本次文章介紹我們于 TPAMI-2023 發(fā)表的一項(xiàng)用于視覺識別的相互對比學(xué)習(xí)在線知識蒸餾（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蒸餾聯(lián)合地訓(xùn)練多個學(xué)生模型并且相互地蒸餾知識。雖然現(xiàn)有的在線知識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類型，忽略了有價值的特征表達(dá)信息。 本文展示了一個相互對比學(xué)習(xí)（Mutual Contrastive Learning，MCL）框架用于在線知識蒸餾。MCL 的核心思想是在一個網(wǎng)絡(luò)群體中利用在線的方式進(jìn)行對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，同時最大化兩個網(wǎng)絡(luò)互信息的下界。這種做法可以使得每一個網(wǎng)絡(luò)可以從其他網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)到額外的對比知識，從而有利于學(xué)習(xí)到更好的特征表達(dá)，提升視覺識別任務(wù)的性能。 相比于會議版本，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別任務(wù)上展示了 L-MCL 相比于先進(jìn)在線知識蒸餾方法獲得了一致的提升。此優(yōu)勢表明了 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)的離線知識蒸餾需要預(yù)訓(xùn)練的教師模型對學(xué)生模型進(jìn)行監(jiān)督。在線知識蒸餾在無需教師的情況下同時聯(lián)合訓(xùn)練兩個以上的學(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)有的在線知識蒸餾方法通常僅僅關(guān)注結(jié)果驅(qū)動的蒸餾，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網(wǎng)絡(luò)間對齊中間特征圖，Zhang 等人[2]指出這種做法會減少群體多樣性，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)為一個更好的方式是從視覺表征學(xué)習(xí)角度的對比學(xué)習(xí)。

▲ 圖1. 相互對比學(xué)習(xí)基本思想示意圖 圖中， 和 分別表示兩個不同的網(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 包含了樸素對比學(xué)習(xí)（Vanilla Contrastive Learning，VCL）和交互式對比學(xué)習(xí)（Interactive Contrastive Learning，ICL）。 相比于傳統(tǒng)的 VCL，提出的 ICL 從兩個不同網(wǎng)絡(luò)間建模對比相似度分布。本文證明 ICL 的誤差函數(shù)等價于最大化兩個網(wǎng)絡(luò)互信息的下界，這可以被理解為一個網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)到另外網(wǎng)絡(luò)額外的知識。 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. 相互對比學(xué)習(xí)MCL（AAAI-2022）

▲ 圖2. 相互對比學(xué)習(xí)整體示意圖

2.1.1 傳統(tǒng)對比學(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 的交叉熵作為對比誤差： ?對于總共 個網(wǎng)絡(luò)來說，所有的對比誤差表示為：

2.1.2 交互式對比學(xué)習(xí)（Interactive Contrastive Learning,ICL） VCL 不能建?？缇W(wǎng)絡(luò)的關(guān)系來進(jìn)行聯(lián)合學(xué)習(xí)，因?yàn)閷Ρ确植紒碜杂诰W(wǎng)絡(luò)自身的嵌入空間。ICL 的 anchor 樣本與對比樣本產(chǎn)生自不同的網(wǎng)絡(luò)，但在誤差形式上依舊與傳統(tǒng)的對比學(xué)習(xí)誤差相同：

對于總共 個網(wǎng)絡(luò)來說，所有的對比誤差表示為：理論分析： 相比于誤差 ，最小化 等價于最大化網(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，互信息 衡量了來自 對比特征向量的不確定性，這可以理解為每一個網(wǎng)絡(luò)可以從其他網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)到對比知識，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 散度來對齊網(wǎng)絡(luò)間的對比分布，根據(jù)本文提出的兩種對比學(xué)習(xí)方法 VCL 和 ICL 來進(jìn)行對比分布的雙向遷移：

2.1.3.1 Soft VCL： 對于產(chǎn)生 的分布 來說，其監(jiān)督信號是其他網(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 給定兩個網(wǎng)絡(luò) 和 ，可以得到兩個ICL對應(yīng)的對比分布 和 ，使用 KL 散度的形式使得兩個分布盡可能接近。對于 個網(wǎng)絡(luò)來說，每兩個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比分布的遷移：

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，本方法將所有的對比誤差項(xiàng)作為一個整體的誤差訓(xùn)練 個網(wǎng)絡(luò)：

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

▲ 圖3. 一對一匹配和加權(quán)的多對多匹配示意圖 2.2.1 基礎(chǔ)框架 給定網(wǎng)絡(luò)群體，每一個網(wǎng)絡(luò)具有 個階段，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)包含了兩個線性轉(zhuǎn)換層 和 ，來對輸入的特征向量 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 分別展示了兩個同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)利用相互對比學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

▲ 表1. 兩個同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)利用相互對比學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果▲表2. 兩個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)利用相互對比學(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蒸餾方法都獲得了顯著的性能提升，表明在多個網(wǎng)絡(luò)之間使用特征層面的對比學(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. ·