一項新的視聽分割任務

聽到“唔哩——唔哩——”的警笛聲，你可以迅速判斷出聲音來自路過的一輛急救車。

能不能讓AI根據音頻信號得到發聲物完整的、精細化的掩碼圖呢？

來自合肥工業大學、商湯、澳國立、北航、英偉達、港大和上海人工智能實驗室的研究者提出了一項新的視聽分割任務（Audio-Visual Segmentation， AVS）。

視聽分割，就是要分割出發聲物，而后生成發聲物的精細化分割圖。

相應的，研究人員提出了第一個具有像素級標注的視聽數據集AVSBench。

新任務、新的數據集，搞算法的又有新坑可以卷了。

據最新放榜結果，該論文已被ECCV 2022接受。

精準鎖定發聲物

聽覺和視覺是人類感知世界中最重要的兩個傳感器。生活里，聲音信號和視覺信號往往是互補的。

視聽表征學習（audio-visual learning）已經催生了很多有趣的任務，比如視聽通信（AVC）、視聽事件定位（AVEL）、視頻解析（AVVP）、聲源定位（SSL）等。

這里面既有判定音像是否描述同一事件/物體的分類任務，也有以熱力圖可視化大致定位發聲物的任務。

但無論哪一種，離精細化的視聽場景理解都差點意思。

△ AVS 任務與 SSL 任務的比較

視聽分割“迎難而上”，提出要準確分割出視頻幀中正在發聲的物體全貌——

即以音頻為指導信號，確定分割哪個物體，并得到其完整的像素級掩碼圖。

AVSBench 數據集

要怎么研究這個新任務呢？

鑒于當前還沒有視聽分割的開源數據集，研究人員提出AVSBench 數據集，借助它研究了新任務的兩種設置：

1、單聲源（Single-source）下的視聽分割 2、多聲源（Multi-sources）下的視聽分割

數據集中的每個視頻時長5秒。

單聲源子集包含23類，共4932個視頻，包含嬰兒、貓狗、吉他、賽車、除草機等與日常生活息息相關的發聲物。

△AVSBench單源子集的數據分布

多聲源子集則包含了424個視頻。

結合難易情況，單聲源子集在半監督條件下進行，多聲源子集則以全監督條件進行。

研究人員對AVSBench里的每個視頻等間隔采樣5幀，然后人工對發聲體進行像素級標注。

對于單聲源子集，僅標注采樣的第一張視頻幀；對于多聲源子集，5幀圖像都被標注——這就是所謂的半監督和全監督。

△對單聲源子集和多聲源子集進行不同人工標注

這種像素級的標注，避免了將很多非發聲物或背景給包含進來，從而增加了模型驗證的準確性。

一個簡單的baseline方法

有了數據集，研究人員還拋磚引玉，在文中給了個簡單的baseline。

吸收傳統語義分割模型的成功經驗，研究人員提出了一個端到端的視聽分割模型。

△視聽分割框架圖

這個模型遵循編碼器-解碼器的網絡架構，輸入視頻幀，最終直接輸出分割掩碼。

另外，還有兩個網絡優化目標。

一是計算預測圖和真實標簽的損失。

而針對多聲源情況，研究人員提出了掩碼視聽匹配損失函數，用來約束發聲物和音頻特征在特征空間中保持相似分布。

部分實驗結果

光說不練假把式，研究人員進行了廣泛實驗。

首先，將視聽分割與相關任務的6種方法進行了比較，研究人員選取了聲源定位（SSL）、視頻物體分割（VOS）、顯著性物體檢測（SOD）任務上的各兩個SOTA方法。

實驗結果表明，視聽分割在多個指標下取得了最佳結果。

△和來自相關任務方法進行視聽分割的對比結果

其次，研究人員進行了一系列消融實驗，驗證出，利用TPAVI模塊，單聲源和多聲源設置下采用兩種backbone的視聽分割模型都能得到更大的提升。

△引入音頻的TPAVI模塊，可以更好地處理物體的形狀細節（左圖），并且有助于分割出正確的發聲物（右圖）

對于新任務的視聽匹配損失函數，實驗還驗證了其有效性。

△視聽匹配損失函數的有效性

One More Thing

文中還提到，AVSBench數據集不僅可以用于所提出的視聽分割模型的訓練、測試，其也可以用于驗證聲源定位模型。

研究人員在項目主頁上表示，正在準備比AVSBench大10倍的AVSBench-v2。