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本次文章介紹我們于 TPAMI-2023 發(fā)表的一項(xiàng)用于視覺識(shí)別的相互對(duì)比學(xué)習(xí)在線知識(shí)蒸餾（Online Knowledge Distillation via Mutual Contrastive Learning for Visual Recognition）工作，該工作是我們發(fā)表在 AAAI-2022 論文 Mutual contrastive learning for visual representation learning [1] 的擴(kuò)展版本，論文講解鏈接為：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/574701719 摘要：無需教師的在線知識(shí)蒸餾聯(lián)合地訓(xùn)練多個(gè)學(xué)生模型并且相互地蒸餾知識(shí)。雖然現(xiàn)有的在線知識(shí)蒸餾方法獲得了很好的性能，但是這些方法通常關(guān)注類別概率作為核心知識(shí)類型，忽略了有價(jià)值的特征表達(dá)信息。本文展示了一個(gè)相互對(duì)比學(xué)習(xí)（Mutual Contrastive Learning，MCL）框架用于在線知識(shí)蒸餾。MCL 的核心思想是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)群體中利用在線的方式進(jìn)行對(duì)比分布的交互和遷移。MCL 可以聚合跨網(wǎng)絡(luò)的嵌入向量信息，同時(shí)最大化兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互信息的下界。這種做法可以使得每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以從其他網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)到額外的對(duì)比知識(shí)，從而有利于學(xué)習(xí)到更好的特征表達(dá)，提升視覺識(shí)別任務(wù)的性能。相比于會(huì)議版本，期刊版本將 MCL 擴(kuò)展到中間特征層并且使用元優(yōu)化來訓(xùn)練自適應(yīng)的層匹配機(jī)制。除了最后一層，MCL 也在中間層進(jìn)行特征對(duì)比學(xué)習(xí)，因此新方法命名為 Layer-wise MCL（L-MCL）。在圖像分類和其他視覺識(shí)別任務(wù)上展示了 L-MCL 相比于先進(jìn)在線知識(shí)蒸餾方法獲得了一致的提升。此優(yōu)勢(shì)表明了 L-MCL 引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了更好的特征表達(dá)。

論文地址：

https://arxiv.org/pdf/2207.11518.pdf

代碼地址：

https://github.com/winycg/L-MCL

引言

傳統(tǒng)的離線知識(shí)蒸餾需要預(yù)訓(xùn)練的教師模型對(duì)學(xué)生模型進(jìn)行監(jiān)督。在線知識(shí)蒸餾在無需教師的情況下同時(shí)聯(lián)合訓(xùn)練兩個(gè)以上的學(xué)生模型。深度相互學(xué)習(xí)（Deep Mutual Learning，DML）[2]表明了模型群體可以從相互學(xué)習(xí)類別概率分布（圖像分類任務(wù)最后的輸出預(yù)測）中獲益。每一個(gè)模型在同伴教授的模式下相比傳統(tǒng)的單獨(dú)訓(xùn)練效果更好。現(xiàn)有的在線知識(shí)蒸餾方法通常僅僅關(guān)注結(jié)果驅(qū)動(dòng)的蒸餾，但是忽略了在線蒸餾特征方面的應(yīng)用。雖然先前的 AFD [3]嘗試通過在線的方式在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間對(duì)齊中間特征圖，Zhang 等人[2]指出這種做法會(huì)減少群體多樣性，降低相互學(xué)習(xí)能力。為了學(xué)習(xí)更有意義的特征嵌入，我們認(rèn)為一個(gè)更好的方式是從視覺表征學(xué)習(xí)角度的對(duì)比學(xué)習(xí)。

▲ 圖1. 相互對(duì)比學(xué)習(xí)基本思想示意圖圖中，和分別表示兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)，是推理來自網(wǎng)絡(luò) 和輸入樣本產(chǎn)生的特征向量。虛線和箭頭代表要逼近或者遠(yuǎn)離的方向。從圖中可以看出，MCL 包含了樸素對(duì)比學(xué)習(xí)（Vanilla Contrastive Learning，VCL）和交互式對(duì)比學(xué)習(xí)（Interactive Contrastive Learning，ICL）。相比于傳統(tǒng)的 VCL，提出的 ICL 從兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間建模對(duì)比相似度分布。本文證明 ICL 的誤差函數(shù)等價(jià)于最大化兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互信息的下界，這可以被理解為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)到另外網(wǎng)絡(luò)額外的知識(shí)。 MCL 主要是發(fā)表于 AAAI-2022 的方法，期刊版本將 MCL 從卷積網(wǎng)絡(luò)的最后一層擴(kuò)展到多個(gè)模型的中間特征層，命名為 Layer-wise MCL。此外，傳統(tǒng)的中間特征層蒸餾使用手工的匹配，本文則提出一個(gè)自適應(yīng)的層匹配機(jī)制，然后通過元優(yōu)化來訓(xùn)練該機(jī)制。

方法

2.1. 相互對(duì)比學(xué)習(xí)MCL（AAAI-2022）

▲ 圖2. 相互對(duì)比學(xué)習(xí)整體示意圖

2.1.1 傳統(tǒng)對(duì)比學(xué)習(xí)（Vanilla Contrastive Learning,VCL） 為了便于描述，本方法將 anchor 樣本向量表示為，正樣本向量表示為和個(gè)負(fù)樣本向量表達(dá)為。表示向量產(chǎn)生自網(wǎng)絡(luò) 。這里，特征向量通過標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行預(yù)處理。使用基于 InfoNCE 的交叉熵作為對(duì)比誤差：

?對(duì)于總共個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說，所有的對(duì)比誤差表示為：

