Diese Studie verwendete ein zweistufiges Deep-Learning-Verfahren zur Erkennung von Sportvideobewegungen, das ein mehrskaliges faltendes neuronales Netzwerk (MSCNN) mit einem Long Short-Term Memory-Netzwerk (LSTM) kombiniert. Öffentlich verfügbare Benchmark-Datensätze, und zwar UCF11, UCF Sports und JHMDB, wurden zur Modellentwicklung und -evaluierung herangezogen. Es wurden keine neuen Daten von menschlichen Probanden erhoben, und es wurde kein persönlich identifizierbares Material zugänglich gemacht oder verarbeitet. Da die Studie eine sekundäre Analyse öffentlich zugänglicher, anonymisierter Datensätze umfasste und keine direkte Teilnahme von Menschen beinhaltete, waren eine institutionelle ethische Genehmigung und eine informierte Einwilligung nicht erforderlich.
Der Arbeitsablauf bestand aus der Bildratenabtastung und zeitlichen Normalisierung, gefolgt von der Merkmalsextraktion mithilfe des MSCNN-Moduls. Die extrahierten Merkmale wurden anschließend mit einem LSTM-Netzwerk zur zeitlichen Modellierung verarbeitet und danach an eine Multiklassen-Klassifizierungsschicht weitergeleitet. Schließlich wurde das Modell anhand der ausgewählten Benchmark-Datensätze trainiert und evaluiert. Abbildung 1 veranschaulicht die Gesamtarchitektur des vorgeschlagenen Frameworks.

Abbildung 1: Vorgeschlagenes MSCNN-LSTM-Modell zur Erkennung von Aktionen in Sportvideos. Gesamter Arbeitsablauf zur Video-Vorverarbeitung, mehrskaligen räumlichen Merkmalsextraktion, zeitlichen Sequenzlernung und Aktionsklassifizierung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 1 veranschaulicht den Arbeitsablauf des vorgeschlagenen Frameworks zur Erkennung von Aktionen in Sportvideos basierend auf einer hybriden MSCNN-LSTM-Architektur. Der Prozess beginnt mit Sportvideoclips, die verschiedene sportliche Aktionen enthalten, wie Treten, Reiten und Golfschwung. Die Rohvideos wurden im Vorverarbeitungsschritt in einzelne Bilder zerlegt, wobei die Bilder zugeschnitten, standardisiert und für die Modell-Eingabe vorbereitet wurden. Die vorverarbeiteten Bilder wurden anschließend zur Merkmalsextraktion in das MSCNN-Modul eingespeist. Die mehrstufige faltende Architektur erfasst räumliche Merkmale in unterschiedlichen Rezeptivfeldern und ermöglicht so die Extraktion lokaler und kontextueller Informationen aus den Sportvideobildern. Die extrahierten Merkmalsvektoren wurden dann vom LSTM-Netzwerk verarbeitet, um zeitliche Abhängigkeiten und die Bewegungsentwicklung über aufeinanderfolgende Bilder hinweg abzubilden. Schließlich nutzte das Klassifizierungs- und Trainingsmodul die erlernten räumlich-zeitlichen Darstellungen, um die Aktionskategorie für jeden Videoclip vorherzusagen. Das vorgeschlagene Framework umfasste vier aufeinanderfolgende Schritte, beginnend mit Datensammlung und Vorverarbeitung unter Verwendung der Benchmark-Datensätze UCF11 (YouTube Actions), UCF Sports und JHMDB. Jedes Sportvideo wurde in eine Sequenz von Bildern umgewandelt, die verkleinert, normalisiert und durch Rotation, Spiegelung und Zuschneiden erweitert wurden, um die Robustheit gegenüber Umweltvariationen zu verbessern. Die vorverarbeiteten Bilder wurden dann durch das vorgeschlagene Multi-Scale Convolutional Neural Network (MSCNN) verarbeitet, bei dem parallele faltende Zweige mit 3 × 3, 5 × 5 und 7 × 7 Kernen komplementäre lokale und kontextuelle räumliche Merkmale extrahierten. Diese mehrstufigen Merkmale wurden konkateniert und mittels Batch-Normalisierung und Max-Pooling verfeinert, um kompakte Merkmalsdarstellungen zu erzeugen. Die resultierenden bildbasierten Merkmale wurden anschließend einem Long Short-Term Memory (LSTM)-Netzwerk zur Verfügung gestellt, um zeitliche Abhängigkeiten über aufeinanderfolgende Bilder hinweg abzubilden. Die finalen LSTM-Ausgaben wurden abgeflacht und über voll verbundene Schichten mit ReLU-Aktivierung weitergeleitet, gefolgt von einem Softmax-Klassifikator zur Vorhersage der Aktionskategorie. Das Netzwerk wurde mithilfe des Adam-Optimierers mit einer Kreuzentropie-Verlustfunktion und Dropout-Regularisierung trainiert, um Überanpassung zu reduzieren. Die Modellleistung wurde abschließend anhand der Benchmark-Datensätze UCF11, UCF Sports und JHMDB anhand von Genauigkeit, Präzision, Sensitivität und F1-Score bewertet.
