CVPR 2021 | 又好又快的视频异常检测，引入元学习的动态原型学习组件

Learning Normal Dynamics in Videos with Meta Prototype Network

作者：Hui lv, Chen Chen, Zhen Cui, Chunyan Xu, Yong Li, Jian Yang

单位：南京理工大学；北卡夏洛特分校

论文：https://arxiv.org/abs/2104.06689

代码：https://github.com/ktr-hubrt/MPN

摘要:

该工作提出了一个场景模式自适应的动态原型（prototype）学习框架，实时的学习视频中的正常模式，来辅助视频帧的预测，然后通过视频帧的预测误差和原型与输入特征的距离来检测异常。算法在多个无监督异常检测的数据集上均达到了SOTA  performance。

1. 简介

近来，基于自编码器的视频帧重建（或未来帧预测）方法成为视频异常检测的一个潮流算法。这些仅仅使用包含正常模式的数据训练的模型，在遇到没有见过的异常模式的数据时，往往会产生比较大的重构误差。

但是由于深度神经网络极强的泛化能力，深度模型对一些异常的视频帧也会重建（或预测）的较好，这就导致“过度泛化”问题。

在这份工作中，我们设计了一个动态原型学习的组件，来动态实时地建模和压缩视频中的正常模式为原型（prototype），以促进模型对正常视频帧的重建（或预测）和抑制对异常视频帧的重建（或预测）。

并且，我们引入元学习理论，赋予动态原型学习组件场景模式自适应的能力，不需要设计对应规则和阈值来更新原型，具有快速高效的自适应能力。

2. 方法

Dynamic Prototype Unit（DPU）:

我们设计的DPU输入编码器（E）得到的编码特征，输出动态原型加强后的特征。通过结合自监督注意力机制，DPU首先得到多个对应输入编码特征每个元素位置的注意力图，然后分别得到对应的多个原型特征向量。通过对原型向量的查询和提取，就可以得到加强后的特征图。

Meta Prototype Unit（MPU）:

结合元学习理论，我们把DPU组件进化为元学习原型组件。利用训练集的不同场景，我们学习一组最优的初始化参数集合和对应的更新步长，在测试时，更新对应的参数，我们就可以得到场景模式自适应的异常检测器。

3.  试验结果

DPU在无监督的异常检测数据集上进行了试验，均得到最优或次优的结果。

MPU在元学习few-shot场景下，也取得了不错的结果。

我们展示了原型学习过程中产生的自注意力图（第一列是未来帧，第二列是检测得到的异常图，第三列是多组自注意力图之和，后面三列均是单个注意力图）：

我们还展示了算法模型在一些测试视频上的预测结果：

我们还分析了多个SOTA模型的运行效率：

数据均在4核CPU（E5-2650），单块GPURTX-2080Ti机器上实验得出。