기반 모델은 single embedding으로 전체 seq를 인코딩하므로 정보의 손실이 입력이 길어질수록 커진다. 또 처음에 들어온 입력에 대한 정보는 점점 잊혀지는 단점이 있다.

이는 Attention Is All You Need 이후 발표되는 Attention 기반 모델에서 개선된다.


LRCN: Long-term Recurrent Convolutional Network

논문 링크: Long-term Recurrent Convolutional Networks for Visual Recognition and Description

비디오의 일부 frame을 뽑아 CNN을 통과시킨 뒤 LSTM에 넣고 그 결과를 평균하여 최종 출력을 얻는 상당히 straight-forward 한 방법론을 제시한다.

모든 input frame마다 LSTM cell이 activity class를 예측한다.


Beyond Short Snippets

논문 링크: Beyond Short Snippets: Deep Networks for Video Classification

이전에는 짧은 video snippet(16 frame 등)만을 사용했는데 이 논문에서 (거의?) 처음으로 긴 영상(300 frame)을 다룰 수 있게 되었다.

Pooling 방법을 여러 개 시도하였는데,

  • Conv Pooling: 사실상 max와 갈다.
  • Late Pooling: max 전에 FC layer를 추가했다.
  • Slow Pooling: FC를 사이에 추가하면서 max를 계층적으로 취한다.
  • Local Pooling: max를 지역적으로만 사용하고 softmax 전에 이어 붙인다.
  • Time-domain conv Pooling: 1x1를 max pooling 전에 사용한다.

근데 결과는 Conv Pooling(max pool)이 가장 좋았다고 한다..

LSTM 갖고도 실험을 해보았는데, Multi-layer LSTM을 사용하였다.

frame-level prediction을 aggregate하기 위해 여러 방식을 사용하였다.

  • Max, average, weighted, …

물론 결과는 비슷하다고 한다.


FC-LSTM

논문 링크: Generating Sequences With Recurrent Neural Networks

LSTM cell에서, 각 gate 계산 시 short term에 더해 long term 부분을 집어넣어 계산하였다.


Conv-LSTM

논문 링크: Convolutional LSTM Network: A Machine Learning Approach for Precipitation Nowcasting

데이터의 Spatio-Temporal dynamics를 학습하기 위해 FC-LSTM을 확장한 모델이다.

변경점은,

  1. Input $x$와 hidden $(h, c)$가 vector에서 matrix(Tensor)로 확장되었다.
  2. Weights $(W, U)$를 $(x, h)$와 연산할 때 FC 대신 Conv 연산으로 바꾼다.

이로써 장점이 생기는데,

  • Multi-layer LSTM과 비슷하게 ConvLSTM layer를 여러 층 쌓을 수 있다.
  • seq2seq 구조에 적용하면 decoder는 이후 출력을 예측할 수 있다.

Conv-GRU

논문 링크: Delving Deeper into Convolutional Networks for Learning Video Representations

GRU에다가 같은 아이디어를 적용한 논문이다.


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BST(Behavior Sequence Transformer for E-commerce Recommendation in Alibaba) 설명

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이번 글에서는 Alibaba에서 발표한 추천시스템 알고리즘인 BST에 대해 다뤄보도록 하겠습니다. 논문 원본은 이 곳에서 확인할 수 있습니다. 본 글에서는 핵심적인 부분에 대해서만 살펴보겠습니다.


Behavior Sequence Transformer for E-commerce Recommendation in Alibaba 설명

1. Background

Alibaba는 Taobao라고 하는 거대한 쇼핑몰을 갖고 있는데, 본 논문은 이 Taobao에서 발생한 로그의 일부를 효과적으로 활용하여 고객들에게 더 나은 구매경험을 제공하기 위한 방법에 대해 설명하고 있습니다.

