# Spatial-BEATs 简化版实现文档

## 1. 文档目的

本文档给出当前推荐的 `Spatial-BEATs` 简化版实现方案。

这份方案基于一个更务实的判断：

- 真正重要的是让 `FOA -> BEATs trunk` 学到稳定的空间表征
- 后面的模块只需要承担 `readout / decode / supervision` 的作用
- 不需要一开始就引入复杂的 `slot query decoder`
- 最终给 LLM 的 token 应尽量来自前面的空间 embedding，而不是最终任务头输出
- 当前阶段需要先支持 `encoder-only training`

因此，本方案不再以“内部 4 个 slots + decoder 聚合”作为主线，而改为：

```text
FOA waveform
  -> Spatial preprocessor
  -> Multi-channel patch embedding
  -> BEATs trunk
  -> Temporal readout
  -> Spatial embeddings at 2.5 Hz
  -> Fixed-slot prediction heads
  -> Projector
  -> LLM spatial tokens
```

## 2. 当前确定的约束

- 采样率：`16 kHz`
- 输入：`FOA waveform`
- 多源数据：有
- 最大同时源数：约 `4`
- 每个源有稳定 `source-level class label`
- source vocabulary：`/apdcephfs_cq12/share_302080740/user/schmittzhu/data/fsd50k/FSD50K.ground_truth/final_vocabulary.csv`
- source class count：当前默认 `65`
- 距离预测：`连续回归`
- mel 前端参数：对齐 `Qwen-2.5-Omni` audio tower 的底层配置
  - `sample_rate=16000`
  - `num_mel_bins=128`
  - `n_fft=400`
  - `win_length=400`
  - `hop_length=160`
  - `dither=0.0`
- 时间 supervision：`弱时间窗口`
- 当前位置：`clip 内固定`
- 未来会扩展到：`位置随时间变化`
- 目标输出 token rate：`2.5 Hz`
- 对于任意 clip，第 `i` 个样本的有效 token 数是 `T_s_i = round(duration_i * 2.5)`
- 对于 `10 s` clip，`T_s_i = 25`
- batch 内部按 `T_s_max = max_i T_s_i` 做 padding
- 主干初始化：`BEATs_iter3+ AS2M pre-trained`
- 当前第一阶段：优先支持只训练 encoder 的监督方案

## 3. 方案核心思想

### 3.1 什么是主角

主角是：

- `BEATs trunk`

它负责从 FOA 空间特征中学习空间表征。

### 3.2 什么是配角

配角是：

- temporal readout
- prediction heads
- projector

这些模块的作用只是：

- 从 trunk 特征中“读出”空间信息
- 建立 loss 回传路径
- 把空间 embedding 投影到 LLM 接口

### 3.3 给 LLM 的 token 从哪里来

最终给 LLM 的 token 应该来自：

- trunk 后
- 或 trunk 后再经过一层很浅的 temporal readout 之后

而不是来自：

- 最终 logits
- 复杂 decoder 的末端输出

## 4. 最终结构总览

```text
FOA waveform [B, 4, T]
  -> SpatialBEATsPreprocessor
  -> FOA feature map [B, C_foa, T_f, F]
  -> SpatialPatchEmbedding
  -> patch tokens [B, N_p, D_in]
  -> BEATs trunk
  -> encoder memory [B, N_p, D]
  -> reshape / frequency pooling
  -> temporal tokens [B, T_s_max, D]
  -> shallow temporal readout
  -> spatial embeddings [B, T_s_max, D]
  -> prediction heads
  -> Spatial projector
  -> llm spatial tokens [B, T_s_max, d_llm]
```

其中：

- 每个样本：
  - `T_s_i = round(duration_i * 2.5)`
- 一个 batch 内：
  - `T_s_max = max_i T_s_i`
- 对 `10 s` 输入：
  - `T_s_i = 25`

