今天介紹一篇我司的文章Distilling Knowledge via Knowledge Review(縮寫為KR)，提出知識(shí)蒸餾的新解法。

之前在知乎回答過一個(gè)知識(shí)蒸餾的問題，為何感覺“知識(shí)蒸餾”這幾年沒有什么成果？https://www.zhihu.com/question/309808462/answer/1591099835

其實(shí)知識(shí)蒸餾從15年提出以來，主要出現(xiàn)了按照蒸餾位置不同的兩種方法分別為蒸logits和features。蒸logits，kd(指15年那篇)之后，主要是通過同時(shí)對(duì)teacher和student進(jìn)行約束來保持兩者的分布一致性來做的，如PKT、CC等；蒸features，起源于FitNet，后續(xù)主要是通過如何更好的利用teacher的feature來做的，如Overhaul等。另外最近因?yàn)閟elf-supervised的火熱，也出現(xiàn)了如CRD、SSKD等優(yōu)秀的自監(jiān)督相關(guān)的kd算法。

我在回答中也提到，之前的知識(shí)蒸餾方法中Overhaul效果是最好的，一騎絕塵。之前的方法把知識(shí)蒸餾的上限推到了一個(gè)新的高度，貌似已經(jīng)達(dá)到飽和了，那么就引出來一個(gè)值得思考的問題，之前的蒸餾feature和logits的方式，teacher的信息真的完全被利用了嗎？

顯然還沒有

01

Knowledge Review

如上圖，其中(a)圖是蒸logits，(b)是蒸單層feture，(c)是蒸多層feature。之前的蒸餾方法(a)(b)(c)三種形式都可以理解為相同層進(jìn)行蒸餾，引導(dǎo)student學(xué)習(xí)teacher相同層的feature。但是這種相同層蒸餾方式在訓(xùn)練的過程中顯然是不合理的，teacher深層的語(yǔ)義信息更加抽象，在student的訓(xùn)練初期，去學(xué)習(xí)teacher的抽象深層語(yǔ)義信息，這就好比是讓一個(gè)嬰兒去學(xué)習(xí)大學(xué)知識(shí)，這顯然是非常困難且難以學(xué)習(xí)的。

于是就引出了knowledge review的方法，如圖(d)所示，student的單層feature通過teacher的多層feature同時(shí)引導(dǎo)學(xué)習(xí)，這種引導(dǎo)學(xué)習(xí)的方式比起之前的方法更加完全，teacher的淺層可以認(rèn)為是比較簡(jiǎn)單的知識(shí)，深層是比較抽象的知識(shí)，student訓(xùn)練早期會(huì)更加關(guān)注teacher淺層簡(jiǎn)單知識(shí)的學(xué)習(xí)，隨著訓(xùn)練的進(jìn)行，會(huì)越來越關(guān)注teacher深層抽象知識(shí)的學(xué)習(xí)，knowledge review這個(gè)詞非常形象表達(dá)了這個(gè)過程——溫故知新，淺層是old knowledge，深層是new knowledge。

knowledge review的想法是非常make sense的，但是想要做work，還需要一些針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

02

Review Mechanism

下面先通過符號(hào)假設(shè)推導(dǎo)出review mechanism的函數(shù)表達(dá)式。

假設(shè)一張圖片輸入是??，student網(wǎng)絡(luò)是??，那么student的logit輸出為??。其中??可以分成??不同部分，??是classifier部分，其余是不同stage部分，那么

??

??表示復(fù)合函數(shù)??，中間層的feture表示為??，那么第i層的feature的公式為

??

teacher的函數(shù)表達(dá)式跟student相類似。

那么一層知識(shí)蒸餾的loss可以表示為

??

其中??是對(duì)feature進(jìn)行轉(zhuǎn)換的函數(shù)。??是用來衡量轉(zhuǎn)換后的teacher和student的距離函數(shù)。

那么多層知識(shí)蒸餾的loss可以表示為

??

review mechanism的單層知識(shí)蒸餾loss則可以表示為

??

