关于REACT2024挑战赛

关于REACT2024

首先，挑战赛官网如下：https://sites.google.com/cam.ac.uk/react2024/home
这个挑战赛的任务是：建立一个机器学习模型，在双人交互的背景下，通过说话者的视频、音频、表情等数据，生成听者的面部反应并要保证反应的合理性(FRDist and FRCorr)、多样性(FRVar, FRDiv, and FRDvs)、同步性(FRSyn)、真实性(FRRea)。

---

DATASET

• NoXI: NOvice eXpert Interaction dataset
• RECOLA: REmote COLlaborative and Affective dataset
  这两个数据集都是需要找官方并签协议书的，然后官方会发送将两数据集混合筛选好的数据集。（缺点是OneDrive下载数据集会丢失文件）

数据集主要分为以下四部分：

• cropped_face (“Speaker-Listener”视频， mp4格式)
• 3D_FV_files (“Speaker-Listener”3DMM系数， npy格式)
• Audio_files (“Speaker-Listener”音频，wav格式)
• Emotion (“Speaker-Listener”面部数据，15个面部动作单元(AU)+2个面部影响参数+8个面部表情(中性、开心、悲伤等), csv格式)

为便于网络读取，加快训练速度，我将mp4数据打包成npy数据[seq_len, img_size[0], img_size[1]]，其他不变。

---

Challenge Tasks

1、Offline Multiple Appropriate Facial Reaction Generation (Offline MAFRG)

输入：说话者的audio_clips和video_cilps, 实际seq_len=751，训练时随机从中裁切256帧作为patch
输出：listener_emotion, listener_3dmm, distribution (latend_dim的分布，这个涉及VAE，暂时对其还不是很了解)

2、Online Multiple Appropriate Facial Reaction Generation (Online MAFRG)

输入：说话者的audio_clips和video_cilps，实际seq_len=751，训练时随机从中裁切256帧作为patch
输出：listener_emotion, listener_3dmm, distribution

---

Metrics

• Facial reaction correlation (FRCorr)面部反应相关性
• Facial reaction distance (FRDist)面部反应距离
• Appropriate facial reaction prediction accuracy (ACC)合适面部反应预测准确度
• Diverseness among generated facial reactions (FRDiv)生成的面部反应的多样性
• Facial reaction variance (FRVar)面部反应差异
• Diversity among facial reactions generated from different speaker behaviours (FRDvs)不同说话者行为产生的面部反应的多样性
• Facial reaction realism (FRRea)面部反应真实性
• Synchrony (FRSyn)同步性

---

任务实现细节

以TransVAE (baseline之一，官方参考TEACH)为例

Offline MAFRG

1、将video、audio、emotion、3dmm随机从751帧里抽取256帧作为patch，包括speaker_video_clip [B, 256, 224, 224], speaker_audio_clip [B, 256, 78], speaker_emotion [B, 256, 25], speaker_3dmm [B, 256, 58], listener_video_clip, listener_audio_clip, listener_emotion, listener_3dmm, listener_reference (listener_video[0]，是原751帧的第一帧) [B, 1, 224, 224]；

2、将speaker_video_clip通过Conv3D得到x[B, 256, 128]，speaker_audio_clip通过Linear得到y[B, 256, 128]，将x和y拼接cat在一起再通过Linear得到speaker_behaviour_feature[B, 256, 128]；

3、speaker_behaviour_feature通过Linear得到x, shape不变，同时创建两个可学习参数mu_token和logvar_token， shape和x一样，并随机初始化torch.randn，然后拼接cat在一起得到x [B, 2+256, 128], 再通过一层TransformerEncoder (mask全为0，不遮蔽)，得到z [B, 2+256, 128], 令mu和logvar分别等于z[0]和z[1]，logvar再exp()和pow(0.5)得到std，对mu和std取正态分布dist [B, 128]，然后rsample一个值motion_sample [B, 128] (mu + eps*std, eps随机从标准正态分布中采样)；