## 5. 从 FOA 到 spatial token 的完整过程

## 5.1 输入层

输入：

- `waveform: [B, 4, T]`

四个通道分别是：

- `W`
- `X`
- `Y`
- `Z`

对 `10 s, 16kHz`：

- `T = 160000`

## 5.2 SpatialBEATsPreprocessor

目标：

- 把原始 FOA 波形转成多通道空间特征图

推荐输出通道：

- `W_logmel`
- `X_logmel`
- `Y_logmel`
- `Z_logmel`
- `IVx`
- `IVy`
- `IVz`

因此：

- `C_foa = 7`

内部步骤：

1. 对 `WXYZ` 做 STFT
2. 计算各通道 `log-mel`
3. 计算 `IVx, IVy, IVz`
4. 将 `IV` 映射到 mel 维
5. 拼接成特征图

输出：

- `foa_feat: [B, 7, T_f, 128]`

其中：

- `128` 是 mel bins
- `T_f` 约等于 `1000`，如果帧移为 `10 ms`

## 5.3 SpatialPatchEmbedding

目标：

- 把 `7` 通道 FOA 特征图切成 patch token

原始 BEATs 的 stem 是单通道：

```text
Conv2d(1, embed_dim, kernel_size=patch, stride=patch)
```

新的 stem 改成：

```text
Conv2d(7, embed_dim, kernel_size=patch, stride=patch)
```

输入：

- `foa_feat: [B, 7, T_f, 128]`

输出：

- `patch_tokens: [B, N_p, D_in]`
- `grid_hw = (T_p, F_p)`

建议：

- `D_in = 512`

原因：

- 与 BEATs patch embedding dim 对齐

## 5.4 BEATs trunk

这是整个模型最重要的部分。

保留并复用的模块包括：

- patch token layer norm
- `post_extract_proj`
- `dropout_input`
- `TransformerEncoder`
- `conv_pos`
- 所有 transformer layers
- LayerNorm / FFN / attention

输入：

- `patch_tokens: [B, N_p, 512]`

输出：

- `encoder_memory: [B, N_p, 768]`

建议：

- 主干 hidden dim 保持 `768`
- 直接加载 `BEATs_iter3+ AS2M pre-trained`

## 5.5 Reshape + Frequency Pooling

目标：

- 把 trunk 输出变成可读的时间序列表示

步骤：

1. 将 `encoder_memory [B, N_p, D]` reshape 成：
   - `grid_memory [B, T_p, F_p, D]`
2. 对 `F_p` 维做 pooling

推荐第一版：

- `mean pooling over frequency`

输出：

- `temporal_patch_tokens: [B, T_p, D]`

这一步的意义是：

- 先把频率信息压到时间轴上
- 便于后面构造固定 `2.5 Hz` 的时序空间 token

## 5.6 Temporal Resampler

目标：

- 把 patch 级时间序列压到目标 token rate

输入：

- `temporal_patch_tokens: [B, T_p, D]`

输出：

- `temporal_tokens: [B, T_s, D]`

其中：

- 第 `i` 个样本：
  - `T_s_i = round(duration_i * 2.5)`
- batch padding 后：
  - `temporal_tokens: [B, T_s_max, D]`
- 对 `10 s` clip：
  - `T_s_i = 25`

推荐第一版：

- 线性插值
- 或轻量 `Conv1d` 下采样

注意：

- `2.5 Hz` 明确指最终给 LLM 的 token rate
- 对单个 `10 s` 样本，`10 s -> 25` 个有效 token
- 对 mixed-length batch，张量会 pad 到 `T_s_max`

## 5.7 Shallow Temporal Readout

目标：

- 在时间维上再做一层轻量整理
- 让 trunk 输出更适合做空间监督和给 LLM 使用

推荐做法：

- `1~2` 层 transformer encoder

输入：

- `temporal_tokens: [B, T_s_max, 768]`

输出：

- `spatial_embeddings: [B, T_s_max, 768]`

这一层的作用是：

- 做一个浅层 readout neck
- 不承担复杂检测器职责
- 不强调 decoder 身份
- 只是把 trunk 表征整理成更干净的时间步级空间 embedding

如果你想先做最简单版本，也可以直接：

- `temporal_tokens -> LayerNorm -> spatial_embeddings`

把 shallow transformer 作为后续增强项。

## 5.8 Prediction Heads

目标：

- 从 `spatial_embeddings` 上接显式监督
- 通过 loss 让前面的 trunk 真正学到空间表征
- 在不引入复杂 decoder 的前提下提供多源监督出口