1. Datensammlung und Vorverarbeitung
In dieser Studie wurden drei öffentlich verfügbare Benchmark-Datensätze für Sport und menschliche Aktionen verwendet. Diese Datensätze enthalten Videomaterial aus der realen Welt mit unterschiedlichen Kamerabewegungen, Blickwinkeln und komplexen Hintergründen. Konkret nutzte die Studie UCF11 (YouTube-Aktionen) (https://www.crcv.ucf.edu/data/UCF_YouTube_Action.php), das 11 Aktionskategorien umfasst, die aus 1.168 YouTube-Videos stammen, die von etwa 25 Personen aufgezeichnet wurden, wobei es mehrere Beispiele pro Aktion gibt. Die Joint-Annotated Human Motion Database (JHMDB)34,35 enthält 21 Aktionsklassen und 928 annotierte Videos. Der UCF-Sportdatensatz umfasst 10 Aktionsklassen und 150 Videosequenzen, die aus Sendequellen mit einer Auflösung von 720 × 480 Pixeln aufgezeichnet wurden (https://www.crcv.ucf.edu/data/UCF_Sports_Action.php).
Insgesamt umfassen diese Datensätze sowohl individuelle als auch Mannschaftssportarten und bieten eine Variation hinsichtlich zeitlicher Dauer und visueller Skalierung, um den vorgeschlagenen MSCNN-LSTM-Aktivitätserkennungsansatz zu evaluieren. Im Rahmen des Qualitätsprüfungsprozesses für die Daten wurden die Datensätze UCF11, UCF Sports und JHMDB auf beschädigte Videos, doppelte Dateien sowie Ausschnitte mit unvollständigen Annotationen überprüft. Es wurden keine Stichproben gefunden, die diesen Ausschlusskriterien entsprachen; daher wurden alle verfügbaren Videos für die anschließende Analyse beibehalten. Die Datensätze wurden anschließend mithilfe einer einheitlichen Zufallsaufteilungsstrategie in Trainings- (70 %), Validierungs- (15 %) und Testdatensätze (15 %) unterteilt. Abbildung 2 zeigt repräsentative Bilder, die für das Training und die Evaluierung verwendet wurden.

Abbildung 2: Repräsentative Einzelbilder aus etablierten Datensätzen zur Erkennung von Sportaktionen. Die Teilabbildungen (A–D) zeigen Beispiele aus dem UCF11 (YouTube Actions)-Datensatz, die Teilabbildungen (E–H) aus dem UCF Sports-Datensatz und die Teilabbildungen (I–L) aus dem JHMDB-Datensatz. Die Bilder veranschaulichen Variationen in Aktionsklassen, Blickwinkeln, Hintergründen, Beleuchtungsbedingungen und Bewegungskomplexität. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Das vorgeschlagene Aktionserkennungsmodell wurde anhand der Benchmark-Datensätze UCF11, UCF Sports und JHMDB evaluiert, wie in Tabelle 3 zusammengefasst. Diese Datensätze repräsentieren vielfältige Bewegungsmuster und herausfordernde Umgebungsbedingungen. Der UCF11-Datensatz (YouTube-Aktionen) enthält Sportaktionen aus 11 Klassen, die unter variierenden Lichtverhältnissen, Blickwinkeln und Hintergründen aufgenommen wurden. Der UCF Sports-Datensatz umfasst 150 Videos von Feldsportarten aus professionellen Übertragungen mit realistischen Bewegungsabläufen. Der JHMDB-Datensatz bietet detaillierte Annotationen menschlicher Bewegungen für 21 feingliedrige Aktionskategorien und dient als Referenzdatensatz für die räumlich-zeitliche Aktionserkennung. Gemeinsam wurden diese Datensätze verwendet, um die Modellleistung in Szenarien mit Sport- und Mensch-Aktionen zu bewerten. Das Netzwerk wurde mit dem Adam-Optimierer über 100 Epochen mit einer Batch-Größe von 32, einer anfänglichen Lernrate von 0,001 und einer Cross-Entropy-Verlustfunktion trainiert. Das