表示student第i層同時(shí)對(duì)應(yīng)teacher的從1到i層的loss之和。

那么review mechanism的多層知識(shí)蒸餾loss則可以表示為

??

在知識(shí)蒸餾的訓(xùn)練過程中，review mechanism的loss相當(dāng)于一個(gè)正則項(xiàng)，測(cè)試的時(shí)候，只在student網(wǎng)絡(luò)上inference，沒有額外的時(shí)間損耗。

03

Residual Learning Framework

根據(jù)上述review mechanism推導(dǎo)得到的框架如圖(a)，灰色塊是student做了轉(zhuǎn)換后的feature，綠色塊是蒸餾的距離函數(shù)計(jì)算方式。圖(b)對(duì)圖(a)進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)，直接將每個(gè)單層student對(duì)應(yīng)多層teacher，但是直接對(duì)student每一個(gè)stage進(jìn)行蒸餾，不同層的特征會(huì)產(chǎn)生沖突相互干擾。

將review mechanism的loss函數(shù)簡(jiǎn)寫成

??

忽略掉對(duì)feature的轉(zhuǎn)換函數(shù)。然后將i和j兩個(gè)順序進(jìn)行交換

??

可以將上式括號(hào)內(nèi)部分近似成student多層feature融合求距離的公式

??

其中??是一個(gè)融合函數(shù)。那么整個(gè)知識(shí)蒸餾框架就變成了圖(c)，紅色塊表示融合模塊。

最后圖(d)再進(jìn)一步對(duì)圖(c)的融合模塊進(jìn)行優(yōu)化，提高效率。融合??的過程可以看成是??和??融合，于是就可以將??看成一個(gè)遞歸函數(shù)，重復(fù)進(jìn)行融合操作，將??看成是??到??的融合，那么loss函數(shù)可以表示成

??

有沒有覺得這個(gè)式子似曾相識(shí)，這就是ResNet的residual learning的遞推公式啊，這個(gè)residual learning的設(shè)計(jì)可以幫助knowledge review的訓(xùn)練過程更加穩(wěn)定，容易優(yōu)化。

其中紅色塊和綠色塊分別設(shè)計(jì)了ABF和HCL模塊。

ABF模塊設(shè)計(jì)和SKNet非常類似，將student后面一個(gè)stage轉(zhuǎn)換得到的feature和當(dāng)前stage的feature看成是兩條分支，然后通過concat、卷積的方式得到兩條分支的spatial weight，最后reweight后相加得到融合的feature。

HCL模塊設(shè)計(jì)借鑒了PSPNet的方式，用四種尺度AvgPool分別對(duì)student和teacher的feature進(jìn)行池化，然后計(jì)算loss。

通過上述一系列的設(shè)計(jì)，knowledge review將溫故知新的思想發(fā)揮到了極致。

表格中的OFD是Overhaul，可以看到knowledge review比之前的Overhaul、CRD等方法都要好上一大截，而且在不同模型架構(gòu)上都有效。

04

總結(jié)

知識(shí)蒸餾是計(jì)算機(jī)視覺中一個(gè)很有趣的問題，之前的方法都是從如何更好的利用好teacher的信息出發(fā)，將teacher和student相同層的信息利用起來，而knowledge review進(jìn)一步引入溫故知新的思想，將teacher的信息利用到了極致。但是知識(shí)蒸餾仍然存在著超參敏感的問題，后續(xù)或許可以結(jié)合一些self-supervised的方法像之前的CRD，或者通過一些特殊的設(shè)計(jì)來增強(qiáng)知識(shí)蒸餾的穩(wěn)定性，這可能是知識(shí)蒸餾發(fā)揮實(shí)用價(jià)值當(dāng)務(wù)之急的事情。

Reference

paper鏈接: https://jiaya.me/papers/kdreview_cvpr21.pdf

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【论文解读】Knowledge Review：知识蒸馏新解法的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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