【反内卷】开创全新AI多模态任务一视听分割：附原理、代码实践、优化教程（一）

前言

文章原创，出自 cv君，公众号：DeepAI 视界

gif 不能发出声音，大家脑补一下场景。算法找到视频中的打击乐器和钢琴正在发声

gif 不能发出声音，大家脑补一下场景。算法找到视频中的救护车正在滴度滴度~

视听分割是本周ECCV定会提出的全新任务，旨在：找出画面中哪个位置正在发出声音，这是一份多模态工作，结合了视觉和语音。

这有啥用？

直播推荐领域：我们直播的推荐系统，可能需要给正在表演才艺的cv君多一些推荐力度，而一直抱着琴不弹的，只在闲聊的、并且放着BGM的，我们需要识别出来现在有没有进行才艺表演。有的朋友就说啦！用语音识别，分类出在唱歌和不唱歌不就行了？反问：如何用语音识别分类区分BGM和唱歌？————视听分割、声源定位可以解决大家看下图。

智慧生活领域：场景1：禁止鸣笛的生活区的路边，安安静静，cv君躺在家里摆烂，哪个扑街突然鸣笛，抓！

场景2：校园午休静校期间，cv，你特么怎么还在吵、还打球、打个球

场景3：帮助视障人士

想法很简单，但实现却很难，如何让这两种信息参与学习而发挥作用呢？下面我们一起来详细了解一下。

相似工作

近年来，对音频和视觉图像的表征学习（audio-visual learning)吸引了很多关注，也催生了很多任务，比如视听匹配、视听事件定位、声源定位（Sound Source Localization, SSL)等等。前两者作为一个分类任务，都可以归结于给定一张图像和一段音频，判断二者是否描述同一个事件/物体；声源定位想要定位到发声物体的大致区域，趋近于目标检测，但是是以热力图可视化的形式表示定位的结果。

尽管这些任务都很有趣，但都不能够很好的勾勒出物体的形状，离精细化的视听场景理解似乎还差临门一脚。为此，视听分割任务提出要准确分割出视频帧中正在发声的物体全貌，即以音频为指导信号，确定分割哪个物体并得到其完整的像素级掩码图，如图1所示：

意思就是，以前的工作（第三行，SSL行）只能知道哪里可能发出了声音，现在（第四行AVS）可以端到端的对整个物体识别了，识别：哪个物体在哪里发出了这种声音。

作者公布了一份多声源地数据，和单声源的数据，单源子集包含4932个视频，共23个类别，涵盖人类、动物、交通工具和乐器等日常生活中典型的发声物体，详细的类别和视频数据分布如图2所示。对于多源子集，作者从单源子集的类别中选择有效的2-3个作为关键词组合，从YouTube平台人工检索视频，在约6000余视频中筛选出424个作为多源视频。

核心方法

本文作者提出了一个端到端的视听分割模型AVS，如图所示，其遵循编码器-解码器的网络架构，输入视频帧，最终直接输出分割掩码。

cv君看了代码，简单说就是：

1、使用Renset50或者使用更大更准的任何特征提取网络（作者还用了PVT-v2的transformer网络）做视觉表征的提取

2、使用VGGish提取音频梅尔图的表征信息

3、视觉特征与音频特征经过ASPP池化，维度合并送入作者提出的TPAVI模块，送入下一个编码层。

4、特征解码器，输出原图像尺寸的预测mask图

5、引入多个BCE Loss 和作者提出的掩码视听匹配Loss

具体而言，在编码器中，视频帧的多层级特征图可以通过经典CNN或已经屠榜各大任务的Transformer网络提取（作者测试了ResNet50和PVT-v2两种结构）；音频的特征可以通过VGGish，一种类似VGG的网络提取。其次，视频帧特征图被送入分割模型中常用的层级池化空洞卷积模块（ASPP）进行进一步编码。紧接着，编码的视频帧特征和音频特征被送入所提出的TPAVI模块，其考虑时序的音频和视频帧像素间的联系，引入音频信息指导分割。经过TPAVI模块的视频帧特征期望能够在与音频对应/匹配的区域被增强。最后，编码的特征被送入解码器进行分步解码，最终产生和原始输入分辨率相同大小的分割掩码图。

网络的优化目标分为两部分，一部分是基础的交叉熵损失函数，计算预测图和真实标签的损失。另一部分，作者针对多源情况提出了一个掩码视听匹配损失函数，用于约束预测掩码对应的视频帧特征（发声物体）和音频特征分布在特征空间中保持相似分布。