예를 들어 어떤 고객이 순서를 갖고 여러 아이템을 클릭했다고 하면 분명 노이즈는 존재하긴 하겠습니다만 이러한 고객의 행동 시퀀스에는 구매행동에 관한 시그널이 존재할 가능성이 높습니다.

Wide & Deep이나 Deep Interest Network에서도 이러한 문제를 풀기 위해 방법을 제시하였지만 여러 한계점이 존재합니다.

본 논문에서는 BST라고 하는 알고리즘을 제시하고 있고, 이 방법론은 기존의 한계를 극복하기 위해 고객의 행동 시퀀스 속에 있는 시그널을 효과적으로 포착/통합하기 위해 설계되었습니다.


2. Architecture

Bert4Rec이나 Transformers4Rec에 비해 복잡한 편은 아니지만, 구조를 잘 들여다보면 생각해볼 부분이 꽤 있습니다. 고객의 행동 시퀀스를 $S(u) = { v_1, v_2, …, v_n }$ 이라고 표기해보겠습니다. 이 때 고객 $u$ 는 총 $n$ 개의 아이템에 대해 클릭을 행했다고 가정하는 것입니다.

고객의 특성, 고객이 만든 feedback(click) sequence, 타겟 아이템의 특성 등을 모델링에서 활용할 수 있을 것입니다. 이러한 특성을 활용하는 데에는 여러가지 방법을 취할 수 있습니다. 이제 상세히 설명하겠지만 BST에서는 각 아이템 사이에서 일어나는 상호작용을 Transformer Layer를 통해 포착하고, 이 결과물을 user feature과 함께 연결하여 최종적으로 downstream task를 푸는 방식으로 추천/예측 알고리즘을 전개해나가고 있습니다.

2.1. Embedding Layer

Embedding Layer는 2개로 구분되어 있습니다.

1번째: other features의 embedding layer
2번째: sequence item features의 embedding layer

이 때 sequence item featuers는 고객이 반응한 아이템의 시퀀스를 의미하고, 논문에서는 오직 아이템의 ID와 카테고리만을 사용하고 있습니다. 만약 본인이 해결해야 할 문제에서 아이템의 정보가 부족하고 오직 ID 정도만을 사용할 수 있더라도 이와 같이 접근할 수 있다고 생각하면 될 것 같습니다.

other features로는 user profile features, target item features, context features 등이 있고 쉽게 말해서 위 sequence item features를 제외한 모든 것이라고 보면 됩니다.

항목 표기 Shape
sequence item feature embedding matrix $\mathbf{W}_v$ $(\vert V \vert, d_v)$
other feature embedding matrix $\mathbf{W}_o$ $(\vert D \vert, d_o)$

이 때 $\vert V \vert$ 는 아이템의 수를, $d_o, d_v$는 각각 세팅한 임베딩 dimension을 의미합니다.
$\vert D \vert$ 는 other features의 feature 수 입니다. 그런데 논문에 나온 것처럼 임베딩을 하기 위해서는 사실 모든 other features는 categorical variable이어야 합니다. 따라서 원-핫 인코딩 및 구간화를 통해 모든 변수를 categorical하게 변환하는 과정을 거치거나 아니면 이 대신 간단하게 projection layer를 사용할 수도 있을 것입니다. task의 성격이나 성능 등을 고려하여 설계를 해야될 것으로 보입니다.

sequence item features는 positional embedding 과정을 거치게 됩니다. BST에서는 vanilla transformer에 등장하였던 sin, cos 함수가 아닌 아래와 같은 식으로 시간 순서를 반영합니다.

[pos(v_i) = t(v_t) - t(v_i)]

논문에서는 위와 같이 추천 시간에서 해당 아이템이 클릭된 시간을 뺀 것으로 정의되는데, 이는 Alibaba의 연구 상에서는 이 방법이 더 뛰어났기 때문이라고 합니다. 이 부분은 본인의 task에 맞게 선택적으로 수용하면 될 것 같습니다.

