Multimodal Knowledge Distillation for Egocentric Action Recognition Robust to Missing Modalities

TL;DR

KARMMA框架在缺失模态下实现稳健的自我动作识别,减少50%计算资源。

cs.CV 🔴 高级 2025-04-11 6 次浏览
Maria Santos-Villafranca Dustin Carrión-Ojeda Alejandro Perez-Yus Jesus Bermudez-Cameo Jose J. Guerrero Simone Schaub-Meyer
多模态 知识蒸馏 自我动作识别 缺失模态 机器人

核心发现

方法论

KARMMA框架通过多模态教师模型向多模态学生模型蒸馏知识,学生模型在缺失模态下仍能保持高准确性。教师模型融合冻结的单模态编码器特征,学生模型则使用更小的特征提取器和融合块,降低计算成本。

关键结果

  • 在Epic-Kitchens数据集上,KARMMA学生模型在所有模态可用时的准确率达到43%,相比基线模型提高了3%。
  • 在Something-Something数据集上,学生模型在缺失模态情况下的准确率提升了36.74%。
  • 在90%模态丢失情况下,KARMMA学生模型在Epic-Kitchens数据集上比基线模型提高了2%的准确率。

研究意义

该研究显著提高了机器人在多模态缺失情况下的动作识别能力,减少了对单一模态的依赖,适用于多传感器配置的实际应用,尤其是在动态或不确定环境中的机器人部署。

技术贡献

提出了一种无需模态对齐的多模态到多模态蒸馏框架,结合模态丢失策略和无参数的令牌缩减策略,显著降低计算成本并提高模型灵活性。

新颖性

KARMMA是首个在训练和推理时不需要模态对齐的多模态蒸馏框架,显著增强了在模态缺失情况下的鲁棒性。

局限性

  • 在某些情况下,音频和物体检测注释对动作识别的贡献较小,可能导致准确率下降。
  • 模型在单一模态下的性能略低于专门优化的单模态模型。

未来方向

未来工作可以探索更多模态组合的影响,以及在更复杂的传感器环境中测试该框架的鲁棒性。

AI 总览摘要

自我动作识别在机器人与人类互动中扮演着重要角色,但现有方法通常依赖于RGB视频,忽视了多模态信息的潜力。KARMMA框架通过多模态知识蒸馏,解决了模态缺失导致的性能下降问题。

KARMMA框架的核心在于从多模态教师模型向学生模型蒸馏知识,学生模型能够在缺失模态下保持高准确性。通过融合冻结的单模态编码器特征,KARMMA大幅降低了计算成本,适合在机器人上部署。

实验结果表明,KARMMA在Epic-Kitchens和Something-Something数据集上均表现出色,尤其在模态缺失情况下,显著优于基线模型。这一研究为多模态动作识别提供了新的思路,具有广泛的应用潜力。

深度分析

研究背景

随着人类与机器人交互的增加,自我动作识别成为一个重要研究领域。传统方法主要依赖RGB视频,但多模态信息如音频和光流可以在复杂环境中提高准确性。近年来,多模态数据集的发布推动了多模态识别方法的发展。

核心问题

现有多模态方法通常假设推理时所有模态可用,但在实际应用中,传感器故障或隐私限制常导致模态缺失,进而影响识别准确性。

核心创新

KARMMA框架通过多模态到多模态的知识蒸馏,解决了模态缺失问题。其创新点包括无需模态对齐的蒸馏过程、模态丢失策略以及无参数的令牌缩减策略。

方法详解

  • �� 使用冻结的单模态编码器构建教师模型
  • �� 蒸馏知识到更轻量的学生模型
  • �� 学生模型使用小型特征提取器和融合块
  • �� 应用模态丢失策略提高鲁棒性
  • �� 采用无参数令牌缩减策略降低计算成本

实验设计

在Epic-Kitchens和Something-Something数据集上进行实验,使用RGB视频、光流和音频作为模态。基线模型与KARMMA学生模型进行对比,评估在不同模态组合下的性能。

结果分析

KARMMA学生模型在Epic-Kitchens数据集上达到43%的准确率,相比基线模型提高了3%。在Something-Something数据集上,在缺失模态情况下的准确率提升了36.74%。

应用场景

KARMMA适用于需要多传感器配置的机器人应用,尤其是在动态或不确定环境中,能够在模态缺失情况下保持高效的动作识别。

局限与展望

虽然KARMMA在多模态缺失情况下表现出色,但在单一模态下的性能略低于专门优化的单模态模型。此外,音频和物体检测注释的贡献较小,可能影响某些场景的准确性。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在厨房做饭,通常你会用眼睛看食材,用耳朵听水开的声音。KARMMA就像一个聪明的厨师助手,即使你闭上眼睛,它也能通过听觉和触觉帮你判断食材是否熟了。这种方法让机器人在某些传感器失效时仍能正常工作。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个游戏,通常你用眼睛看屏幕,用耳朵听声音。KARMMA就像一个超级助手,即使你闭上眼睛,它也能通过声音和触觉帮你继续游戏。这种方法让机器人在某些传感器失效时仍能正常工作。

术语表

知识蒸馏 (Knowledge Distillation)

一种将大模型的知识转移到小模型的方法,通常用于提高小模型的性能。

在KARMMA中用于将多模态教师模型的知识传递给学生模型。

模态丢失 (Modality Dropout)

一种在训练过程中随机丢弃某些模态的方法,以提高模型在模态缺失情况下的鲁棒性。

用于训练KARMMA学生模型,使其在模态缺失时仍能保持高性能。

令牌缩减 (Token Reduction)

一种减少输入令牌数量的方法,以降低计算成本。

在KARMMA中用于减少融合块的计算量。

自我动作识别 (Egocentric Action Recognition)

从第一人称视角识别动作的任务,通常用于人机交互。

KARMMA框架的主要应用场景。

多模态 (Multimodal)

涉及多种数据模态的技术,如视觉、音频等。

KARMMA框架利用多模态信息提高动作识别的准确性。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在更多模态组合下进一步提高模型的鲁棒性?
  • 2 在更复杂的传感器环境中,KARMMA的性能如何?

应用场景

近期应用

机器人助手

KARMMA可以用于家庭或工业机器人,帮助它们在模态缺失情况下仍能准确识别和执行任务。

远期愿景

智能监控系统

通过结合多模态信息,KARMMA可以用于开发更智能的监控系统,能够在传感器故障时仍能正常工作。

原文摘要

Egocentric action recognition enables robots to facilitate human-robot interactions and monitor task progress. Existing methods often rely solely on RGB videos, although additional modalities, such as audio, can improve accuracy under challenging conditions. However, most multimodal approaches assume that all modalities are available at inference time, leading to significant accuracy drops, or even failure, when inputs are missing. To address this limitation, we introduce KARMMA, a multimodal Knowledge distillation framework for egocentric Action Recognition robust to Missing ModAlities that does not require modality alignment across all samples during training or inference. KARMMA distills knowledge from a multimodal teacher into a multimodal student that leverages all available modalities while remaining robust to missing ones, enabling deployment across diverse sensor configurations without retraining. Our student uses approximately 50% fewer computational resources than the teacher, resulting in a lightweight and fast model that is well suited for on-robot deployment. Experiments on Epic-Kitchens and Something-Something demonstrate that our student achieves competitive accuracy while significantly reducing performance degradation under missing modality conditions.

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