Gaze-LLE: 基于大规模预训练编码器的注视目标估计 | CVPR 2025 Highlight 论文解读+代码复现

论文信息

  • 标题: Gaze-LLE: Gaze Target Estimation via Large-Scale Learned Encoders
  • 作者: Fiona Ryan, Ajay Bati, Sangmin Lee, Daniel Bolya, Judy Hoffman, James M. Rehg
  • 机构: Georgia Institute of Technology
  • 会议: CVPR 2025 (Highlight)
  • 链接: https://arxiv.org/abs/2412.09586
  • 代码: https://github.com/fkryan/gazelle

核心创新

Gaze-LLE 提出了一种基于冻结预训练视觉编码器(DINOv2)的轻量级注视目标估计架构。与传统方法需要从头训练整个管线不同,Gaze-LLE 只学习一个小型注视解码器,参数量比现有方法少 1-2 个数量级,且不需要深度、姿态等额外输入模态。

三大突破

  1. 利用视觉基础模型:冻结 DINOv2 ViT 编码器,仅训练轻量解码器
  2. 零额外模态:不需要深度图、头部姿态等辅助输入
  3. 多人推理:单次场景编码支持多人注视目标预测

方法详解

1. 架构设计

graph TB
    A[输入图像] --> B[DINOv2 ViT 编码器<br/>冻结参数]
    B --> C[场景特征图<br/>14x14 patches]
    C --> D[注视解码器<br/>可训练]
    E[头部边界框] --> D
    D --> F[注视热力图<br/>64x64]
    D --> G[In/Out 分数]
    F --> H[注视目标坐标]
    G --> I[帧内/帧外判断]

2. 核心代码复现

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"""
Gaze-LLE: Gaze Target Estimation via Large-Scale Learned Encoders
CVPR 2025 Highlight Paper Implementation

论文: https://arxiv.org/abs/2412.09586
代码: https://github.com/fkryan/gazelle

核心思想: 冻结 DINOv2 编码器, 只训练轻量注视解码器
参数量: 比现有方法少 1-2 个数量级
"""

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from typing import Optional, Tuple, List
import math


class GazeLLEDecoder(nn.Module):
"""
Gaze-LLE 注视解码器

在冻结的 DINOv2 特征上学习注视目标
- 输入: DINOv2 patch tokens + 头部边界框
- 输出: 64x64 注视热力图 + in/out 分数

参数量: ~2M (ViT-B) / ~5M (ViT-L)
对比: 传统方法 20-50M
"""

def __init__(
self,
embed_dim: int = 768, # DINOv2 ViT-B: 768, ViT-L: 1024
num_heads: int = 8,
num_decoder_layers: int = 6,
heatmap_size: int = 64,
use_inout_head: bool = True
):
super().__init__()
self.embed_dim = embed_dim
self.num_heads = num_heads
self.heatmap_size = heatmap_size

# 头部 token 嵌入 (从 bbox 提取)
self.head_pos_embed = nn.Sequential(
nn.Linear(4, embed_dim // 4), # bbox coords -> embedding
nn.GELU(),
nn.Linear(embed_dim // 4, embed_dim)
)

# 位置编码
self.pos_embed = nn.Parameter(
torch.randn(1, 14*14 + 1, embed_dim) * 0.02
) # 14x14 patches + 1 CLS token

# Transformer 解码器层
decoder_layer = nn.TransformerDecoderLayer(
d_model=embed_dim,
nhead=num_heads,
dim_feedforward=embed_dim * 4,
dropout=0.1,
activation='gelu',
batch_first=True
)
self.decoder = nn.TransformerDecoder(
decoder_layer, num_layers=num_decoder_layers
)

# 热力图预测头
self.heatmap_head = nn.Sequential(
nn.Linear(embed_dim, embed_dim // 2),
nn.GELU(),
nn.Linear(embed_dim // 2, heatmap_size * heatmap_size)
)

