AAAI 2023 | 动态温度超参蒸馏新方法

©作者 | Zheng Li

单位 | 南开大学

一句话概括：相对于静态温度超参蒸馏，本文提出了简单且高效的动态温度超参蒸馏新方法。

论文标题：

Curriculum Temperature for Knowledge Distillation

收录会议：

AAAI 2023

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2211.16231

代码链接：

https://github.com/zhengli97/CTKD

背景问题

目前已有的蒸馏方法中，都会采用带有温度超参的 KL Divergence Loss 进行计算，从而在教师模型和学生模型之间进行蒸馏，公式如下：

其中，温度超参 的大小控制了两个预测结果 和 的平滑程度，决定了两个概率分布间的距离，τ 越大 (τ>1)，就会使得概率分布越平滑 (soft)，τ 越小 (0<τ<1)，越接近 0，会使得概率分布越尖锐 (sharp)。τ 的大小影响着蒸馏中学生模型学习的难度，不同的 τ 会产生不同的蒸馏结果。

而现有工作普遍的方式都是采用固定的温度超参，一般会设定成 4。

那么这就带来了两个问题： 

1. 不同的教师学生模型在 KD 过程中最优超参不一定是4。如果要找到这个最佳超参，需要进行暴力搜索，会带来大量的计算，整个过程非常低效。 

2. 一直保持静态固定的温度超参对学生模型来说不是最优的。基于课程学习的思想，人类在学习过程中都是由简单到困难的学习知识。那么在蒸馏的过程中，我们也会希望模型一开始蒸馏是让学生容易学习的，然后难度再增加。难度是一直动态变化的。 

于是一个自然而然的想法就冒了出来：在蒸馏任务里，能不能让网络自己学习一个适合的动态温度超参进行蒸馏，并且参考课程学习，形成一个蒸馏难度由易到难的情况？ 

于是我们就提出了 CTKD 来实现这个想法。

方法

既然温度超参 τ 可以在蒸馏里决定两个分布之间的 KL Divergence，进而影响模型的学习，那我们就可以通过让网络自动学习一个合适的 τ 来达到以上的目的。 

于是以上具体问题就直接可以转化成以下的核心思想：

在蒸馏过程里，学生网络被训练去最小化 KL loss 的情况下，τ 作为一个可学习的参数，要被训练去最大化 KL loss，从而发挥对抗 (Adversarial) 的作用，增加训练的难度。随着训练的进行，对抗的作用要不断增加，达到课程学习的效果。 

以上的实现可以直接利用一个非常简单的操作：利用梯度反向层 GRL (Gradient Reversal Layer) 来去反向可学习超参 τ 的梯度，就可以非常直接达到对抗的效果，同时随着训练的进行，不断增加反向梯度的权重 λ，进而增加学习的难度。 

CTKD 的论文的结构图如下：

▲ Fig.1 CTKD网络结构图

CTKD 方法可以简单分为左右两个部分： 

1. 对抗温度超参 τ 的学习部分。这里只包含两个小模块，一个是梯度反向层 GRL，用于反向经过温度超参 τ 的梯度，另一个是可学习超参温度 τ。 

其中对于温度超参 τ，有两种实现方式，第一种是全局方案 (Global Temperature)，只会产生一个 τ，代码实现非常简单，就一句话：

self.global_T = nn.Parameter(torch.ones(1), requires_grad=True)

第二种是实例级别方案 (Instance-wise Temperature)，即对每个单独的样本都产生一个 τ，也就是对于一个 batch 中 128 个 sample，那么就生成对应 128 个 τ。代码实现也很简单，就是两层 conv 组成的 MLP。两种方案的对比图如 Fig.2 所示。

▲ Fig.2 两种不同的可学习温度超参实现

2. 难度逐渐增加的课程学习部分。 

随着训练的进行，不断增加 GRL 的权重 λ，达到增加学习难度的效果。在论文的实现里，我们直接采用 Co s的方式，让反向权重 λ 从 0 增加到 1。 

以上就是 CTKD 的全部实现，非常的简单有效。 

总结一下方法：CTKD 总共包含两个模块，梯度反向层 GRL 和温度预测模块，CTKD 方法可以作为即插即用的插件应用在现有的 SOTA 的蒸馏方法中，取得广泛的提升。

实验结果

三个数据集：CIFAR-100，ImageNet 和 MS-COCO。

CIFAR-100 上，CTKD 的实验结果：

作为一个即插即用的插件，应用在已有的 SOTA 方法上：

在 ImageNet 上的实验：

在 MS-COCO 的 detection 实验上：

温度超参的整体学习过程可视化：

由以上图可以看到，CTKD 整体的动态学习 τ 的过程。将 CTKD 应用在多种现有的蒸馏方案上，可以取得广泛的提升效果。欢迎大家试用。

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