Modell mit dem geringsten Validierungsverlust wurde für die finale Bewertung ausgewählt. Alle Experimente verwendeten einen festen Zufallsstartwert (random seed) von 42. Frühzeitiges Abbrechen (Early stopping) und Lernratenreduktion bei Plateaus wurden angewendet, um die Konvergenz zu verbessern, und Gradient-Clipping mit einem Schwellenwert von 5,0 wurde während des LSTM-Trainings eingesetzt, um explodierende Gradienten zu verhindern. Das vorgeschlagene MSCNN-LSTM-Modell enthielt etwa 15 Millionen trainierbare Parameter. Die Hardware- und Software-Konfiguration, die für die Implementierung verwendet wurde, ist in Tabelle 4 zusammengefasst. Da die Klassenverteilungen ausreichend ausgeglichen waren, wurden keine zusätzlichen Klassen-Gewichtungen oder Resampling-Verfahren angewendet. Vergleichsmodelle wurden mit den Hyperparametern aus den jeweiligen Originalstudien implementiert, wobei die Trainingsparameter soweit möglich harmonisiert wurden. Die Leistungswerte wurden als Mittelwert ± Standardabweichung aus fünf unabhängigen Durchläufen mit unterschiedlichen Zufallsinitialisierungen angegeben. Unterschiede zwischen dem vorgeschlagenen Modell und den Vergleichsmodellen wurden mittels gepaarter t-Tests an einem Signifikanzniveau von p < 0,05 bewertet.
| Datensatz | Anzahl der Klassen | Anzahl der Videos | Auflösung (px) | Quelle | Beschreibung |
| UCF11 (YouTube Actions) | 11 | 1168 | variabel (≈ 320×240) | University of Central Florida | Enthält 11 menschliche Aktionen aus Sportarten (z. B. Basketballwerfen, Tauchen, Golfschwung, Fußballjonglieren). Die Videos wurden von YouTube gesammelt und weisen eine hohe Variabilität bezüglich Beleuchtung, Blickwinkel und Hintergrund auf. |
| UCF Sports | 10 | 150 | 720×480 | UCF Sports Action Dataset | Enthält Sportaktivitäten wie Tauchen, Reiten, Golfschwung, Laufen und Gewichtheben, die aus echtem Fernsehübertragungsmaterial (BBC, ESPN) aufgezeichnet wurden. |
| JHMDB | 21 | 928 | 320×240 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme | Enthält alltägliche und sportliche Aktivitäten wie Fangen, Springen, Haarebürsten, Schießen und Laufen mit Gelenkannotationen zur Bewegungs- und Haltungsanalyse. |
Tabelle 3: Merkmale der Benchmark-Datensätze, die zum Training und zur Evaluierung verwendet wurden. Übersicht der Datensätze UCF11, UCF Sports und JHMDB, einschließlich der Anzahl von Aktionsklassen, Videobeispielen, Datensatzmerkmalen sowie deren Rolle beim Modelltraining, der Validierung und dem Testen.
| Verwendete Parameter | Beschreibung |
| Programmiersprache | Python 3.8.18 [4] |
| Tiefenlern-Framework | TensorFlow 2.15.0 [1] |
| GPU-Beschleuniger | NVIDIA GeForce RTX 3090 (24 GB VRAM) [1] |
| CPU | Intel Core i9 @ 3,5 GHz × 16 Kerne |
| Betriebssystem | Windows 11 |
| Arbeitsspeicher (RAM) | 64 GB DDR4 |
| Optimierer | Adam (Lernrate = 0,001) |
| Batch-Größe | 32 |
| Anzahl der Epochen | 100 |
| Aktivierungsfunktionen | ReLU (CNN-Schichten), Softmax (Ausgabeschicht) |
| Dropout-Rate | 0,5 |
Tabelle 4: Simulationsumgebung und Hyperparameter-Konfiguration des vorgeschlagenen MSCNN-LSTM-Modells. Hardware-Spezifikationen, Softwareumgebung, Optimierereinstellungen, Lernrate, Batch-Größe, Anzahl der Epochen, Eingabedimensionen und weitere Hyperparameter, die während des Modelltrainings und der -evaluierung verwendet wurden.
