CVPR2021最佳学生论文提名：Less is More
极市导读
本文介绍的是今年CVPR的最佳学生论文提名的工作：ClipBert。这篇论文解决了以前工作中对于视频-语言任务训练消耗大、性能不高、多模态特征提取时没有交互等问题。 >>加入极市CV技术交流群，走在计算机视觉的最前沿
【写在前面】
本文介绍的是今年CVPR的最佳学生论文提名的工作：ClipBert。这篇论文解决了以前工作中对于视频-语言任务训练消耗大、性能不高、多模态特征提取时没有交互等问题。另外，这是一篇用Image-Text 预训练的模型去解决Video-Text的任务。以前的Video-Text任务大多是对视频进行Dense采样，而本文通过预训练的Image-Text模型，对视频进行稀疏采样，只需要很少的帧数，就能超过密集采样的效果，进而提出了本文标题中的 “Less is More”。
1. 论文和代码地址
Less is More: CLIPBERT for Video-and-Language Learning via Sparse Sampling
论文地址：https://arxiv.org/abs/2102.06183
代码地址：https://github.com/jayleicn/ClipBERT
2. Motivation
在这篇文章之前，大多数解决Video-Language任务的工作的框架图都是如上图所示的这样，对视频和语言分别提取特征，然后通过多模态信息的融合结构，将两个模态的信息embedding到一个共同的空间。
这样的结构具有两个方面的问题：
1） Disconnection in tasks/domains：缺少了任务之间的联系，比如在动作识别任务中提取的特征，并不一定使用于下游任务（比如：Video Captioning），由于存在任务之间的gap，这样的特征提取方式会有导致sub-optimal的问题。
2） Disconnection in multimodal features：缺少了特征之间的联系，两个特征提取分支在提取特征过程中没有进行交互，导致视觉和语言信息并没有得到充分联系。
除此之外，在提取视频特征的时候，由于相比于图片特征，视频会多一个时间维度，因此提取视频特征是非常耗时、并且计算量是非常大的。
基于以上的问题，本文提出了CLIPBERT，一个端到端的视频-语言学习框架（结构如上图）。相比于以前的框架，本文主要有下面几个方面的不同：
1）以前的方法是对原始视频以dense的方式提取特征，非常耗时、耗计算量。但是众所周知，视频中大多数的帧其实都是非常相似的，对这些相似的帧进行特征提取确实比较浪费（而且就算提取了信息，模型也不一定能够学习到，如果模型的学习能力不够，过多的冗余信息反而会起到反作用）。因此，本文对视频采用稀疏采样，只采用很少的几张图片。
2）如果对这些采样的clip拼接后同时计算，这就相当于又多了一个维度，就会增加计算的负担。因此本文是对每一个clip分别计算后，然后再将计算结果融合，来减少计算量和显存使用，从而来实现端到端的视频-语言任务。
另外，本文还有一个创新点就是用图片-语言数据集进行预训练，然后在视频-语言数据上微调，因此本文将图片-语言数据集上学习到的信息转换到了视频-语言这个下游任务中，并且效果非常好。
3. 方法
3.1. Previous work
以往的方法对于视频-文本任务，往往都是直接对密集的视频V和文本S提取特征，每个视频V可以被分成N个clip，因此，以前视频-文本任务的模型可以被建模成下面的公式：
模型的损失函数为基于预测值和Ground Truth 的特定任务损失函数：
3.2. 随机稀疏采样
为了减少计算量，作者对视频进行了稀疏采样，只采样了很少的视频帧数，来表示视频的信息，因此本文的模型可以用下面的公式表示（第i个clip的信息可以被表示成）：
作者对每一个clip的特征分别进行预测，然后在将每个clip的预测信息进行融合，本文模型的损失函数如下（G是聚合不同clip信息的函数）：
由于在训练中，同一视频每次采样的图片并不一样，所以本文使用的稀疏采样方法也可以被看作是一种数据增强。因为在以往的方法中，是用整个视频进行训练的，全部的视频信息都暴露在模型中；而随机稀疏采样每次都暴露几个clip的信息，并且每次暴露的clip还是不同的，因此就起到了数据增强的效果（就像CV中的Random Crop，不采用数据增强的话，就将整张图片暴露给模型；如果使用Random Crop，每次都会对图片进行随机裁剪，只暴露图片的一部分信息，并且由于裁剪是随机的，所以每次暴露的信息也是不一样的）。
3.3. 模型结构
本文的模型结果如上图所示：
对于视觉编码器，本文采用的是2D CNN结构ResNet-50，因为相比于3D的CNN结构，2D的结构使用的显存更少、速度更快。
图中的Spatial Downsampling模块，作者采用的是2x2的max-pooling。
图中的Temporl Fusion模块，本文采用的mean-pooling，来聚合每个clip中T个帧的信息，得到clip级别的特征表示。
然后采用row-wise和column-wise的position embedding来实现2D的Position Embedding。
对于语言编码器，作者采用了一个work embedding层进行本文信息的映射，然后采用position embedding进行特征位置的编码。
接着，作者又加入了一个type embedding层，对输入特征的类型（视觉或语言）进行编码。
最后，只需要让这些视觉和语言特征进入一个12层的Transformer中进行训练即可。
4. 实验
4.1. Image Size
为了确定最合适的输入图片的大小，作者首先在Image Size上做了实验：
从图中可以看出，图片大小从224→448的过程中，性能提高显著；但将448的图片继续放大，性能提升就不太显著了，甚至部分指标已经开始下降了。
4.2. 帧信息的聚合
实验中，每个clip采样了T帧，为了探究如何对这些帧的信息进行聚合，获得clip级别的特征表示，作者尝试了以下方法：
可以看出，Conv3D和Conv(2+1)D的方法明显没有Mean Pooling好。
4.3. 测试时的clip数量
为了探究测试时采用多少clip的信息合适，作者进行了下面的实验：
可以看出，clip≤4，随着clip的增加，性能显著提升；clip>4，随着clip的增加，性能提升不显著。此外，每个clip采样两帧明显比采样一帧的效果好。
4.4. 训练时的clip数量
为了探究训练时采用多少clip的信息合适，作者进行了下面的实验：
总体上来说，训练时clip数量从1→2时，效益最显著。比如在LogSumExp函数下，clip从1增加到2，R1高了2.8%;clip从2增加到16，R1高了1.9%。
4.5. 稀疏随机采样 vs.密集均匀采样.
可以看出采用4帧的随机采样，就比16帧的均匀采样要好。（因为随机采样有了随机性，就有数据增强的效果）
4.6. 相比于SOTA
在多个视频-语言任务上，本文提出方法的性能能够大大超过以往的SOTA模型，证明了本文方法的有效性。
5. 总结
本文提出了一个端到端的视频-语言训练框架，只采样了视频中的部分信息，就能超过以前密集采样的方法，证明了“less is more”思想的有效性。另外，本文的方法在多个数据集、多个任务上都远远超过以前的SOTA方法。
本文亮点总结