2.2. Transformer Layer

Transformer Layer는 고객의 행동 시퀀스를 통해 여러 아이템 사이의 관계를 포착하는 역할을 수행합니다.

1번째: self-attention layer
2번째: point-wise feed-forward network

먼저 self-attention layerAttention is all you need를 비롯하여 수 많은 논문에서 등장하는 그 형태 그대로입니다.

[Attention(\mathbf{Q, K, V}) = softmax(\frac{\mathbf{QK}^T}{\sqrt{d}}\mathbf{V})]

이 연산은 아이템 임베딩을 input으로 취하고 이를 linear projection을 통해 3개의 행렬로 변환한 뒤 attention layer로 투입하는 역할을 수행합니다.

[\mathbf{S} = MH(\mathbf{E}) = concat(head_1, head_2, …, head_h) \mathbf{W}^H]

[head_i = Attention(\mathbf{EW}^Q, \mathbf{EW}^K, \mathbf{EW}^V)]

이 때 $\mathbf{W}$ 들은 모두 $(d, d)$ 의 shape을 취하고 있습니다.

point-wise feed-forward network는 이후에 비선형성을 강화하는 역할을 수행합니다.

[\grave{\mathbf{S}} = LayerNorm(\mathbf{S} + Dropout(MH(\mathbf{S})))]

[\mathbf{F} = LayerNorm(\grave{\mathbf{S}} + Dropout(LeakyReLU(\grave{\mathbf{S}} \mathbf{W^{1} + b^{1}})\mathbf{W}^{2} + b^2 ))]

여기까지가 이후에 나올 MLP layer 이전의 형태입니다.

2.3. MLP layers and Loss Function

이후 과정은 간단합니다. other features의 결과물과 transformer layer의 결과물을 모두 concat한 뒤 몇 개의 fully connected layer를 거치면 최종 output을 반환하게 됩니다. 손실 함수로는 cross-entropy를 사용하였다고 밝히고 있습니다.

여기까지가 BST의 구조인데, 본인의 task에 맞게 세부 구성을 수정할 수 있습니다. 예를 들어 MLP layer의 input을 결정할 때 논문에서처럼 모두 concat하는 방식을 취할 수도 있지만, SRGNN에서처럼 soft attention을 이용하여 session embedding vector를 만들 수도 있을 것입니다.

[\alpha_i = \mathbf{q}^T \sigma ( \mathbf{W}_s \mathbf{v}_i + \mathbf{c} )]

[\mathbf{s}g = \Sigma{i=1}^n \alpha_i \mathbf{v}_i]

결국은 아이템 간의 상호작용을 어떻게 포착할 것인가, 그리고 그 과정이 끝난 아이템 벡터들을 어떻게 통합할 것인가는 연구자/분석가가 편의에 맞게 설정할 수 있는 것입니다.


3. Experiments and Conclusions

논문에서의 실험은 Taobao 앱 데이터를 통해 이루어 졌습니다. 7일치를 학습데이터로 사용하고 마지막 1일을 테스트 데이터로 사용하였다고 합니다. AUC, CTR, Response Time 등을 측정하였고 Adagrad를 통해 gradient descent를 수행하였습니다.

BST가 비교 대상인 WDL, DIN을 outperform하였는데, 이는 Transformer Layer를 통해 고객의 행동 시퀀스에 내재되어 있는 sequential signal을 더욱 잘 포착했기 때문이라고 논문은 서술하고 있습니다.

BST의 경우 transformer를 이용한 다른 알고리즘과 마찬가지로 시퀀스에 유의미한 정보가 포함되어 있을 경우 그 효과를 발휘할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 user feature와 같은 보조적인 정보도 충분히 활용할 수 있다는 장점을 갖습니다.

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Action Recognition Models(Two-stream, TSN, C3D, R3D, T3D, I3D, S3D, SlowFast, X3D)

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이 글에서는 Video Action Recognition Models(Two-stream, TSN, C3D, R3D, T3D, I3D, S3D, SlowFast, X3D)을 정리한다.