输入：

- `spatial_embeddings: [B, T_s_max, 768]`

### 5.8.1 Encoder-only 阶段的固定槽位 readout

虽然简化版不再使用复杂 `slot query decoder`，但当前仍然有：

- 最大同时源数约为 `4`

因此，encoder-only 训练阶段推荐在 `spatial_embeddings` 后接一个很轻的固定槽位 readout：

```text
spatial_embeddings [B, T_s_max, 768]
  -> Linear / MLP expand
  -> slot_latents [B, T_s_max, 4, H]
  -> shared prediction heads
```

推荐默认：

- `H = 768`

最简单实现：

```text
Linear(768 -> 4 * 768)
reshape -> [B, 25, 4, 768]
```

更稳一点的实现：

```text
Linear(768 -> 768)
-> GELU
-> Linear(768 -> 4 * 768)
reshape -> [B, 25, 4, 768]
```

这一步的作用不是做复杂目标解析，而只是：

- 给每个时间步提供 `4` 个固定 source 槽位
- 让多源监督有明确着力点
- 把 loss 稳定回传到前面的 trunk

### 5.8.2 预测头设计

对 `slot_latents [B, 25, 4, H]` 接共享或独立 heads。

建议输出头：

- `activity / objectness head`
- `azimuth head`
- `elevation head`
- `distance head`
- `class auxiliary head`

输出形式建议：

- `pred_activity: [B, T_s_max, 4]`
- `pred_azi_logits: [B, T_s_max, 4, 360]`
- `pred_ele_logits: [B, T_s_max, 4, 180]`
- `pred_dist: [B, T_s_max, 4, 1]`
- `pred_class_logits: [B, T_s_max, 4, C_cls]`

其中：

- `pred_activity` 负责当前时间步当前槽位是否解释某个源
- `pred_azi_logits` / `pred_ele_logits` 负责方向
- `pred_dist` 负责连续距离回归
- `pred_class_logits` 负责 source-level 辅助类别监督

当前默认建议：

- `C_cls = 65`
- label vocabulary 来自：
  - `final_vocabulary.csv`
- 推荐字段：
  - `label_id`
  - `final_label`

### 5.8.3 为什么这里仍然保留 K=4

在简化版中：

- `K=4` 不再体现在复杂 decoder 结构里
- 但仍然通过固定槽位 readout 出现在监督头中

也就是说：

- 不需要复杂 query-based object slots
- 但仍然需要一个简单的多槽位 readout 来承载多源标签

这更符合当前“先把主干训练出来”的目标。

## 5.9 Spatial Projector

目标：

- 把 `spatial_embeddings` 投影到 LLM hidden size

输入：

- `spatial_embeddings: [B, T_s_max, 768]`

推荐：

- 独立的 `MLP projector`

形式：

```text
Linear(768 -> D_mid)
-> GELU
-> LayerNorm
-> Linear(D_mid -> d_llm)
```

输出：

- `llm_spatial_tokens: [B, T_s_max, d_llm]`

这就是最终喂给 LLM 的 spatial tokens。

### 5.9.1 Encoder-only 阶段 projector 的角色

当前第一阶段如果只训练 encoder，本质目标是：

- 用监督把 `spatial_embeddings` 训好

因此 projector 在这一阶段有两种合理策略：

#### 方案 A：先不训练 projector，推荐默认

- 只训练：
  - preprocessor
  - patch embedding
  - BEATs trunk
  - temporal readout
  - fixed-slot prediction heads