与其他多模态方法相比的亮点：TPAVI模块加成较多，掩码视听匹配Loss有一定加成

亮点介绍

TPAVI模块

TPAVI模块将第i级视觉特征Vi和音频特征A作为输入。彩色框表示1×1×1卷积，而黄色框表示reshape操作。“符号”⊗” 和

“⊕” 分别表示矩阵乘法和元素加法。

虽然声源的听觉和视觉信号可能不会同时出现，但它们通常存在于多个视频帧中。因此对整个视频的音频和视频信号进行视觉分割应该是有益的。我们采用了编码时间像素级视听交互（TPAVI）。如上图所示，整个视频的当前视觉特征图Vi和音频特征A被发送到TPAVI模块中。具体而言，首先将音频特征A转换为与视觉特征Vi具有相同维度的特征空间通过线性层。然后，将其在空间上复制hi*wi次，并重新整形为与Vi相同的大小我们将这种处理后的音频特征表示为Aˆ。接下来，期望在整个视频中找到对音频对应物aˆ具有高响应的视觉特征图Vi的那些像素。这样的视听交互可以通过点积来测量，在第i阶段更新的特征图Zi可以计算为：

其中θ、ψ、g和µ是1×1×1卷积，N=T×hi×wi是归一化因子，αi表示视听相似性，Zi表示∈ R T×hi×wi×C。每个视觉像素通过TPAVI模块与所有音频交互。我们在图10后面提供了TPAVI中视听注意力的可视化，它显示了与SSL方法预测类似的“外观”，因为它构建了像素到音频的映射。

解码器：我们在这项工作中采用了全景FPN[19]的解码器，因为它具有灵活性和有效性，尽管可以使用任何有效的解码器架构。

简言之，在第j级，其中j＝2、3、4，来自级Z5的两个输出−j和最后一级Z6−j用于解码过程。然后将解码的特征上采样到下一阶段。解码器的最终输出是M∈ rt×H×W，由乙状结肠激活。

掩码视听匹配Loss

目标函数：给定预测M和像素标记Y，我们采用二进制交叉熵（BCE）损失作为主要监督函数。

此外，我们还使用了一个额外的正则化项LAVM来强制进行视听映射。具体而言，我们使用Kullback–Leibler（KL）散度来确保掩蔽的视觉特征与相应的音频特征具有相似的分布。换句话说，如果某些帧的音频特征在特征空间中接近，则相应的发声对象在特征空间中将接近。总目标函数L可以如下计算：

其中λ是平衡重量，⊙ avg表示平均池运算。在每个阶段，我们通过平均池对预测M到Mi进行下采样，使其具有与Zi相同的形状

矢量Ai是与Zi具有相同特征维数的a的线性变换

对于半监督S4设置，我们发现视听正则化损失没有帮助，因此在此设置中设置λ=0。

实验结论

代码刚开源几天，cv君仔细看了代码，并且已经无压力运行了，大家有问题可以咨询我，免费。作者基于Resnet50做Backbone 在多声源数据中得到了47.88分，cv君通过多次复现，得到了这个分数接近的分数，但是不稳定，有时候得到44分，又时候46分有时候47.2分，cv君通过自研的搜索框架，不增长任何Flops分数已经达到了49.70分，增加了2个点。（可见作者还是给出了baseline），不过最近作者又准备了10倍大的新模型。

可以发现，在PVT-v2的框架下，得分很高，说明了transformer很猛，不过Flops更高，没毛病。

可以看到分割效果很好，大家可以看我的视频分析，因为论文中不能发视频，哈哈哈，上图展示了其他方法和现在方法的对比。

上图展示了多声音情况下的效果，大家要看视频才知道：意思是，前2帧只有小孩在说话，后3帧孩子和狗都在发声。

而LGVT方法却无法分辨。

最后作者还比较了其他两阶段方法，和他的AVS方法的对比。远好于两阶段方法：该方法首先通过现成的掩码R-CNN生成实例分割图，然后结合音频信号进行最终探测对象分割。性能不受分割质量的制约（使用不同的掩码RCNN主干），但在很大程度上受音频信号的影响。

TPAVI模块用于从时间和像素层面制定视听交互，引入音频信息以探索视觉分割。我们进行了一项消融研究，以探索其影响，如表所示。

两行显示了有或没有TPAVI模块的拟议AVS方法，而“A”⊕V”表示直接将音频添加到视觉功能。应注意的是，将音频特征添加到视觉特征不会导致S4设置下的明显差异，但会导致MS3 14 J.Zhou等人的明显增益。

表5.音频信号和TPAVI的影响。带和不带TPAVI模块的AVS结果（mIoU）。中间一行表示直接添加音频和视频功能，这已经提高了MS3设置下的性能。TPAVI模块进一步增强了所有设置的结果

这是引入TPAVI的对比，可以看到倒数两行，开枪的声音分割，精确到了枪体，而非人体。

视听注意力的可视化。

Loss 的对比。

在未训练过的数据中测试，分割也不错。

总结

这是一份多模态工作，这两年多模态开始热门了，但工作还是出得很少，这是一篇比较优质的工作，已经被ECCV接受了，工作量给9分，创新程度给8分，有趣程度给10分，代码质量给7分。不足的是，其实可以直接搞成多类别分割。更精准。难度不大，cv君有空会做一下。

论文地址：

https://arxiv.org/abs/2207.05042

GitHub地址：

GitHub - OpenNLPLab/AVSBench: Official implementation of the ECCV2022 paper: Audio-Visual Segmentation

项目主页：

AVSBench

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