  • Two-stream 계열: 공간 정보(spatial info)와 시간 정보(temporal info)를 별도의 stream으로 학습해서 합치는 모델.
  • 3D CNN 계열: CNN은 3D로 확장하여 (iamge $\rightarrow$ video) 사용한 모델. Facebook이 주도해 왔다.

Two-stream Approach

논문 링크: Two-Stream Convolutional Networks for Action Recognition in Videos

말 그대로 spatial info와 temporal info를 별개의 stream에서 각각 학습한 뒤 마지막에 fusion하는 모델이다. Action Recognition 연구 초기에는 이런 식으로 접근했었다.

여기서 Optical Flow라는 개념이 나온다.

다음 프레임으로 넘어갈 때 각 픽셀이 어디로 이동했는지를 벡터로 나타낸 것이라고 간단히 생각하면 된다. 이를 모델 입력에 사용되는 프레임마다 구하여 temporal stream convNet에 태운다. 논문에서는 수평 방향($u$)과 수직 방향($v$)로 나누어 계산한다.

추가 설명: optical flow를 계산할 때 기본 가정이 있는데, (어떻게 보면 당연한 것들이다) 다음 프레임으로 갈 때

  • Brightness Consistency: 각 object의 같은 지점은 밝기가 거의 같게 유지된다.
  • Temporal Persistence: 각 object는 먼 거리를 이동하지 않는다.
  • Spatical Coherence: 인접한 점들은 거의 같은 방향으로 이동한다.

모델 설명:

Spatial stream은 이미지 한 장을 사용하므로 2D convNet을 사용한다. AlexNet과 거의 유사하다.

Temporal stream은 image sequence를 입력으로 받는다. 그래서 어디선가 이 정보들을 합치는 과정이 필요한데,

  • Optical flow stacking: $L$ frame에 대해 각 방향 $u, v$가 있으므로 $2L$개의 channel이 있다.
  • Trajectory stacking: optical flow vector를 그냥 쌓는 대신 flow를 따라가면서 sampling한다. 채널 수는 같게 유지된다.

단순한 방법임을 알 수 있다. 따라서 단점이 있다.

  • Missing Long range temporal info: 다음 frame의 flow만 계산하므로 장거리 의존성에 대한 학습이 이루어지지 않는다.
  • False label assignment: 어떤 frame을 선택하느냐에 따라 다른 label을 할당할 수 있다.
  • Optical flow를 매번 계산하므로 비싸고 오래 걸린다.
  • 2개의 stream을 따로 학습하므로 end-to-end 학습이 될 수 없다. (추후 논문에서 개선됨)

이후 개선점

  • 논문 링크: Convolutional Two-Stream Network Fusion for Video Action Recognition

  • 마지막(scoring step)에 2 stream을 합치는 대신 중간에서 합치는 방식을 사용한다.

    • 중간에 합치면 성능을 해치지 않으면서도 계산량을 줄일 수 있다.
    • conv layer 중에서는 마지막 conv layer에서 합치는 것이 첫 부분에서 합치는 것보다 낫다.

TSN(Temporal Segment Networks)

논문 링크: Temporal Segment Networks: Towards Good Practices for Deep Action Recognition

  • 더 나은 long-range temporal modeling을 위해 $K$개의 부분으로 나누어서 2-stream model을 각각 돌려준다.
  • optical flow에 더해 2개의 temporal stream을 추가하는데,
    • Warped optical flow: 카메라 움직임을 보정하기 위해 actor에 집중하여 계산함.
    • RGB difference: 픽셀의 rgb 변화를 측정하는데 큰 도움은 안 됐다고 한다.
  • overfitting을 줄이기 위해 batch-norm, pre-training, drop-out 등을 사용하였더니 성능이 더 좋아졌다.

