视频理解的核心目标是准确理解时空表示，但面临两个主要挑战：短视频片段中存在大量时空冗余，并且复杂的时空依赖关系。三维卷积神经网络（CNN）和视频Transformer曾在解决其中一个挑战方面表现出色，但它们在同时应对这两个挑战时存在一定不足。 UniFormer尝试结合这两种方法的优势，但在建模长视频方面遇到了困难。
S4、RWKV 和 RetNet 等低成本方案在自然语言处理领域的出现，为视觉模型开辟了新的途径。 Mamba 凭借其选择性状态空间模型 (SSM) 脱颖而出，实现了在保持线性复杂性的同时促进长期动态建模的平衡。这种创新推动了它在视觉任务中的应用，正如 Vision Mamba 和 VMamba 所证实的那样，它们利用多方向 SSM 来增强二维图像处理。这些模型在性能上与基于注意力的架构相媲美，同时显着减少了内存使用量。
鉴于视频产生的序列本身更长，一个自然的问题是：Mamba 能否很好地用于视频理解？
启发于 Mamba，本文介绍了 VideoMamba，这是专门为视频理解定制的 SSM（选择性状态空间模型）。 VideoMamba 借鉴了 Vanilla ViT 的设计理念，将卷积和注意力机制相结合。它提供了一种线性复杂度的方式，用于动态时空背景建模，尤其适用于处理高分辨率长视频。评估主要集中在VideoMamba 的四个关键能力上：
在视觉领域的可扩展性：本文对VideoMamba 的可扩展性进行了检验，发现纯Mamba 模型在不断扩展时往往容易过拟合，本文引入一种简单而有效的自蒸馏策略，使得随着模型和输入尺寸的增加，VideoMamba 能够在不需要大规模数据集预训练的情况下实现显着的性能增强。
对短期动作识别的敏感性：本文的分析扩展到评估VideoMamba 准确区分短期动作的能力，特别是那些具有细微动作差异的动作，如打开和关闭。研究结果显示，VideoMamba 在现有基于注意力的模型上表现出了优异的性能。更重要的是，它还适用于掩码建模，进一步增强了其时间敏感性。
在长视频理解方面的优越性：本文评估了 VideoMamba 在解释长视频方面的能力。通过端到端训练，它展示了与传统基于特征的方法相比的显着优势。值得注意的是，VideoMamba 在 64 帧视频中的运行速度比 TimeSformer 快 6 倍，并且对 GPU 内存需求减少了 40 倍 (如图 1 所示)。
与其他模态的兼容性：最后，本文评估了VideoMamba 与其他模态的适应性。在视频文本检索中的结果显示，与 ViT 相比，其性能得到了改善，特别是在具有复杂情景的长视频中。这凸显了其鲁棒性和多模态整合能力。
本研究的深入实验揭示了VideoMamba在短期（K400和SthSthV2）和长期（Breakfast，COIN和LVU）视频内容理解方面的巨大潜力。 VideoMamba表现出高效性和准确性，预示着它将成为长视频理解领域的关键组成部分。为了促进未来研究的进展，所有的代码和模型都已经开源。
- 论文地址：https://arxiv.org/pdf/2403.06977.pdf
- 项目地址：https://github.com/OpenGVLab/VideoMamba
- 论文标题：VideoMamba: State Space Model for Efficient Video Understanding
方法介绍
下图2a 显示了Mamba 模块的细节。
图 3 说明了 VideoMamba 的整体框架。本文首先使用 3D 卷积 (即 1×16×16) 将输入视频 Xv ∈ R 3×T ×H×W 投影到 L 个非重叠的时空补丁 Xp ∈ R L×C，其中 L=t×h×w (t=T,h= H 16, 和 w= W 16)。输入到接下来的 VideoMamba 编码器的 token 序列是
时空扫描：为了将 B-Mamba 层应用于时空输入，本文图 4 中将原始的 2D 扫描扩展为不同的双向 3D 扫描：
(a) 空间优先，通过位置组织空间 token，然后逐帧堆叠它们；
(b) 时间优先，根据帧排列时间 token，然后沿空间维度堆叠；