2. Vorverarbeitung
Vor dem Training wurde jedes Rohvideo in eine zeitlich geordnete Abfolge von Einzelbildern umgewandelt und anschließend normalisiert, zeitlich abgetastet und erweitert. Jedes Eingabevideo V wurde zunächst in eine Sequenz von Einzelbildern konvertiert und als 4D-Tensor V ∈ RT×H×W×C dargestellt, wobei T die Anzahl der Einzelbilder, H × W i den Index des Einzelbildes und C die Anzahl der Farbkanäle (3 für RGB) bezeichnet. Die Vorverarbeitungspipeline umfasste die Extraktion der Einzelbilder, eine räumliche Größenanpassung, gefolgt von zentralem oder zufälligem Ausschneiden auf eine feste Auflösung (H′, W′), die Normalisierung der Helligkeitswerte pro Pixel sowie eine optionale Datenerweiterung, einschließlich zufälligem Spiegeln, Skalieren und Farbmodulation, vor der Merkmalsextraktion. Konkret wurde die Intensitätsnormalisierung entweder als Standardisierung nach der Standardabweichung gemäß Gleichung (1) durchgeführt.
(1)
wobei μ, σ die Kanalmittelwerte und Standardabweichungen sind, berechnet über den Trainingsdatensatz, oder eine Min-Max-Normalisierung gemäß Gleichung (2).
(2)
Nach der Normalisierung wurde jeder Frame als F̃t ∈ RH′×W′×C′ dargestellt, und der resultierende Videotensor wurde als V′ ∈ RT×H′×W′×C repräsentiert. In einem mehrstufigen faltenden Frontend werden durch Anwendung mehrerer zweidimensionaler (bzw. dreidimensionaler bei frühen räumlich-zeitlichen Faltungen) Faltungen mit unterschiedlichen Kernelgrößen mehrere räumliche Merkmalskarten mit verschiedenen Empfangsfeldern erhalten; anschließend wurde eine zeitliche Merkmalsdarstellung für jeden Frame oder jeden kurzen Videoclip erzeugt und an das LSTM-Modul weitergeleitet. Die ursprüngliche Arbeit verwendet MobileNetV2 und anschließend Deep BiLSTM zur zeitlichen Modellierung; die oben beschriebene Vorverarbeitungspipeline ist vollständig kompatibel mit einem Ersatz durch mehrstufige Faltung plus LSTM.
3. Probenahme und zeitliche Normalisierung
Da sich die Videolängen T zwischen und innerhalb von Datensätzen unterscheiden, nehmen wir eine gleichmäßige Stichprobe oder eine zeitliche Neubewertung der Bilder vor, um der Multiskalen-Faltung + LSTM eine feste Eingabelänge N in Form von Bildern oder kurzen Ausschnitten zu liefern. Die gleichmäßigen Bildindizes können gemäß Gleichung (3) berechnet werden,
(3)
Die abgetastete Bildsequenz ist daher Vs = {F̃t0, …, F̃tN−1}. Wenn eine höhere zeitliche Auflösung erforderlich ist, führen wir eine lineare zeitliche Interpolation durch: für jede neu abgetastete Bruchzeit τ ∈ [0, T−1], berechnet gemäß Gleichung (4).
(4)
sodass die neu abgetastete Sequenz Vs genau N Bilder enthält und eine gleichmäßige Bewegung beibehält. Alternativ liefert die Abtastung in kurzen zusammenhängenden Ausschnitten (zeitliches Fenster der Länge w mit Schrittweite s) eine Menge von Clip-Tensoren, wobei jeder Clip Cj ∈ RT×H′×W′×C und j = 0, …, ⌊(T − w)/s⌋ ist. Zur zeitlichen Normalisierung innerhalb des Netzwerks erweist sich eine einfache zeitliche Pooling-Operation auf mehreren Skalen als wirksam: Gegeben eine zeitliche Merkmalssequenz X = {x1, …, xN}, die durch faltungsbasierte Operationen auf mehreren Skalen erzeugt wurde, werden gepoolte Merkmale gemäß Gleichung (5) angewendet.
