Understanding motion in video is a fundamental challenge for visual learning, as frame-to-frame change entangles two sources of dynamics: camera motion and object motion. This decomposition has remained underexplored in representation learning, partly because these factors are tightly coupled in natural videos and difficult to supervise separately. Yet recovering it is important for learning robust motion representations that separate meaningful object dynamics from camera-induced variation. We study whether such structured motion representations can be recovered from frozen features of a pretrained image vision transformer. We propose the Structured Dynamics Model (SDM), which explicitly separates the dominant source of temporal change from residual dynamics through future-feature prediction, rather than representing video change with a single entangled latent or with unstructured, spatially dense transition tokens. Training combines self-supervised learning on real video with weak supervision of scene dynamics on synthetic Kubric data. We evaluate SDM on ProbeMotion, a new evaluation suite spanning synthetic and real videos with camera motion, object motion, and combined dynamics. SDM outperforms backbone baselines using global CLS or average-pooled features, and compares favorably to strongly supervised representations such as VGGT on several probes, despite using substantially weaker supervision. These results suggest that pretrained image models can be readily repurposed into structured video-dynamics representations, providing a useful inductive bias for learning and analyzing latent video dynamics.
한 줄 요약
SDM은 동결된 이미지 백본 위에 구축된 구조화된 동영상 역학 모델로, 미래 특징 예측을 통해 카메라 운동과 객체 운동을 분리한다.
핵심 기여도
- 구조화된 운동 표현(SDM)을 동결된 이미지 백본 위에 구축하여 학습.
- 미래 특징 예측을 통해 주요 운동과 잔여 운동을 분리.
- Kubric 데이터와 실세계 영상 데이터를 결합한 약한 감독 학습을 사용.
- ProbeMotion 평가 스위트에서 VGGT와 유사한 성능을 약한 감독으로 달성.
핵심 아이디어
기존의 동영상 모델은 카메라 운동과 객체 운동을 혼합한 단일 잠재 변수로 표현하지만, 이는 해석 가능성과 정확도를 저하시킨다. SDM은 미래 특징 예측을 통해 이 두 운동 요소를 분리하는 구조화된 잠재 표현을 학습한다. 구체적으로, SDM은 주요 운동(token p)과 잔여 운동(token r)을 분리하여, 각각이 영상의 주요 변화 원인을 반영하도록 설계되었다. 이는 DINOv2/3와 같은 동결된 이미지 백본 위에서 학습되며, Kubric 데이터의 약한 감독과 실세계 비감독 데이터를 결합하여 학습한다.
기술적 접근법
- **모델 구조**: SDM은 동결된 이미지 백본 위에 구축된 간단한 아키텍처.
- **학습 방법**: 미래 특징 예측을 통해 주요/잔여 운동을 분리.
- **데이터**: Kubric(약한 감독), 실세계 영상(비감독).
- **하이퍼파라미터**: 정규화 계수 λ<sub>reg</sub> = 0.5 사용.
- **특징 추출**: 중간층 특징 활용이 최종층보다 성능 향상.
- **비교 대상**: CLS, AVG-pooled 특징 기반 baseline과 VGGT.
주요 결과
- Kubric 데이터셋에서 T=4일 때 카메라 운동 MSE 0.16, 객체 운동 MSE 0.19 달성.
- SSv2-110k 데이터셋에서 T=7일 때 정확도 23.1% (T=2 대비 +6.4%).
- ProbeMotion 평가에서 7개 벤치마크 중 3개에서 VGGT를 초과.
- AVG-pooled 기반 baseline 대비 모든 데이터셋에서 상위 성능.
의의 및 한계
SDM은 강한 감독 없이도 구조화된 운동 표현을 학습할 수 있음을 보여주며, 이미지 백본을 동영상 역학 분석에 재사용할 수 있음을 제시한다. 특히, 잔여 보상(residual compensation)은 다양한 영상 분석 작업에서 유용한 인덕티브 바이어스로 작용한다. 그러나 복잡한 운동 패턴이 있는 데이터셋에서는 성능 향상이 단조롭지 않으며, 주요/잔여 토큰의 해석 가능성은 일부 데이터셋에서 변동이 있다. 또한, SDM은 약한 감독과 비감독 데이터만으로 학습되므로, 강한 감독 모델과 비교할 때 일부 작업에서 한계가 있을 수 있다.
실용적 활용
SDM은 3D 비전, 영상 분석, 자율 주행 시스템 등에서 카메라 운동과 객체 운동을 분리하여 더 해석 가능한 운동 표현을 제공할 수 있다. 특히, 라벨이 부족한 환경에서 약한 감독과 비감독 데이터를 활용한 모델 개발에 활용 가능하다.