4、创建time_queries（zeros[B, 256, 128]）并加上positionembedding得到tgt，并创建tgt_mask[n_head*B, 256, 256]，上三角矩阵，然后升维motion_sample至[B, 1, 128]并令其为memory，将三者送入一层TransformerDecoder得到listener_reaction，令其作为tgt和memory再加上tgt_mask送入一层TransformerDecoderTransformerDecoder得到listener_reaction [B, 256, 128]；

5、listener_reaction通过Linear得到listener_3dmm_out[B, 256, 58]，最后将listener_reaction和listener_3dmm_out拼接cat在一起得到x[B, 256, 128+58]，通过两层Linear(128+58 -> 128 -> 25)得到listener_emotion_out [B, 256, 25]；

6、最后输出listener_3dmm_out、listener_emotion_out、dist

Online MAFRG

1、将video、audio、emotion、3dmm随机从751帧里抽取256帧作为patch（与offline task一致）；

2、设置window_size(16)，将256帧划分为256//16=16个时间段

3、第一次创建listener_reaction_3dmm（zeros[B, window_size, 224, 224]）和listener_reaction_emotion（zeros[B, window_size, 25]）；

4、当计算第i（i=1,2,..16）个时间段的listener_reaction时，先取前i个时间段（包括第i个）的speaker_video[B, (i *16), 58]和speaker_audio[B, (i *16), 78]，然后得到speaker_behaviour_feature[B, (i *16), 128]，同时注意第1个时间段后续计算与offline一样，也就是说不使用下面5-8的方法；

5、将speaker_behaviour_feature、listener_reaction_3dmm和listener_reaction_emotion拼接cat得到fuse [B, (i *16), 128+58+78]，通过Linear得到encoded_feature [B, (i *16), 128];

6、令past_reaction_3dmm和past_reaction_emotion为前i-1个时间段的listener_reaction_3dmm[B, (i-1 *16), 58]和listener_reaction_emotion[B, (i-1 *16), 25]；

7、将encoded_feature按offline的第3点处理方法得到motion_sample [B, 128]和dist [B, 128]，然后再将motion_sample通过offline的第4点处理方法得到listener_reaction [B, 16, 128]，然后将past_reaction_3dmm通过Linear得到past_reaction_3dmm[B, (i-1 *16), 128]并令past_reaction_3dmm_last = past_reaction_3dmm[:, -1] ([B, 16, 128])，也就是最接近第i个时间段的那帧；

8、创建tgt_mask [n_head*B, (i *16), (i *16)]，将listener_reaction通过Linear得到listener_reaction，shape不变，然后将listener_reaction与past_reaction_3dmm拼接cat得到all_3dmm [B, i *16, 128]，令all_3dmm为tgt和memory，加上tgt_mask通过一层TransformerDecoder得到listener_3dmm_out [B, i *16, 128]，然后再取第i段的16帧为新的listener_3dmm_out [B, 16, 128]，再将其送入LSTM(input = listener_3dmm_out, (h_0 = past_reaction_3dmm_last, c_0 = past_reaction_3dmm_last))，得到listener_3dmm_out [B, 16, 128]，最后通过Linear得到最终listener_3dmm_out [B, 16, 58]；

9、与offline第5点类似，通过listener_3dmm_out得到最终的listener_3dmm_out [B, 16, 58]和listener_emotion_out [B, 16, 25]；

10、将listener_reaction_3dmm和listener_reaction_emotion逐段cat，dist逐段append，最后得到[B, 16*16, 58/25]和[128]的数据。

---

Evaluate

online和offline评估过程基本一致。

• 首先会将完整的speaker_video和speaker_audio跑一次得到listener_reaction_3dmm、listener_reaction_emotion、dist并根据3dmm可视化预测listener的2d图片和3d视频
• 然后继续跑9次并将结果与第一次合并得到[B, 10, 750, 58/25]的listener_reaction_3dmm和listener_reaction_emotion，这两者参与后续的metric计算

两个子任务的官方pth可视化结果（README）：
Results