위의 그림을 보면 비디오를 여러 clip으로 나눈 뒤 각각 two-stream model을 돌려서 공간 정보/시간 정보끼리 합친 것을 볼 수 있다.


Hidden Two-stream(Hidden Two-Stream Convolutional Networks for Action Recognition)

논문 링크: Hidden Two-Stream Convolutional Networks for Action Recognition

  • 미리 계산한 optical flow를 사용하는 대신 그때그때 계산한다.
    • spatial stream에는 변화가 없다.
    • MotionNet이 temporal stream 앞에 추가되어 optical flow를 추정한다.
  • MotionNet
    • 연속된 이미지 $I_1, I_2$가 주어지면 그 차이 $V$를 계산한다.
    • Reconstruction Loss: $I_2 - V \simeq I_1$
    • 이 차이 $V$가 Temporal Stream CNN에 입력으로 주어진다.

C3D: Learning Spatiotemporal Features with 3D Convolutional Networks

논문 링크: Learning Spatiotemporal Features with 3D Convolutional Networks

어쩐지 AlexNet이 생각나는 모델 구조를 갖고 있는데, 2D CNN을 시간 축으로 한 차원 더 확장하여 3D CNN을 적용한 것이라고 보면 된다.

꽤 좋은 성능을 가지며 구조로 상당히 간단한 편이다.

단점은,

  • 여전히 장거리 의존성을 잘 모델링하지 못하며,
  • 계산량이 2D일 때보다 크게 늘어나서 상당히 많으며
  • 아직 hand-crafted feature가 필요하다.

R3D: Learning Spatio-Temporal Features with 3D Residual Networks for Action Recognition

논문 링크(약간 불확실): Learning Spatio-Temporal Features with 3D Residual Networks for Action Recognition

ResNet을 3D로 확장한 모델이다.

차이가 있다면

  • 3D는 계산량이 더 많기 때문에 152가 아닌 34개의 block을 사용하였고
  • 3x3 conv가 아닌 3x3x3 conv 사용(3D니까 당연하다)

정도의 차이가 있다.

입력 차원은 $(L \times 112 \times 112 \times 3)$이며 stride는 conv1에서 1x2x2(시간 차원 1, 공간 차원 2x2), conv2부터는 2x2x2(시간 차원도 2배로 줄어듦)이다. 한 층을 지나갈 때마다 크기는 2배로 줄고 채널은 2배로 늘어난다.


R(2+1)D: ConvNet Architecture Search for Spatiotemporal Feature Learning

논문 링크: ConvNet Architecture Search for Spatiotemporal Feature Learning

R3D와 비슷하지만 시간에 대한 kernel과 공간에 대한 kernel을 분리해서 학습한다. 어떻게 보면 two-stream model과 비슷한 논리이다. 단 optical flow 같은 것을 쓰는 대신 conv 연산으로 수행한다는 점이 다르다.

같은 크기의 모델을 쓸 때 성능 상으로 이점이 있다고 한다.


T3D: Temporal 3D ConvNets: New Architecture and Transfer Learning for Video Classification

논문 링크: Temporal 3D ConvNets: New Architecture and Transfer Learning for Video Classification

DenseNet: Densely Connected Convolutional Networks 기반으로 만든 single stream 모델이다.

다양한 길이의 temporal feature를 얻기 위해 dense block 뒤에 Temporal Transition Layer를 추가하여 temporal pooling을 수행한다. GoogLeNet에서 Inception module과 비슷한 아이디어이다.

사전학습된 2D ConvNet을 일종의 teacher로서 사용하는데, 2D ConvNet에서 transfer learning하는 것과도 비슷하다고 할 수도 있다. 2D 부분은 고정시켜 두고, 3D stream만 update하는데, 2D net의 mid-level feature를 갖고 지도학습을 시키는 방식이다.


아래부터는 two-stream과 3D conv(C3D)의 아이디어를 합친 논문이다.