- projector 只保留接口，不参与训练

#### 方案 B：一并训练 projector

- 当你希望尽早固定 LLM 接口维度时可以启用

但第一版默认推荐：

- **先把 encoder 训好，再训练 projector**

## 6. 每层的输入输出总结

### 6.1 SpatialBEATsPreprocessor

- 输入：`[B, 4, T]`
- 输出：`[B, 7, T_f, 128]`

### 6.2 SpatialPatchEmbedding

- 输入：`[B, 7, T_f, 128]`
- 输出：`[B, N_p, 512]`

### 6.3 BEATs trunk

- 输入：`[B, N_p, 512]`
- 输出：`[B, N_p, 768]`

### 6.4 Reshape + Frequency Pooling

- 输入：`[B, N_p, 768]`
- 输出：`[B, T_p, 768]`

### 6.5 Temporal Resampler

- 输入：`[B, T_p, 768]`
- 输出：`[B, 25, 768]`

### 6.6 Shallow Temporal Readout

- 输入：`[B, T_s_max, 768]`
- 输出：`[B, T_s_max, 768]`

### 6.7 Prediction Heads

- 输入：`[B, T_s_max, 768]`
- 先经 `Linear / MLP expand` 变成：`[B, T_s_max, 4, H]`
- 输出：
  - `activity [B, T_s_max, 4]`
  - `azimuth [B, T_s_max, 4, 360]`
  - `elevation [B, T_s_max, 4, 180]`
  - `distance [B, T_s_max, 4, 1]`
  - `class [B, T_s_max, 4, C_cls]`

### 6.8 Spatial Projector

- 输入：`[B, T_s_max, 768]`
- 输出：`[B, T_s_max, d_llm]`

## 7. Loss 如何作用到前面的表征

这个简化方案的关键点在于：

- 后面的 heads 并不是模型重点
- 它们只是为了接监督

loss 从这些 heads 回传后，会更新：

1. readout neck
2. temporal resampler
3. BEATs trunk
4. patch embedding
5. FOA preprocessor

因此：

- 只要后面的 decode/head 能稳定预测显式空间信息
- 前面的 trunk 就会被训练成空间 encoder

### 推荐 loss

当前建议：

- `L_activity`
- `L_azi`
- `L_ele`
- `L_dist`
- `L_cls_aux`
- `L_temp`

总损失：

```text
L_total =
  lambda_act * L_activity
  + lambda_azi * L_azi
  + lambda_ele * L_ele
  + lambda_dist * L_dist
  + lambda_cls * L_cls_aux
  + lambda_temp * L_temp
```

当前可继续保留：

- 方向分类
- 仰角分类
- 距离连续回归
- 辅助类别监督
- 时间一致性正则

### 7.1 Encoder-only 训练阶段的 loss 定义

#### `L_activity`

用于监督：

- 当前时间步当前槽位是否激活

建议：

- `BCEWithLogitsLoss` 或 `focal loss`

结合当前的弱时间窗口 supervision：

- 窗口外：负样本
- 窗口内：弱正样本

#### `L_cls_aux`

用于监督：

- 被分配到某个 GT source 的槽位类别

建议：

- `CrossEntropyLoss`

#### `L_azi` 和 `L_ele`

用于监督：

- 槽位的方向分类

建议：

- `CrossEntropyLoss`
- `azimuth`: `360` bins
- `elevation`: `180` bins

#### `L_dist`

用于监督：

- 槽位的连续距离回归

建议：

- 先将距离归一化到 `[0, 1]`
- 使用 `SmoothL1Loss`

#### `L_temp`

由于当前位置当前是 clip 内固定，建议加入：

- 时间一致性约束

例如对同一 source 在相邻时间步对应的槽位加：

- class 分布平滑
- direction 分布平滑
- distance 平滑

第一版可以先只加：

- distance smoothness
- activity smoothness

## 7.2 Encoder-only 训练时的匹配方式

因为当前 heads 是固定 `4` 槽位，而不是 query decoder，所以建议：

- 使用轻量匹配
- 不必依赖复杂 decoder 结构

推荐策略：

1. 对每个 GT source，根据其时间窗口筛出候选时间步
2. 在该时间步的 `4` 个固定槽位中，选择 cost 最小的槽位
3. 对该槽位施加：
   - activity
   - class
   - azi
   - ele
   - dist

推荐 cost：

```text
cost =
  w_act  * cost_act
  + w_cls  * cost_cls
  + w_azi  * cost_azi
  + w_ele  * cost_ele
  + w_dist * cost_dist
```

第一版可以不做全局 Hungarian，直接做：

- `per-step fixed-slot matching`

如果后面发现多源冲突严重，再升级 matching。

## 8. 关于多源 supervision 的理解

虽然当前结构没有显式 `slot query decoder`，但这并不等于完全不考虑多源。

当前更合理的理解是：

- 让 `spatial_embeddings [B, 25, D]` 表示该时间步的空间场景表征
- 再通过固定 `4` 槽位 readout head 承载多源标签
- supervision 用这些多源标签约束 trunk 必须编码多个源的空间信息