(5)
wobei Sk die zeitliche Unterstützung für die Skala k ist (z. B. können Sk nicht überlappende Blöcke oder dilatierte Indizes sein) und mk = |Sk|.
Vor der Merkmalsextraktion wurden alle Videos auf 224 × 224 Pixel skaliert und mit 25 Bildern pro Sekunde abgetastet. Jedes Experiment verwendete eine konstante Sequenzlänge von 32 Bildern. Zur Datenvermehrung gehörten zufälliges Zuschneiden (Skalierung = 0,8–1,0), zufällige Drehung (±15°), zufällige horizontale Spiegelung (Wahrscheinlichkeit = 0,5) sowie Helligkeitsanpassung (±20 %). Zur Standardisierung der Pixeldaten wurden die mittleren Werte und Standardabweichungen aus ImageNet [0,485, 0,456, 0,406] bzw. [0,229, 0,224, 0,225] verwendet. Für jede Videosequenz erfolgte die zeitliche Abtastung durch gleichmäßige Auswahl der Bilder. Längere Aufnahmen wurden gleichmäßig beschnitten oder abgetastet, um eine einheitliche Sequenzlänge beizubehalten, während Videos mit weniger als 32 Bildern durch Nullen aufgefüllt wurden. Diese Einstellungen wurden während des gesamten Trainings und der Bewertung konsequent angewendet.
4. Merkmalsextraktion mithilfe von MSCNN
Ein mehrskaliges faltendes neuronales Netzwerk (MSCNN) wurde eingesetzt, um die räumliche Darstellung von Aktionen in Sportvideos zu verbessern. Konventionelle faltende neuronale Netzwerke, die auf einer einzelnen Kernelgröße basieren, können in ihrer Fähigkeit, Merkmale auf mehreren räumlichen Skalen zu erfassen, begrenzt sein. Da einige Sportaktionen ähnliche visuelle Eigenschaften aufweisen, kann es für eine ein skalige faltende Architektur schwierig sein, sowohl lokale als auch globale Merkmale gleichzeitig zu erfassen. Um diese Einschränkung zu überwinden, nutzt das vorgeschlagene Framework Faltungskerne unterschiedlicher Größen, um eine mehrskalige Merkmalsextraktion und Merkmalsfusion durchzuführen.
In der vorgeschlagenen Netzwerkarchitektur wurden 1 × 1 Faltungskerne verwendet, um die Informationen über die Kanäle hinweg zu organisieren und die Dimensionalität der Eingangs-Funktionskarten zu reduzieren. Darüber hinaus erhöhen diese Schichten die Ausdrucksfähigkeit des Netzwerks, indem sie zusätzliche Merkmalsumwandlungen und nichtlineare Darstellungen einbringen. Faltungskerne unterschiedlicher Größe ermöglichen die Extraktion räumlicher Informationen auf mehreren Skalen. Nach der gewichteten Fusion mehrskaliger Merkmale erfolgt eine sequenzielle Normalisierung, um die Stabilität des Trainings zu verbessern. Um das Verschwinden und die Explosion von Gradienten während des Trainings tiefer Netzwerke zu verringern, verwendet die vorgeschlagene Architektur Residualverbindungen und eine auf LSTM basierende zeitliche Modellierung.
Das multiscale Design verbessert die Fähigkeit des Netzwerks, Merkmale auf unterschiedlichen räumlichen Auflösungen zu erfassen, und steigert die Leistungsfähigkeit der Merkmalsrepräsentation. Darüber hinaus wird der herkömmliche N × N-Faltungskern in N × 1- und 1 × N-Faltungsoperationen zerlegt. Die in dem MSCNN-Modul verwendeten N × 1- und 1 × N-Faltungen sind darauf ausgelegt, komplementäre, richtungsabhängige und multiscale räumliche Merkmale aus einzelnen Videobildern zu erfassen. Diese Faltungsoperationen verbessern die räumliche Merkmalsrepräsentation, indem sie Muster auf unterschiedlichen Skalen des Rezeptivfeldes extrahieren. Anschließend werden die zeitlichen Beziehungen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern durch das LSTM-Modul modelliert, das die Sequenz der von MSCNN extrahierten Merkmale verarbeitet, um langfristige zeitliche Abhängigkeiten für die Erkennung von Aktionen zu lernen.
