时间序列的建模新思路：清华李飞飞团队等提出强记忆力 E3D-LSTM 网络

Posted 2021-05-02 AI有道

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作者 | Yunbo Wang,、Lu Jiang、 Ming-Hsuan Yang、Li-Jia Li、Mingsheng Long、Li Fei-Fei

译者 | 凯隐

编辑 | Jane

出品 | AI科技大本营（ID：rgznai100）

 

【导读】如何对时间序列进行时空建模及特征抽取，是RGB视频预测分类，动作识别，姿态估计等相关领域的研究热点。清华大学、Google AI 和斯坦福大学李飞飞团队提出了一种具有强记忆力的E3D-LSTM网络，用3D卷积代替2D卷积作为LSTM网络的基础计算操作，并加入自注意力机制，使网络能同时兼顾长时和短时信息依赖以及局部时空特征抽取。这为视频预测、动作分类等相关问题提供了新思路，是一项非常具有启发性的工作。

 

 

论文地址：

https://openreview.net/pdf?id=B1lKS2AqtX

 

时间序列的时空建模问题

 

现实生活中许多数据都同时具有时间特征和空间特征 ，例如人体的运动轨迹，连续帧的视频等，每个时间点都对应一组数据，而数据往往又具有一定的空间特征。因此要在这样的时间序列数据上开展分类，预测等工作，就必须在时间（temporal）和空间(spatial)上对其进行建模和特征抽取。

 

常用的时间建模工具 是循环神经网络（RNN）相关模型（LSTM等），由于其特有的门结构设计，对时间序列特征具有强大的抽取能力，因此被广泛应用于预测问题并取得了良好的成果，但是RNN并不能很好的学习到原始特征的高阶表示，这不利于对空间信息的提取。空间建模则当属卷积神经网络（CNN），其具有强大的空间特征抽取能力，其中3D-CNN又能将卷积核可控范围扩大到时域上，相对于2D卷积灵活性更高，能学习到更多的运动信息（motion信息），相对于RNN则更有利于学习到信息的高级表示（层数越深，信息越高级），是目前动作识别领域的流行方法。当然3D卷积的时间特征抽取能力并不能和RNN媲美。

 

得益于3D卷积和RNN在各自领域的成功，如何进一步将二者结合起来使用也成为了研究热点，常见的简单方法是将二者串联堆叠或者并联结合（在图卷积网络出现之前，动作识别领域的最优方法就是将CNN和RNN并联），但测试发现这么做并不能带来太大的提升，这是因为二者的工作机制差距太大，简单的结合并不能很好的实现优势互补。本文提出用3D卷积代替原始LSTM中的门更新操作，使LSTM不仅能在时间层面，也能在空间层面上进行短期依赖的表象特征和运动特征的抽取，从而在更深的机制层面实现两种网络的结合。此外，在LSTM中引入自注意力（self-attention）机制，进一步强化了LSTM的长时记忆能力，使其对长距离信息作用具有更好的感知力。作者将这种网络称为Eidetic 3D LSTM（E3D-LSTM），Eidetic意思是具有逼真记忆，强调网络的强记忆能力。

 

E3D-LSTM网络结构

图1：三种不同的3D卷积和LSTM的结合方法

 

图中每个颜色的模块都代表了多层相应的网络。图（a）和图（b）是两种3D卷积和LSTM结合的基线方法，3D卷积和LSTM线性叠加，主要起到了编码（解码器）的作用，并没有和RNN有机制上的结合。图（a）中3D卷积作为编码器，输入是一段视频帧，图（b）中作为解码器，得到每个单元的最终输出。这两个方法中的绿色模块使用的是时空长短时记忆网络（ST-LSTM）[1]，这种LSTM独立的维护两个记忆状态M和C，但由于记忆状态C的遗忘门过于响应具有短期依赖的特征，因此容易忽略长时依赖信息，因此E3D-LSTM在ST-LSTM的基础添加了自注意力机制和3D卷积操作，在一定程度上解决了这个问题。具体单元结构下一节介绍。

 

图（c）是E3D-LSTM网络的结构，3D卷积作为编码-解码器（蓝色模块），同时和LSTM结合（橙色模块）。E3D-LSTM既可用于分类任务，也可用于预测任务。分类时将所有LSTM单元的输出结合，预测时则利用3D卷积解码器的输出作为预测值。