这相当于：

- 先学一个强的 time-step level spatial embedding
- 再决定是否需要升级成更复杂的 object-centric / query-based 版本

这是更稳的第一版路径。

## 9. 为什么这个简化版更合适当前阶段

### 9.1 更符合老师的建议

老师的核心意见可以总结为：

- 不必执着于 decoder 结构本身
- 后面的模块只要能 decode 出空间监督即可
- 真正要训好的是前面的 trunk

这个简化版完全符合这个思路。

### 9.2 工程复杂度更低

不需要一开始就实现：

- slot query decoder
- cross-attention decoder
- objectness pooling
- 复杂 slot matching

### 9.3 更利于先验证 trunk 是否真的学到空间表征

如果这版能成功：

- 说明 trunk + temporal readout 本身已经足够表达空间信息

如果这版不够：

- 再升级到 slot/object 版本

这样路线更清晰。

## 10. 推荐实现版本

### V1：最小可行版

```text
FOA -> preprocessor -> patch embed -> BEATs trunk
   -> frequency pooling -> temporal resampler
   -> LayerNorm
   -> spatial embeddings
   -> Linear expand to 4 slots
   -> heads
```

### V2：推荐正式版

```text
FOA -> preprocessor -> patch embed -> BEATs trunk
   -> frequency pooling -> temporal resampler
   -> 1~2 层 shallow transformer readout
   -> spatial embeddings
   -> Linear / MLP expand to 4 slots
   -> heads
   -> projector
```

### V3：后续增强版

如果未来发现：

- 多源关系建模仍然不足
- 动态轨迹下表达不够

再升级为：

- slot-based decoder
- query-based object-centric readout

## 11. 推荐代码划分

建议新增或保留以下文件：

- `spatial_beats.py`
- `spatial_modules.py`
- `spatial_loss.py`
- `spatial_dataset.py`
- `train_spatial_beats.py`

### `spatial_modules.py`

建议包含：

- `SpatialBEATsPreprocessor`
- `SpatialPatchEmbedding`
- `TemporalResampler`
- `TemporalReadoutTransformer`
- `FixedSlotReadoutHead`
- `SpatialPredictionHeads`
- `SpatialProjector`

### `spatial_beats.py`

建议主类：

- `SpatialBEATsConfig`
- `SpatialBEATs`

主类中建议暴露：

- `extract_spatial_embeddings()`
- `project_for_llm()`
- `forward()`

## 12. 最终输出接口

推荐 `forward()` 返回：

```python
{
    "encoder_memory": FloatTensor[B, N_p, 768],
    "temporal_tokens": FloatTensor[B, 25, 768],
    "spatial_embeddings": FloatTensor[B, 25, 768],
    "slot_latents": FloatTensor[B, 25, 4, H],
    "pred_activity": FloatTensor[B, 25, 4],
    "pred_azi_logits": FloatTensor[B, 25, 4, 360],
    "pred_ele_logits": FloatTensor[B, 25, 4, 180],
    "pred_dist": FloatTensor[B, 25, 4, 1],
    "pred_class_logits": FloatTensor[B, 25, 4, C_cls],
    "llm_spatial_tokens": FloatTensor[B, 25, d_llm],
}
```

其中：

- `spatial_embeddings` 是最核心的中间表示
- `slot_latents` 只是 encoder-only 监督出口
- `llm_spatial_tokens` 是最终给 LLM 的接口

## 13. 结论

当前推荐的简化版最终架构是：

- `FOA -> spatial features -> BEATs trunk -> 2.5Hz temporal spatial embeddings -> 固定4槽位 readout heads -> projector`

这套方案的重点是：

- 用显式空间监督把前面的 `BEATs trunk` 训练成空间 encoder
- 后面的 fixed-slot head 只承担监督和 readout 的职责
- 给 LLM 的 token 直接来自前面的 `spatial_embeddings`

这是当前最适合进入代码实现的主线方案。