2.1.2 交互式對(duì)比學(xué)習(xí)（Interactive Contrastive Learning,ICL） VCL 不能建模跨網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系來進(jìn)行聯(lián)合學(xué)習(xí)，因?yàn)閷?duì)比分布來自于網(wǎng)絡(luò)自身的嵌入空間。ICL 的 anchor 樣本與對(duì)比樣本產(chǎn)生自不同的網(wǎng)絡(luò)，但在誤差形式上依舊與傳統(tǒng)的對(duì)比學(xué)習(xí)誤差相同：

對(duì)于總共個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說，所有的對(duì)比誤差表示為：

理論分析： 相比于誤差，最小化等價(jià)于最大化網(wǎng)絡(luò) 互信息的下界：

直覺上，當(dāng)來自的 anchor 特征向量已知時(shí)，互信息衡量了來自對(duì)比特征向量的不確定性，這可以理解為每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以從其他網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)到對(duì)比知識(shí)，從而更有利于表征學(xué)習(xí)。

2.1.3 基于在線相互遷移的軟對(duì)比學(xué)習(xí) 收到深度相互學(xué)習(xí)（Deep Mutual Learning，DML）[1] 的啟發(fā)，本方法利用 KL 散度來對(duì)齊網(wǎng)絡(luò)間的對(duì)比分布，根據(jù)本文提出的兩種對(duì)比學(xué)習(xí)方法 VCL 和 ICL 來進(jìn)行對(duì)比分布的雙向遷移：

2.1.3.1 Soft VCL： 對(duì)于產(chǎn)生的分布來說，其監(jiān)督信號(hào)是其他網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的分布，利用 KL 散度使得與其他分布接近：

2.1.3.2 Soft ICL 給定兩個(gè)網(wǎng)絡(luò) 和，可以得到兩個(gè)ICL對(duì)應(yīng)的對(duì)比分布和，使用 KL 散度的形式使得兩個(gè)分布盡可能接近。對(duì)于個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說，每兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比分布的遷移：

2.1.4 MCL的整體誤差 為了盡可能利用聯(lián)合學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，本方法將所有的對(duì)比誤差項(xiàng)作為一個(gè)整體的誤差訓(xùn)練個(gè)網(wǎng)絡(luò)：

2.2 逐層的相互對(duì)比學(xué)習(xí)（Layer-wise MCL）

▲ 圖3. 一對(duì)一匹配和加權(quán)的多對(duì)多匹配示意圖 2.2.1 基礎(chǔ)框架 給定網(wǎng)絡(luò)群體，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有個(gè)階段，原始的 MCL 在最后的特征嵌入上進(jìn)行學(xué)習(xí)。Layer-wise MCL（L-MCL）進(jìn)一步擴(kuò)展相互對(duì)比學(xué)習(xí)到中間特征層和最后特征層，并且采用跨層的方式。

下一個(gè)章節(jié)，本文展示如何利用元網(wǎng)絡(luò) 來優(yōu)化匹配權(quán)重。

2.2.2 訓(xùn)練元網(wǎng)絡(luò) 2.2.2.1 交叉熵任務(wù)誤差 使用交叉熵誤差訓(xùn)練個(gè)網(wǎng)絡(luò)：

?將基礎(chǔ)的任務(wù)誤差和 L-MCL 誤差相加作為總誤差來進(jìn)行特征層面的在線蒸餾誤差：

2.2.2.2 元優(yōu)化 受到元學(xué)習(xí)的啟發(fā)，本文采用交替優(yōu)化的方式來訓(xùn)練學(xué)生網(wǎng)絡(luò)和元網(wǎng)絡(luò)：（1）更新來次最小化。（2）更新來一次最小化。（3）衡量并且更新來最小化它。

2.2.2.3 元網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)元網(wǎng)絡(luò)包含了兩個(gè)線性轉(zhuǎn)換層和，來對(duì)輸入的特征向量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后，特征向量通過正則化來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。受到自注意力機(jī)制的啟發(fā)，本文利用點(diǎn)乘得到匹配特征的相似性，從而衡量匹配層的相關(guān)性，然后引入 sigmoid 激活函數(shù) 來將輸出值縮放到作為層匹配權(quán)重。整體的過程被規(guī)則化為：

實(shí)驗(yàn)

在 ImageNet 上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示，表 1 和表 2 分別展示了兩個(gè)同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)利用相互對(duì)比學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

▲ 表1. 兩個(gè)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)利用相互對(duì)比學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

▲表2. 兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)利用相互對(duì)比學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的 L-MCL 相比于 baseline 以及先前流行的在線知識(shí)蒸餾方法都獲得了顯著的性能提升，表明在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間使用特征層面的對(duì)比學(xué)習(xí)蒸餾相比概率分布效果更好。在下游的目標(biāo)檢測和實(shí)例分割實(shí)驗(yàn)上表明了該方法相比先前的蒸餾方法引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到了更好的視覺表征，從而提升了視覺識(shí)別效果。

▲ 表3. 通過在線蒸餾的預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)遷移到下游的目標(biāo)檢測和與實(shí)例分割的實(shí)驗(yàn)

參考文獻(xiàn)

?[1] Yang C, An Z, Cai L, et al. Mutual contrastive learning for visual representation learning[C]//Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence. 2022, 36(3): 3045-3053.[2] Zhang Y, Xiang T, Hospedales T M, et al. Deep mutual learning[C]//Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2018: 4320-4328.[3] Chung I, Park S U, Kim J, et al. Feature-map-level online adversarial knowledge distillation[C]//International Conference on Machine Learning. PMLR, 2020: 2006-2015. ·

原文標(biāo)題：TPAMI 2023 | 用于視覺識(shí)別的相互對(duì)比學(xué)習(xí)在線知識(shí)蒸餾

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