随着短视频应用火爆全网，现在各种短视频已经占据了全网50%以上的流量，那么如何对短视频分类就成了一个问题。目前，我们使用卷积网络可以有效的对图片进行分类，同时精度也比较高。那么神经网络是否可以对视频分类呢？答案是肯定的，本文带你使用ResNet3D网络来完成视频分类任务。
本文对ResNet3D论文解读和复现，ResNet3D网络主要内容出自以下两篇论文：
《Can Spatiotemporal 3D CNNs Retrace the History of 2D CNNs and ImageNet?》
《Would Mega-scale Datasets Further Enhance Spatiotemporal 3D CNNs》
论文项目地址:
https://github.com/kenshohara/3D-ResNets-PyTorch
1.目标
这里我们先简单介绍一下第一篇论文《Can Spatiotemporal 3D CNNs Retrace the History of 2D CNNs and ImageNet?》的目标。我们已经知道CNN网络在CV领域已经取得了巨大的成功，在大量的图片数据集下，比如ImageNet数据集，CNN网络可以取得较高的精度。那么使用目前已有的视频数据集，将现有的CNN网络的2维卷积核调整为3维卷积核，是否有充足的数据可以满足CNN网络的训练需求？文中主要使用ResNet3D网络对此进行了验证。
第二篇论文《Would Mega-scale Datasets Further Enhance Spatiotemporal 3D CNNs》是在第一篇的基础上进行的工作，其目标是希望验证超大规模的数据集是否可以增强CNN网络的性能。
2.工作内容
在第一篇论文中，论文作者发现只有在Kinetics400这种大规模数据集上，ResNet系列模型才能很好的收敛。在UCF101、HMDB-51和ActivityNet上模型都会出现过拟合的情况，很难训练出高精度的模型。在Kinetics400数据上，随着模型的深度增加，比如在ResNet152之后，精度提升就很微弱了。这里说明了如果有大规模的数据集是可以使用3D的CNN网络进行训练的。既然有了大规模数据集训练好的模型，就可以在小规模的数据集上进行微调训练，作者取得了不错的结果。
第二篇论文在第一篇论文的基础上，对不同的大规模数据集进行融合，得到了不同的组合超大规模的数据集，分别训练出不同层数ResNet3D网络。保存模型权重可以作为预训练权重，在小规模数据集上进行微调训练，在不同数据集和模型上都得到了不同程度的精度提升。
3.模型结构
通常做图像分类使用的ResNet网络的卷积核一般只是在2D图像上做滑动窗口，计算特征图，卷积核的形状一般为[out_channel, in_channel, W, H]。而在视频分类任务中一般对网络输入的是视频中的一段序列，比如16帧或32帧，这样在原有WH维度上又增加了一个时间T的维度，卷积核的形状为 [out_channel, in_channel, T, W, H]。这时，卷积核不止在2D平面上滑动，还需要在第三个维度T上移动，提取帧之间的关联特征。这样就需要对2D的ResNet进行改造，将其改造为3D的ResNet网络。ResNet3D保持原有的ResNet的整体架构不变，替换每个block中的basicblock或bottleneckblock中的卷积核为Conv3D,同时池化层也需要替换为3D池化。
整体网络结构描述如下：
4.训练方法
第一篇论文中在Kinetics400数据集上训练使用宽和高均为112像素，16帧的RGB图像作为输入样本。同时使用5种不同尺寸的裁剪方式对图像进行随机裁剪，同时添加了随机水平翻转，进行数据增强。使用交叉熵作为损失函数，同时使用SDG优化器，设置正则化系数为0.001，动量系数设置为0.9，起始学习率为0.1。如果在10个epochs之后，验证集的损失没有减小，则学习率除以10。在小数据集上进行模型微调时设置SDG优化器学习率为0.001，同时正则化系数设置为1e-5。同时作者在多次实验得出结论：在训练时，冻结前4个block，只微调第5个block和全连接层的权重可以得到更好的结果。
第二篇论文在第一篇论文训练策略的基础上进行了调整，因为是使用超大规模数据集对模型进行微调，所以其他参数不变，只是将SGD优化器的起始学习率设置为0.003，正则化系数和动量系数保持0.001和0.9。
5.实验结果
通过在多种超大规模数据集和多种模型结构组合训练得出以下结果。
本次复现的条件和目标如下，
预训练模型：K+M数据集上的ResNet50预训练权重
数据集：UCF-101
目标：Top1为92.9%
6.论文复现
项目地址:
https://github.com/txyugood/Paddle-3D-ResNets
1.下载解压数据集
数据集地址数据集地址：
https://aistudio.baidu.com/aistudio/datasetdetail/48916
1 | mkdir dataset/ |
2.视频转换为图片
1 | mkdir /home/aistudio/dataset/UCF-101-jpg/ |
3.转换pytorch预训练模型
1 | pip install torch==0.4.1 |
4.训练网络
在训练过程中进行clips准确率验证，并保存clips准确率最高的模型,最终clips准确率90%。
训练方法：
训练时开启4进程读取,将数据集分为4块，batch_size 为128，以异步方式读取数据进行模型训练。
每次迭代总训练时间为2.3秒左右，数据读取时间为1.8秒左右，
CPU使用率已接近100%，内存占用在80-90%之间。
GPU使用率50%,可见训练瓶颈在CPU读取数据部分，若CPU和内存扩容，还可以继续提升训练速度。
训练使用的优化器为Momentum,学习率0.003，momentun=0.9 L2Decay为0.001.
数据增强方式选择RandomResizedCrop方式。
按照论文中提到的方法，冻结Resnet50网络的conv1、conv2、conv3和conv4，只训练conv5和fc层。
1 | cd Paddle-ResNets/ && python train.py |
5.验证网络
按照论文的方法将视频以16帧为一个clip进行分割，最后计算一个视频的所有clips的平均值作为视频的分类结果。
最后会生成val.json文件供计算top-1准确率使用。这里与pytorch版本代码逻辑一致。
1 | cd Paddle-ResNets/ && python test.py |
6.计算准确率
Top-1准确率为93.55% 超过论文中的92.9%。
1 | cd Paddle-ResNets/ && python eval_accuracy.py |