【论文笔记_知识蒸馏_2022】Dynamic Rectification Knowledge Distillation

摘要

知识蒸馏是一种技术，其目的是利用dark知识压缩信息，并将信息从一个庞大、训练有素的神经网络（教师模型）传输到一个较小、能力较差的神经网络（学生模型），从而提高推理效率。由于在边缘计算设备上部署这种笨重模型的复杂性令人望而却步，这种提取知识的方法得到了普及。一般来说，用于教授较小学生模型的教师模型本质上很麻烦，培训成本也很高。为了彻底消除繁琐教师模型的必要性，我们提出了一个简单而有效的知识提取框架，我们称之为动态校正知识提取（DR-KD）。我们的方法将学生转化为自己的老师，如果自己的老师在提取信息时做出错误的预测，那么错误会在提取知识之前得到纠正。 具体而言，教师目标由真实标签代理动态调整，同时提取从传统培训中获得的知识。我们提出的DR-KD在没有复杂、繁琐的教师模型的情况下表现出色，并且在由低成本、动态、有礼貌的教师实施时，实现了与现有最先进的无教师知识提炼框架相当的性能。我们的方法是Allincomparsing，可以用于任何需要分类或对象识别的深度神经网络训练。DRKD在Tiny ImageNet上的测试精度比显著的基线模型提高了2.65%，显著优于任何其他知识蒸馏方法，同时不需要额外的培训成本。

1.介绍

本文旨在没有复杂笨重的教师网络的情况下，在有真实标签的前提下，把学生网络当作弱教师网络（St），再将St的预测的logit与真实标签的logit进行对比，若不正确则把St的预测logit替换为真实标签的logit，以保证弱教师网络St的输出正确率。

总之，这项研究做出了以下重要贡献：
1.我们的策略避免了对教师模型进行整体或大型模型培训的要求，因为一个有效的模型可以被教导充当自己的教师。在这种情况下，不需要大量的培训时间和计算资源，这有利于边缘设备的实时数据处理和部署。
2.DR-KD确保老师从不提取错误的知识。这种安排优于现有的最先进的知识提炼技术。
3.DR-KD在不牺牲响应时间的情况下显著提高了分类任务的性能。
4.我们提出的知识提炼框架与平台无关。因此，它可以在任何深度学习管道中使用，而无需进行大量修改。

图1。假设（a）和（b）中教师模型的输入都是蛇的图像。如（a）所示，教师模型会将错误的知识提取到学生模型中。如（b）所示，DR-KD技术能够在知识提取过程之前纠正错误的知识。

2.相关工作

3.方法&背景知识

4.动态校正知识蒸馏

图2。图示DR-KD的示意图。教师和学生模型都接收输入“X”。教师错误预测的logit在传递到softmax函数之前会被纠正，但学生logit会被直接传递。Kullback-Leibler散度（KLD）由教师和学生的softmax激活确定。同时，学生模型的logit在温度为1时被转换为softmax激活，学生模型的交叉熵使用真实值确定。最后，通过将其与之前计算的KLD相结合来计算总损失。

当一个小模型被训练生成一个教师模型时，如果训练不足，它可能会对样本进行错误分类。如果保持这种配置，并且教师模型做出了不准确的预测，那么学生模型将通过方程式（2）中提到的损失函数的KL散度分量受到错误数据的影响。如果需要，例如，当老师出错时，我们建议在向学生提供信息之前纠正信息。这种纠正过程可以采取多种不同的形式。在本文中，我们提出了一种简单而有效的校正技术作为概念证明。

我们维持了一个与Hinton的知识提炼框架类似的过程，其中有一个教师模型，其知识将被蒸馏成学生。与Tf-KDself一样，我们按照惯例训练学生模型S，以生成预先训练过的教师模型St。然而，我们试图通过使用交换方法纠正错误预测的实例来提高教师的表现，我们称之为动态校正（DR），如等式（3）所示。我们没有直接使用教师的logit，而是对照标签交叉检查logit，以确定教师预测的最高logit是否映射到真实标签。如果没有，我们使用DR函数交换logits，以提取正确的信息作为知识。

校正过程背后的概念如下：如果St模型中的最高logit表示一个不准确的类，我们将用该不准确类的最大logit替换准确类的logit。这将产生一个准确的类，指向最高的logit。使用这种策略，St模型将始终是更好的老师，能够有效地进行知识提炼，同时使S模型能够更有效地学习。

S的输出分数为Ps，St的输出分数为Pt。使用温度为τ的修正softmax（方程式（1））直接软化Ps，以生成Pτs=σ（Ps，τ）。然而，首先通过等式（3）中的整流函数对Pt进行整流，以生成Pt_rect=DR（Pt，Y）。这里Y是一个one-hot编码的真实标签，j=argmax（Y），它是Y的最大值的索引。类似地，l=argmax（Pt），这是Pt最大值的索引。随后，将Pt_rect传递给温度为τ的修改过的softmax，以生成Pτ t_rect。

然后用Pτs和Pτt_rect计算KL散度。随后，将KL散度与交叉熵损失相结合，以计算公式（4）中所示的总加权损失，其中与之前一样，CE为交叉熵，α为超参数，以加权损失的不同部分：

5.实验准备

6.结果

7.结论

传统的知识蒸馏需要培训一个非常庞大的教师模型，这可能需要昂贵的处理时间和金钱。有人提出了完全不需要教师模式的自蒸馏方法，也有人提出了培训训练有素的教师并提供可接受结果的方法。在本文中，我们提出了一种新的方法，即我们采用一个低资源的弱教师模型，然后通过一个校正机制对其输出进行处理，以训练学生模型。为了衡量我们方法的有效性，我们在三个数据集上评估了六个模型的性能。我们证明，这种非常简单的操作产生的结果明显优于之前发表的研究。最值得注意的是，在Tiny ImageNet上，我们的DR-KD技术将测试准确率提高了2.65%，在CIFAR100上，它比基线提高了3.28%。除了先进的技术外，我们的工作还使缺乏高性能计算机的机器学习实践者受益。更大的数据集，如ImageNet，仍然无法在Google Colab上进行训练。按照惯例，为了训练一个小模型，我们必须先训练一个需要昂贵资源的大模型。这种技术使我们只需一个小模型就能获得显著的性能，从而使机器学习在经济上对大众可行。