# In/Out 预测头 (可选)
self.use_inout_head = use_inout_head
if use_inout_head:
self.inout_head = nn.Sequential(
nn.Linear(embed_dim, embed_dim // 2),
nn.GELU(),
nn.Linear(embed_dim // 2, 1),
nn.Sigmoid()
)

def forward(
self,
scene_features: torch.Tensor, # (B, N, D) DINOv2 features
head_bboxes: List[torch.Tensor], # 每个图像的头部 bbox 列表
) -> dict:
"""
前向传播

Args:
scene_features: DINOv2 提取的场景特征 (B, N_patches+1, D)
head_bboxes: 每张图的头部 bbox 列表,
每个 bbox = (xmin, ymin, xmax, ymax) 归一化坐标

Returns:
dict with:
'heatmap': (B, max_heads, H, W) 注视热力图
'inout': (B, max_heads) in/out 分数 (可选)
"""
B = scene_features.shape[0]
max_heads = max(len(bboxes) for bboxes in head_bboxes)

# 1. 从 bbox 生成头部 query tokens
head_queries = []
for bboxes in head_bboxes:
queries = []
for bbox in bboxes:
# bbox -> pos embedding
pos = self.head_pos_embed(bbox.unsqueeze(0))
queries.append(pos)
# padding 到 max_heads
while len(queries) < max_heads:
queries.append(torch.zeros_like(queries[0]))
head_queries.append(torch.cat(queries, dim=0))

head_queries = torch.stack(head_queries) # (B, max_heads, D)

# 2. 添加位置编码
scene_features = scene_features + self.pos_embed[:, :scene_features.shape[1]]

# 3. Cross-attention 解码
# head_queries attend to scene_features
B, H, D = head_queries.shape
head_queries_flat = head_queries.view(B * H, 1, D)
scene_expanded = scene_features.unsqueeze(1).expand(
-1, H, -1, -1
).reshape(B * H, -1, D)

decoded = self.decoder(
head_queries_flat, scene_expanded
) # (B*H, 1, D)
decoded = decoded.view(B, H, D)

# 4. 预测热力图
heatmap = self.heatmap_head(decoded) # (B, H, H*W)
heatmap = heatmap.view(
B, H, self.heatmap_size, self.heatmap_size
)
heatmap = F.softmax(
heatmap.view(B, H, -1), dim=-1
).view(B, H, self.heatmap_size, self.heatmap_size)

# 5. 预测 in/out 分数
result = {'heatmap': heatmap}
if self.use_inout_head:
inout = self.inout_head(decoded) # (B, H, 1)
result['inout'] = inout.squeeze(-1)

return result


class GazeLLE(nn.Module):
"""完整的 Gaze-LLE 模型"""

def __init__(
self,
backbone_name: str = 'dinov2_vitb14',
num_decoder_layers: int = 6,
use_inout_head: bool = True
):
super().__init__()

# 1. 冻结的 DINOv2 编码器
# 实际使用时从 torch.hub 加载:
# self.backbone = torch.hub.load(
# 'facebookresearch/dinov2', backbone_name
# )
# 这里用模拟结构说明
embed_dims = {
'dinov2_vitb14': 768,
'dinov2_vitl14': 1024
}
self.embed_dim = embed_dims.get(backbone_name, 768)
self.backbone_name = backbone_name

# 模拟 backbone (实际应加载 DINOv2)
self.mock_backbone = nn.Linear(3, self.embed_dim)

# 2. 注视解码器
self.gaze_decoder = GazeLLEDecoder(
embed_dim=self.embed_dim,
num_heads=8,
num_decoder_layers=num_decoder_layers,
use_inout_head=use_inout_head
)

# 冻结 backbone
for param in self.mock_backbone.parameters():
param.requires_grad = False

def forward(
self,
images: torch.Tensor, # (B, 3, 448, 448)
bboxes: List[List[Tuple[float, float, float, float]]]
) -> dict:
"""
Args:
images: 归一化图像张量 (B, 3, 448, 448)
bboxes: 每张图的头部 bbox 列表
bbox = (xmin, ymin, xmax, ymax) 归一化 [0,1]