Jedes Sportvideo V = {F1, F2, …, FT} wird in T Einzelbilder zerlegt. Um räumliche Variationen wie Spielerpose, Bewegungsunschärfe oder Ballflugbahn zu kodieren, arbeiten faltende Zweige in drei unterschiedlichen Skalen s ∈ {1, 2, 3}, die Kernelgrößen von 3 × 3, 5 × 5 bzw. 7 × 7 entsprechen. Jeder Zweig extrahiert Merkmalskarten gemäß Gleichung (6):
(6)
Dabei sind Ws und bs die Faltungsgewichte und -biases auf der Skala s und σ die ReLU-Aktivierung. Die Multiskalen-Fusionsschicht aggregiert Merkmale wie in Gleichung (7) dargestellt:
(7)
Dieser fusionierte Merkmals-Tensor enthält sowohl feinkörnige Bewegungshinweise als auch kontextuelle Informationen aus größeren Bereichen, wie beispielsweise Gruppenaktivitäten. Abbildung 3 veranschaulicht ausschließlich das MSCNN-Modul zur Merkmalsextraktion. Die für die zeitliche Modellierung und Klassifizierung verwendeten Komponenten – die LSTM-Schicht (256 versteckte Einheiten), die dichte Schicht (128 Neuronen) und die Dropout-Schicht (0,5) – sind separat in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 3: Vorgeschlagenes Modul zur Merkmalsextraktion mittels mehrskaligem Faltungsneuronalen Netzwerk (MSCNN). Drei parallele faltende Zweige mit Kernelgrößen von 3 × 3, 5 × 5 und 7 × 7 extrahieren komplementäre räumliche Merkmale auf mehreren Skalen, die vor der zeitlichen Modellierung durch das LSTM-Netzwerk zusammengeführt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 4: Vorgeschlagene LSTM-Architektur zur Erkennung von Aktionen in Sportvideos. Das LSTM-Modul modelliert zeitliche Abhängigkeiten durch Eingabe-, Vergessen- und Ausgabegate-Operationen über aufeinanderfolgende Videoframes hinweg. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 3 veranschaulicht das vorgeschlagene mehrskalige faltende neuronale Netz (MSCNN) als Merkmalsextraktionsmodul zur Erkennung von Aktionen in Sportvideos. Eingabebildern von Videos wurden parallel über drei faltende Verzweigungen mit Kernelgrößen von 3 × 3, 5 × 5 und 7 × 7 verarbeitet, wobei jede 64 Filter enthielt, um komplementäre fein- und grobgranulare räumliche Merkmale zu erfassen. Die Ausgaben wurden mittels Batch-Normalisierung, ReLU-Aktivierung und 2 × 2 Max-Pooling verfeinert, anschließend konkateniert und durch eine 1 × 1 Faltung mit 128 Filtern fusioniert. Eine residuale Skip-Verbindung bewahrte räumliche Informationen niedriger Stufe und verbesserte den Gradientenfluss. Die fusionierten Merkmalskarten wurden abgeflacht und an eine LSTM-Schicht mit 256 versteckten Einheiten zur zeitlichen Modellierung weitergeleitet, gefolgt von einer vollvernetzten Schicht mit 128 Neuronen, ReLU-Aktivierung und einer Dropout-Rate von 0,5, bevor die finale Klassifizierung mittels einer Softmax-Schicht erfolgte. Die mehrskaligen Merkmalskarten (f1l, f2l und f3l) wurden konkateniert, um die fusionierte Repräsentation (Fl) zu bilden, die anschließend durch eine 3 × 3 Faltung weiter verfeinert wurde, um die Ausgabe-Merkmalskarte für die nachfolgende Schicht zu generieren. Diese hierarchische Architektur ermöglichte das Erlernen komplementärer räumlicher Merkmale in mehreren Empfangsfeldern und verbesserte somit die Leistung bei der Erkennung von Sportaktionen.