I3D: Two-Stream Inflated 3D ConvNet

논문 링크: Quo Vadis, Action Recognition? A New Model and the Kinetics Dataset

  • Two-stream 방법에서, spatial stream을 3차원으로 확장하였다.
  • Temporal stream은 여전히 미리 계산된 optical flow를 입력으로 하되 이제 early fusion 대신 3D conv 방식을 사용한다.

Architecture는 GoogLeNet(Inception-V1)에 기초하지만 바뀐 점은 2D가 아닌 3D로 확장한 버전이다.

Optical flow를 여전히 써야 하는가? 하는 의문을 던지는데,

  • 3D ConvNet은 여전히 순수 feed-forward 계산을 사용하는데, optical flow는 어떤 recurrent한 계산을 수행한다(flow field에서 반복적 최적화를 수행한다).

그러나 사실 이 논문 이후로는 optical flow가 사실상 사용되지 않는다.


S3D: Seperable 3D CNN

논문 링크: Rethinking Spatiotemporal Feature Learning: Speed-Accuracy Trade-offs in Video Classification

R3D를 R(2+1)D로 바꾼 것과 비슷한데 I3D의 Inception block의 3D를 2D+1D로 바꾼 것이다.


SlowFast

논문 링크: SlowFast Networks for Video Recognition

  • 낮은 rate로 frame을 조금 뽑아서 사용하는 Slow pathway(spatial info에 집중)
  • 높은 rate로 frame을 많이 뽑아서 사용하는 Fast pathway(temporal dynamics에 집중됨)

2개의 pathway를 사용하는 어떻게 보면 R3D와 비슷한 구조를 사용한다.

전체 구조를 표로 나타내면 다음과 같다.

Slow pathway에서는,

  • stide가 16이라 다음 프레임으로 넘어가면 정보가 많이 바뀐다.
  • 시간 차원이 1인데, 이는 이미지를 한 장으로 처리한다는 뜻이므로 시간 정보가 포함되지 않는다. res4, res5에 와서야 한 번씩 차원이 3이 되므로, 전체적으로 spatial info에 집중한다는 것을 알 수 있다.
  • 더 많은 channel을 사용한다.

Fast pathway에서는,

  • Slow보다 8배 더 많이 뽑는다(stride 2).
  • 시간 차원이 늘어서 정보를 더 많이 쓰고, orange색 숫자를 보면 채널이 그만큼 줄어들었다는 것을 의미한다.

연결 부분에서는,

  • pathway 간 연결을 중간에 추가하는데, fast 쪽에서 slow 쪽으로만 연결을 추가해도 성능이 괜찮아졌다고 한다.
  • 단, 정보를 갖다 쓰려면 conv output의 크기가 같아야 한다. 위의 표에서, 공간 정보의 차원은 slow에서나 fast에서나 갈은 것을 볼 수 있다.

X3D: Expand 3D CNN

논문 링크: X3D: Expanding Architectures for Efficient Video Recognition

X: expand이다. 간단한 stepwise network expansion을 각 step의 한 축마다 확장을 시켜본다.

전체 구조는 아래와 같은데, 아래의 각 색깔로 표시된 부분을 조금씩 늘려 보면서 가장 좋은 결과를 찾아내는 방법이라 생각하면 된다.

  • X-Fast($\gamma_\tau$): 입력의 frame rate.
  • X-Temporal($\gamma_t$): 입력의 frame 개수.
  • X-Spatial($\gamma_s$): sampling resolution.
  • X-Depth($\gamma_d$): residual stage 당 layer의 수.
  • X-Width($\gamma_w$): 모든 layer의 채널의 수.
  • X-Bottleneck($\gamma_b$): 중간 conv filter의 inner channel width.

실험을 매우 많이 해본 논문이라 보면 된다. 특별히 반짝이는 아이디어는 없다.


참고할 만한 자료

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