知识蒸馏综述:网络结构搜索应用

【GiantPandaCV导语】知识蒸馏将教师网络中的知识迁移到学生网络，而NAS中天然的存在大量的网络，使用KD有助于提升超网整体性能。两者结合出现了许多工作，本文收集了部分代表性工作，并进行总结。

1. 引言

知识蒸馏可以看做教师网络通过提供soft label的方式将知识传递到学生网络中，可以被视为一种更高级的label smooth方法。soft label与hard label相比具有以下优点：

• 模型泛化能力更强
• 降低过拟合的风险
• 一定程度上降低了学生网络学习的难度。
• 对噪声更加鲁棒。
• 具有更多的信息量。

那么知识蒸馏在网络结构搜索中有什么作用呢？总结如下：

• 降低子网络收敛难度 ，在权重共享的NAS中，子网之间参数耦合，如果单纯用hard label训练，会导致互相冲突，导致子网络训练不足的情况。
• 如果引入额外的教师网络，可以带来更多的监督信息，加快网络的收敛速度 。
• 一些工作通过知识蒸馏引入评判子网的指标 ，比如与教师网络越接近的，认为其性能越好。

知识蒸馏在很多工作中作为训练技巧来使用，比如OFA中使用渐进收缩训练策略，使用最大的网络指导小网络的学习，采用inplace distillation进行蒸馏。BigNAS中则使用三明治法则，让最大的网络指导剩下网络的蒸馏。

2. KD+NAS

2.1 Cream of the Crop Distilling Prioritized Paths For One-Shot Neural Architecture Search

目标：解决教师网络和学生网络的匹配问题（知识蒸馏中教师网络和学生网络匹配的情况下效果更好）。

在知识蒸馏中，选择不同的教师网络、不同的学生网络的情况下，最终学生网络的性能千差万别。如果学生网络和教师网络的容量相差过多，会导致学生难以学习的情况。Cream这篇文章就是为了解决两者匹配问题。

普通的SPOS方法如左图所示，通过采样单路径子网络进行训练。右图则是结合了知识蒸馏的方法，Cream提出了两个模块：

• Prioritized Path Board : 这个模块中维护了一组优先路径，所谓优先路径就是性能表现较好的子网络，Cream将优先路径Board中的网络作为教师网络，引导知识的蒸馏。
• Meta Network: 这个模块是一个匹配模块，每当采样一个子网络，就会从优先路径Board中计算一个最匹配的网络作为教师网络，完成蒸馏的过程。

Cream中心思想是，子网络可以在整个训练过程中协作学习并相互教导，目的是提高单个模型的收敛性。

消融实验如下：

2.2 DNA : Block-wisely Supervised Neural Architecture Search with Knowledge Distillation

目标：通过教师引导各个block特征层的学习，根据loss大小评判各子网的性能。

这是一篇将NAS和KD融合的非常深的一个工作，被CVPR20接收。之前写过一篇文章进行讲解，这里简单回顾一下。

DNA是两阶段的one-shot NAS方法，因此其引入蒸馏也是为了取代普通的acc指标，提出了使用子网络与教师网络接近程度作为衡量子网性能的指标。

在训练的过程中，进行了分块蒸馏，学生网络某一层的输入来自教师网络上一层的输出，并强制学生网络这一层的输出与教师网络输出一致（使用MSELoss)。在搜索过程结束后，通过计算各子网络与教师网络的接近程度来衡量子网络。

2.3 AlphaNet :Improved Training of Supernet with Alpha-Divergence

目标：通过改进KL divergence防止学生over estimate或者under estimate教师网络。

上图展示了OFA,BigNAS等搜索算法中常用到的蒸馏方法，子网使用的是KL divergence进行衡量，文中分析了KL 散度存在的局限性：即避零性以及零强制性。如下公式所示，p是教师的逻辑层输出，q是学生逻辑层输出。

\[\mathrm{KL}(p \| q)=\mathbb{E}_{p}[\log (p / q)] \]

• 避零性：zero avoiding 当p>0的时候，为了保证KL为正，q必须大于0。如果p=0的时候，q大于0也不会被惩罚。会导致下图所示的过估计问题over estimate。

• 零强制性：zero forcing 当p=0的时候，会强制q=0，因为如果q>0会导致KL divergence趋于无穷。会导致下图所示的低估问题under-estimate

AlphaNet提出了一个新的散度衡量损失函数，防止出现过估计或者低估的问题。如下所示，引入了\(\alpha\)。

\[D_{\alpha}(p \| q)=\frac{1}{\alpha(\alpha-1)} \sum_{i=1}^{m} q_{i}\left[\left(\frac{p_{i}}{q_{i}}\right)^{\alpha}-1\right] \]