5. Zeitliches Modellieren mithilfe von LSTM
Um die zeitbasierte Entwicklung entlang der Videokanten zu modellieren, wurde die aggregierte Merkmalssequenz dem LSTM-System übergeben, um dynamische Abhängigkeiten und die Kontinuität der Bewegung zu erfassen. Für jedes Eingabevideo extrahierten wir zunächst mehrskalige CNN-Merkmale pro Einzelbild. Seien die Videobilder I1, …, IT. Für jedes Einzelbild t und jede Skala s erzeugt der mehrskalige faltende Encoder einen Merkmalsvektor ft(s) ∈ Rd. Anschließend werden die Skalen durch Projektion + Verkettung oder gewichtete Summe gemäß Gleichung (8) zu einem einzigen Bildbeschreiber zusammengeführt:
(8)
Dann wird die Sequenz {xt}tT=1 in ein LSTM eingespeist, um die zeitliche Dynamik zu modellieren. In der üblichen LSTM-Notation lauten die Gatter und Zustände zum Zeitpunkt t gemäß Gleichung (9) bis (13):
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
Hierbei ist σ die sigmoide Aktivierung, ⊙ die elementweise Multiplikation. Obwohl bidirektionale LSTM-Architekturen verwendet werden können, um sowohl zeitliche Kontexte aus der Vergangenheit als auch aus der Zukunft zu erfassen, setzt der vorgeschlagene Ansatz ein Standard-LSTM ein, um zeitliche Abhängigkeiten über aufeinanderfolgende Videobilder zu modellieren. Diese Designentscheidung steht im Einklang mit der in dieser Studie vorgestellten MSCNN-LSTM-Architektur. Nach der Verarbeitung des Ausschnitts wurde eine Clip-Repräsentation gewonnen (z. B. letzter verborgener Zustand oder zeitliches Pooling): z = Poolt(vt).
Abbildung 4 veranschaulicht den Arbeitsablauf der vorgeschlagenen LSTM-Architektur zur Erkennung sportlicher Aktionen. Das Netzwerk erhielt eine Sequenz von Videobildern oder von einem CNN extrahierten Merkmalen und verarbeitete diese über aufeinanderfolgende Zeitschritte (t−2, t−1 und t). Jede LSTM-Zelle bestand aus einem Eingangstor, einem Vergesstor und einem Ausgangstor, die den Informationsfluss durch das Netzwerk regulierten. Das Eingangstor integrierte neue Informationen in den Zellzustand, das Vergesstor verwarf irrelevante zeitliche Informationen, und das Ausgangstor erzeugte den versteckten Zustand, der an den nächsten Zeitschritt weitergeleitet wurde. Der Zellzustand bewahrte langfristige zeitliche Abhängigkeiten, während der versteckte Zustand kurzfristige zeitliche Informationen erfasste. Nach der sequenziellen Verarbeitung wurden die LSTM-Ausgaben zusammengefasst, um eine zeitliche Merkmalsdarstellung zu erzeugen, die an eine voll verbundene Schicht und einen Softmax-Klassifikator weitergeleitet wurde, um die entsprechende sportliche Aktion vorherzusagen. Das Netzwerk wurde mithilfe des Adam-Optimierers über 100 Epochen mit einer Batch-Größe von 32, einer anfänglichen Lernrate von 0,001 und einer Kreuzentropie-Verlustfunktion trainiert. Das Modell mit dem geringsten Validierungsverlust wurde für die endgültige Bewertung ausgewählt. Um Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, wurden alle Experimente mit einem festen Zufallsstartwert von 42 durchgeführt. Frühzeitiges Stoppen und Lernratenreduzierung bei Plateaus wurden eingesetzt, um die Konvergenz zu verbessern, und Gradient-Clipping mit einem Schwellenwert von 5,0 wurde während des LSTM-Trainings angewendet, um explodierende Gradienten zu verhindern. Das vorgeschlagene MSCNN-LSTM-Modell enthielt etwa 15 Millionen trainierbare Parameter.
Die endgültigen Klassenscores und Wahrscheinlichkeiten verwenden eine lineare Schicht + Softmax gemäß Gleichung (14):
(14)
Trainieren Sie durch Minimierung des Cross-Entropy-Verlusts über die beschrifteten Clips gemäß Gleichung (15):
(15)
wobei Nb die Batch-Größe, C die Anzahl der Klassen und y(n) die One-Hot-Ground-Truth bezeichnet. Zur Stabilisierung bei langen Bewegungsabläufen wird Regularisierung (Dropout bei xt/LSTM-Ausgaben, Weight Decay) sowie Gradient-Clipping angewendet.