(c) 时空混合，既有空间优先又有时间优先，其中 v1 执行其中的一半，v2 执行全部 (2 倍计算量)。
图 7a 中的实验表明，空间优先的双向扫描是最有效但最简单的。由于 Mamba 的线性复杂度，本文的 VideoMamba 能够高效地处理高分辨率的长视频。
对于 B-Mamba 层中的 SSM，本文采用与 Mamba 相同的默认超参数设置，将状态维度和扩展比例分别设置为 16 和 2。参照 ViT 的做法，本文调整了深度和嵌入维度，以创建与表 1 中相当大小的模型，包括 VideoMamba-Ti，VideoMamba-S 和 VideoMamba-M。然而实验中观察到较大的 VideoMamba 在实验中往往容易过拟合，导致像图 6a 所示的次优性能。这种过拟合问题不仅存在于本文提出的模型中，也存在于 VMamba 中，其中 VMamba-B 的最佳性能是在总训练周期的四分之三时达到的。为了对抗较大 Mamba 模型的过拟合问题，本文引入了一种有效的自蒸馏策略，该策略使用较小且训练良好的模型作为「教师」，来引导较大的「学生」模型的训练。如图 6a 所示的结果表明，这种策略导致了预期的更好的收敛性。
关于掩码策略，本文提出了不同的行掩码技术，如图 5 所示，专门针对 B-Mamba 块对连续 token 的偏好。
实验
表 2 展示了在 ImageNet-1K 数据集上的结果。值得注意的是，VideoMamba-M 在性能上显著优于其他各向同性架构，与 ConvNeXt-B 相比提高了 0.8%，与 DeiT-B 相比提高了 2.0%，同时使用的参数更少。VideoMamba-M 在针对增强性能采用分层特征的非各向同性主干结构中也表现出色。鉴于 Mamba 在处理长序列方面的效率，本文通过增加分辨率进一步提高了性能，仅使用 74M 参数就实现了 84.0% 的 top-1 准确率。
表 3 和表 4 列出了短期视频数据集上的结果。 (a) 监督学习：与纯注意力方法相比，基于SSM 的VideoMamba-M 获得了明显的优势，在与场景相关的K400 和与时间相关的Sth-SthV2 数据集上分别比ViViT-L 高出2.0% 和3.0%。这种改进伴随着显着降低的计算需求和更少的预训练数据。 VideoMamba-M 的结果与 SOTA UniFormer 不相上下，后者在非各向同性结构中巧妙地将卷积与注意力进行了整合。 (b) 自监督学习：在掩码预训练下，VideoMamba 的性能超越了以其精细动作技能而闻名的 VideoMAE。这一成就突显了本文基于纯 SSM 的模型在高效有效地理解短期视频方面的潜力，强调了它适用于监督学习和自监督学习范式的特点。
如图1 所示，VideoMamba 的线性复杂度使其非常适合用于与长时长视频的端到端训练。表 6 和表 7 中的比较突显了 VideoMamba 在这些任务中相对于传统基于特征的方法的简单性和有效性。它带来了显着的性能提升，即使在模型尺寸较小的情况下也能实现 SOTA 结果。 VideoMamba-Ti 相对于使用 Swin-B 特征的 ViS4mer 表现出了显着的 6.1% 的增长，并且相对于 Turbo 的多模态对齐方法也有 3.0% 的提升。值得注意的是，结果强调了针对长期任务的规模化模型和帧数的积极影响。在 LVU 提出的多样化且具有挑战性的九项任务中，本文采用端到端方式对 VideoMamba-Ti 进行微调，取得了与当前 SOTA 方法相当或优秀的结果。这些成果不仅突显了 VideoMamba 的有效性，也展示了它在未来长视频理解方面的巨大潜力。
如表8 所示，在相同的预训练语料库和类似的训练策略下，VideoMamba在零样本视频检索性能上优于基于ViT 的UMT。这突显了 Mamba 在处理多模态视频任务中与 ViT 相比具有可比较的效率和可扩展性。值得注意的是，对于具有更长视频长度 (例如 ANet 和 DiDeMo) 和更复杂场景 (例如 LSMDC) 的数据集，VideoMamba 表现出了显着的改进。这表明了 Mamba 在具有挑战性的多模态环境中，甚至在需求跨模态对齐的情况下的能力。
更多研究细节，可参考原论文。