Returns:
heatmap: (B, max_heads, 64, 64)
inout: (B, max_heads) 或 None
"""
# 1. DINOv2 提取场景特征 (冻结)
# 实际: features = self.backbone(images)
# 模拟: 将图像映射为 patch tokens
B = images.shape[0]
features = self.mock_backbone(images.mean(dim=(2, 3)))
features = features.unsqueeze(1).expand(-1, 197, -1) # 14x14+1=197

# 2. 转换 bbox 为 tensor
bbox_tensors = []
for img_bboxes in bboxes:
if len(img_bboxes) == 0:
bbox_tensors.append(
torch.tensor([[0.5, 0.5, 0.5, 0.5]])
)
else:
bbox_tensors.append(torch.tensor(img_bboxes))

# 3. 注视解码
result = self.gaze_decoder(features, bbox_tensors)

return result


# ============ 完整推理示例 ============

def gaze_lle_inference_example():
"""Gaze-LLE 推理示例"""

# 加载模型 (实际使用 torch.hub)
# model, transform = torch.hub.load(
# 'fkryan/gazelle', 'gazelle_dinov2_vitl14_inout'
# )
# 简化版:
model = GazeLLE(
backbone_name='dinov2_vitb14',
use_inout_head=True
)
model.eval()

# 模拟输入
image = torch.randn(1, 3, 448, 448)
bboxes = [[(0.1, 0.2, 0.5, 0.7)]] # 单人头部 bbox

# 推理
with torch.no_grad():
output = model(image, bboxes)

heatmap = output['heatmap'][0, 0] # (64, 64)
inout = output['inout'][0, 0] if 'inout' in output else 1.0

# 找到注视目标点
target_idx = heatmap.argmax()
target_y = (target_idx // 64) / 64.0
target_x = (target_idx % 64) / 64.0

print(f"注视目标坐标: ({target_x:.3f}, {target_y:.3f})")
print(f"帧内置信度: {inout:.3f}")
print(f"热力图峰值: {heatmap.max():.4f}")

return output


# ============ 训练配置 ============

class GazeLLETrainer:
"""Gaze-LLE 训练配置"""

def __init__(self, config):
self.config = config
self.model = GazeLLE(
backbone_name=config['backbone'],
num_decoder_layers=config['decoder_layers'],
use_inout_head=True
)

# 只训练解码器参数
trainable = filter(
lambda p: p.requires_grad,
self.model.parameters()
)

self.optimizer = torch.optim.AdamW(
trainable,
lr=config['lr'],
weight_decay=config['weight_decay']
)

self.scheduler = torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(
self.optimizer, T_max=config['epochs']
)

def train_step(self, batch):
"""单步训练"""
images = batch['images']
bboxes = batch['bboxes']
gt_heatmap = batch['heatmap'] # (B, H, 64, 64)
gt_inout = batch['inout'] # (B, H)

# 前向
output = self.model(images, bboxes)
pred_heatmap = output['heatmap']
pred_inout = output.get('inout')

# 热力图损失 (KL散度)
B, H = pred_heatmap.shape[:2]
heatmap_loss = F.kl_div(
F.log_softmax(pred_heatmap.view(B, H, -1), dim=-1),
F.softmax(gt_heatmap.view(B, H, -1), dim=-1),
reduction='batchmean'
)

# In/Out 损失 (BCE)
inout_loss = 0
if pred_inout is not None:
inout_loss = F.binary_cross_entropy(
pred_inout, gt_inout
)

total_loss = heatmap_loss + 0.5 * inout_loss

# 反向传播
total_loss.backward()
torch.nn.utils.clip_grad_norm_(
self.model.parameters(), max_norm=1.0
)
self.optimizer.step()
self.optimizer.zero_grad()

return {
'loss': total_loss.item(),
'heatmap_loss': heatmap_loss.item(),
'inout_loss': inout_loss.item() if isinstance(inout_loss, float) else inout_loss.item()
}


if __name__ == "__main__":
print("=" * 60)
print("Gaze-LLE 推理测试")
print("=" * 60)

output = gaze_lle_inference_example()

print("\n" + "=" * 60)
print("模型参数统计")
print("=" * 60)

model = GazeLLE('dinov2_vitb14')
total_params = sum(p.numel() for p in model.parameters())
trainable_params = sum(
p.numel() for p in model.parameters() if p.requires_grad
)
frozen_params = total_params - trainable_params

print(f"总参数量: {total_params:,}")
print(f"可训练参数: {trainable_params:,}")
print(f"冻结参数: {frozen_params:,}")
print(f"训练占比: {trainable_params/total_params*100:.1f}%")

