Self-Knowledge Distillation: A Simple Way for Better Generalization论文阅读

Self-Knowledge Distillation: A Simple Way for Better Generalization论文阅读

 这是一篇2020年6月挂载arxiv上的论文，目前还处于under review。这篇论文从正则化方法可以提高网络的泛化能力这一点出发，提出了一个简单且有效的正则化方法——Self-KD，即自知识蒸馏。从作者所做的一系列实验可以看出来，Self-KD不仅在提高精度上面起到了作用，还能提供高质量的置信度估计（Expected Calibration Error，ECE）。

1. Introdution

 本论文从正则化方法能够提升模型泛化能力这个点切入，将正则化方法归为以下几类：

• 限制函数空间的正则化方法：L1、L2 weight decay
• 在训练中加入随机值的正则化方法：Dropout
• 通过规范化层与层之间内部激活值的正则化方法：BatchNorm
• 数据增强的正则化方法：Cutout、Mixup、AugMix, etc.
• 调整targets的正则化方法：label smoothing

 接着，本论文继续探讨了label smoothing这方法存在的不足之处，即它无法和现在的先进正则化方法形成互补。所以本篇文章的motivation就出来了：如何找到一个更有效地策略去软化hard targets，从而得到包含更多信息的labels？

2. Self-Knowledge Distillation

 作者先从最原始的Knowledge Distillation（知识蒸馏）出发，公式如下：
$${\tilde{p}}_i=\frac{exp(z_i(x)/\tau )}{{\sum }_{j}exp(z_j(x)/\tau )}\text{\hspace{1em}(1)}$$

$$L_{KD}(x,y)=(1-\alpha )H(y,P^S(x))+\alpha {\tau }^{2}H({\tilde{P}}^T(x;\tau ),{\tilde{P}}^S(x;\tau ))\text{\hspace{1em}(2)}$$

 其中$\tau$为温度变量，$z(x)$为logit vector, ${\tilde{P}}^T(x;\tau )$为老师网络的蒸馏输出，${\tilde{P}}^S(x;\tau )$为学生网络的蒸馏输出, $H(.,.)$是交叉熵损失。

 当$\tau =1$的时候知识蒸馏的损失可以化简如下：

$$L_{KD}(x,y)=H((1-\alpha )y+\alpha P^T(x),P^S(x))\text{\hspace{1em}(3)}$$

 在上述公式(3)的基础之上，论文将Knowledge Distillation变为Self Knowledge Distillation，即distill knowledge of itself。具体做法是论文将上一个epoch的模型作为下一个epoch的老师，公式如下：
$$L_{KD,t}(x,y)=H((1-{\alpha }_t)y+{\alpha }_t{P}_{i<t}^T(x),P_t^S(x))\text{\hspace{1em}(4)}$$

$$L_{KD,t}(x,y)=H((1-{\alpha }_t)y+{\alpha }_t{P}_{t-1}^T(x),P_t^S(x))\text{\hspace{1em}(5)}$$

 从上述公式可以知道，整个self-KD loss还有一个超参数${\alpha }_t$需要确定。${\alpha }_t$是一个决定老师模型的soft targets在蒸馏训练过程中重要程度的超参数。由分析可知，模型在刚刚训练的时候往往是不够稳定的，所以这个时候权重应该比较低，随着训练进程的不断推进，这个参数应该逐步增加。所以本论文采用了最简单却有效的线性增长去动态调节${\alpha }_t$:
$${\alpha }_t=\frac{t}{T}{\alpha }_T$$
 其中, t是当前epochs的次数，T是总的epochs次数，${\alpha }_T$是最后一个epoch的$\alpha$（本论文取的0.7）。

3. Better Accuracy & High Quality of Confidence Estimates

 Better Accuracy很好理解，就是作者在classification, object detection, and machine translation这三个领域的一些benchmarks上做了实验，结果表明加入了Self-KD之后比baseline有了明显的精度提升。

 Confidence Estimates则是用了Expected Calibration Error（ECE）这一个指标进行度量。结果表明加入Self-KD之后模型会有更小的ECE，即更高质量的置信度估计。Expected Calibration Error原理分析请移步我的另一篇博客：Expected Calibration Error (ECE) 模型校准原理分析。