 

E3D-LSTM单元结构设计

 

图2：标准LSTM单元结构

 

首先简要介绍一下标准LSTM结构，和RNN相比LSTM增加了更复杂的门结构（图中黄色模块），主要解决RNN中存在的梯度消失问题，从而提高网络对长时依赖（long-term dependency）的记忆感知能力。LSTM有两个输入门 ，一个输出门 和遗忘门 。

 

图2：ST-LSTM网络结构和单元结构

 

和标准LSTM相比，ST-LSTM还增加了不同层间对应位置的cell连接，如图2左侧，水平灰色连接线表示标准LSTM的单元连接，竖直黄色连接线表示层间同一时刻的单元连接，通过张量M传播，注意当l=1时， （作者认为t时刻的顶层信息对t+1时刻的底层信息影响很大），这样记忆信息就能同时在层内和层间传播。

 

 

 

 

 

图3 E3D-LSTM单元结构

 

图3 是本文提出的E3D-LSTM模型的单元结构， 是一个维度为 的五维张量，代表之前 个时间步的所有隐状态。 表示召回门（代替遗忘门），和ST-LSTM相比，主要有以下改进：

 

1、输入数据是 的四维张量，对应时刻 的连续帧序列，因此现在每个单元时间步都对应一段视频，而不是单帧视频。 

2、针对帧序列数据额外添加了一个召回门（recall gate）以及相关结构，用于实现长时依赖学习，也就是自注意力机制。这部分对应网络名称中的Eidetic。

 

3、由于输入数据变成了四维张量，因此在更新公式中采用3D卷积操作而不是2D卷积。

 

大部分门结构的更新公式和ST-LSTM相同，额外添加了召回门更新公式：

 

 

上面介绍的机制用于同一层不同时间步连接，作者将这种机制也用在了不同层同一时间步的连接，但效果并不好，这是因为不同层在同一时刻学习到的信息并没有太好的依赖性。

 

基于E3D-LSTM的半监督辅助学习

 

在许多监督学习任务，例如视频动作识别中，没有足够的监督信息和标注信息来帮助训练一个令人满意的RNN，因此可以将视频预测作为一个辅助的表征学习方法，来帮助网络更好的理解视频特征，并提高时间域上的监督性。

 

具体的，让视频预测和动作识别任务共享相同的主干网络（图1），只不过损失函数不同，在视频预测任务中，目标函数为：

 

 

带上标的X表示预测值，不带上标的表示真值，F表示Frobenius归一化。

在动作识别任务中，目标函数为：

 

 

其中Y和 是预测值和帧值，这样通过将预测任务的损失函数嵌入到识别任务中，以及主干网络的共享，能在一定程度上帮助识别任务学习到更多的时序信息。为了保证过渡平滑，额外添加了一个权重因子 ， 会随着迭代次数的增加而线性衰减：

 

 

作者将这种方法称为半监督辅助学习。

 

实验结果

 

视频预测任务，在Moving MINIST数据集上的结果：

 

 

为了验证E3D-LSTM中不同模块对性能的影响，作者还在该数据集上进行了烧蚀研究：

可以看到不管是添加3D卷积还是自注意力机制，网络性能相对于基线方法都有提升。

 

视频预测任务，在KTH人体动作数据集上的结果：

 

 

接下来在一个实际视频预测任务：交通流预测中，与其他方法进行了对比：

 

 

动作识别任务，在Something-Something数据集上进行了测试：

 

 

同样在该数据集上进行了烧蚀研究：

 

 

以及不同的半监督辅助学习策略带来的性能提升：

 

 

总结

 

本文对ST-LSTM进行了改进，将流行的3D卷积操作作为其基本张量操作，同时添加了自注意力模块，进一步强化了网络对长距离依赖信息的刻画能力，不仅能用于预测任务，还能通过辅助学习的方法拓展到其他任务上，是非常具有启发性的工作。

 

[1] Yunbo Wang, Mingsheng Long, Jianmin Wang, Zhifeng Gao, and S Yu Philip. Predrnn: Recurrent neural networks for predictive learning using spatiotemporal lstms. In NIPS, 2017.

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