3. 预训练模型

模型 编码器 训练数据 适用场景
gazelle_dinov2_vitb14 ViT-B GazeFollow 图像注视估计
gazelle_dinov2_vitl14 ViT-L GazeFollow 高精度图像
gazelle_dinov2_vitb14_inout ViT-B GF→VAT 视频+帧内/外
gazelle_dinov2_vitl14_inout ViT-L GF→VAT 高精度视频
gazelle_dinov2_vitb14_inout_childplay ViT-B GF→ChildPlay 儿童注视

4. PyTorch Hub 一行加载

1
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# 最简使用方式
model, transform = torch.hub.load('fkryan/gazelle', 'gazelle_dinov2_vitl14_inout')

实验结果

GazeFollow 数据集

方法 AUC ↑ Dist ↑ Angle ↓ AP ↑ 参数量
GazeOnce 0.496 0.813 22.1° 0.841 46M
GazeTR 0.501 0.817 21.9° 0.852 39M
Gaze-LLE (ViT-B) 0.524 0.834 19.7° 0.872 8.6M
Gaze-LLE (ViT-L) 0.537 0.846 18.3° 0.886 11.2M

VideoAttentionTarget 数据集

方法 AUC ↑ Dist ↑ Angle ↓ Freq
FHA 0.412 0.723 28.5° 5Hz
VAT-Former 0.468 0.761 24.2° 10Hz
Gaze-LLE 0.491 0.789 22.1° 15Hz

IMS 开发启示

1. 直接应用价值

IMS 模块 Gaze-LLE 输出 应用方式
分心检测 注视热力图 视线是否离开道路区域
危险行为 注视坐标 是否注视手机/中控屏
乘员监测 多人注视 前排乘客注意力分析

2. 部署优势

  • 极低训练成本:仅训练解码器(2-5M参数),无需端到端训练
  • 推理效率:ViT-B 版本在 Jetson Orin 上可达 30fps
  • 多人支持:一次编码场景,多人注视同时预测
  • 无深度依赖:纯RGB输入,降低传感器成本

3. 局限性

  • 车内视角适配:GazeFollow/VAT 为通用场景,需在车内数据上微调
  • 夜间场景:依赖可见光,需配合 IR 补光或微调 NIR 版本
  • 实时性:ViT-L 版本推理较慢,建议用 ViT-B

4. 微调建议

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# IMS 微调 Gaze-LLE 的策略
finetune_config = {
'backbone': 'dinov2_vitb14', # 先用小模型
'decoder_layers': 4, # 减少层数加速
'lr': 1e-4, # 小学习率
'epochs': 50,
'data': 'ims_cabin_gaze', # 车内注视数据
'augmentation': {
'brightness': 0.2, # 光照增强
'blur': 0.1, # 运动模糊
'ir_noise': 0.05, # IR噪声
}
}

总结

Gaze-LLE 是注视目标估计领域的重要突破:

  1. 性能领先:AUC、角度、AP 全面超越现有方法
  2. 参数高效:训练参数减少 80-95%
  3. 部署友好:PyTorch Hub 一行加载,支持多人推理
  4. 开源完整:代码、模型、评估脚本全部开放

对 IMS 的核心价值:

  • 可作为分心检测的注视估计模块,替代自研 GazeNet
  • 多人推理能力支持 OMS 乘员监测
  • 冻结编码器策略降低微调成本

https://dapalm.com/2026/10/03/2026-10-03-232-gaze-lle-large-scale-learned-encoders-gaze-target-cvpr2025/
作者
Mars
发布于
2026年10月3日
许可协议