其中\(\alpha\)不为0或者1，这样如下图所示：

蓝色线对应example 2表示，当\(\alpha\)为负值，如果q过估计了p中的不确定性，\(D_\alpha(p||q)\)的值会变大。

紫色线对应example 1表示，当$\alpha
\(为正数，如果q低估了p中的不确定性，\)D_\alpha(p||q)$的值会变大

同时考虑两种情况，取两者中最大值作为散度：

\[D_{\alpha_{+}, \alpha_{-}}(p \| q)=\max \{\underbrace{D_{\alpha_{-}}(p \| q)}_{\begin{array}{c} \text { penalizing } \\ \text { over-estimation } \end{array}}, \underbrace{D_{\alpha_{+}}(p \| q)}_{\begin{array}{c} \text { penalizing } \\ \text { under-estimation } \end{array}}\} \]

2.4 TGSA: Teacher guided architecture search

目标：提出了衡量学生网络和教师网络内部激活相似度 衡量指标，通过表征匹配可以用来加速网络结构搜索。

这部分其实是属于知识蒸馏分类中基于关系的知识，构建的知识由不同样本之间的互作用构成。

具体的指标构成如上图所示，是一个bsxbs大小的矩阵，这个在文中被称为Representational Dissmilarity Matrix，其功能是构建了激活层内部的表征，可以通过评估RDM的相似度通过计算上三角矩阵的关系系数，比如皮尔逊系数。

该文章实际上也是构建了一个指标P+TG来衡量子网的性能，挑选出最优子网络。

• TG代表Teacher Guidance 计算的对象时所有RDM的均值。
• P代表Performance 也就是传统的准确率

如上图所示，RDM的计算是通过衡量教师网络的feature以及学生网络的feature的相似度，并选择选取其中最高的RDM相似度。通过构建了一组指标，随着epoch的进行，排序一致性很快就可以提高。

2.5 Search for Better Students to Learn Distilled Knowledge

目标：固定教师网络，搜索最合适的学生网络。

对于相同的教师网络来说，不同的架构的学生网络，即便具有相同的flops或者参数，其泛化能力也有所区别。在这个工作中选择固定教师网络，通过网络搜索的方法找到最优的学生网络，使用L1 Norm优化基础上，选择出与教师网络KL散度差距最小的学生网络。

• 学生网络结构搜索 ：类似模型剪枝的方法，优化scale factor，然后剪枝的时候将该值较小的通道删除。
• 损失函数构建 ：下面与KD的区别是增加了对scale factor g的L1 Norm约束。

\[\min _{\mathbf{w}, \mathbf{g}} \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} K L\left(f_{s}\left(\mathbf{x}_{\mathbf{i}}, \mathbf{w}, \mathbf{g}\right), f_{t}\left(\mathbf{x}_{\mathbf{i}}\right)\right)+\lambda_{1}\|\mathbf{w}\|_{2}+\lambda_{2} \sum_{j=1}^{M} \alpha_{j}\left\|g_{j}\right\|_{1} \]

2.6 Search to Distill: Pearls are Everywhere but not the Eyes

目标：在给定教师网络情况下，搜索最合适的学生网络。

神经网络中的知识不仅蕴含于参数，还受到网络结构影响。KD普遍方法是将教师网络知识提炼到学生网络中，本文提出了一种架构感知的知识蒸馏方法Architecture-Aware KD （AKD），能够找到最合适提炼给特定教师模型的学生网络。

Motivation: 先做了一组实验，发现不同的教师网络会倾向于不同的学生网络，因此在NAS中，使用不同的教师网络会导致模型倾向于选择不同的网络结构。

AKD做法是选择使用强化学习的方法指导搜索过程， 使用的是ENAS那种通过RNN采样的方法。

2.7 Towards Oracle Knowledge Distillation with NAS

目标：从集成的教师网络中学习，并使用NAS调整学生网络模型的容量。NAS+KD+集成。

这篇文章之前也进行了讲解，是网络结构搜索，知识蒸馏，模型集成的大杂烩。

• 网络结构搜索 可以说占非常小的比重，因为搜索空间几乎属于微调，并不是从头搜索，而是大部分的结构都固定下来，只调整某些层的参数，用于控制模型容量。
• 知识蒸馏+模型集成 ：提出了动态选择待集成的模型，选择对应的教师网络进行蒸馏。

详见： https://blog.csdn.net/DD_PP_JJ/article/details/121268840

2.8 AdaNAS: Improving neural architecture search image classifiers via ensemble learning

这篇文章比较有意思，使用上一步中得到的多个子网络进行集成，可以得到教师网络，然后使用知识蒸馏的方法来引导新的子网络的学习。关注重点在于：

• 使用集成的模型性能是否会提升
• 通过先前集成的模型指导模型蒸馏能否生效
• 能否得到一种自动化的集成模型的方式。

AdaNAS受Born Again Network（BAN）启发, 提出Adaptive Knowledge Distillation（AKD)的方法以辅助子网络的训练。

集成模型选择 ：

从左到右代表四次迭代，每个迭代中从搜索空间中选择三个模型。绿色线框出的模型代表每个迭代中最优的模型，AdaNAS选择将每个迭代中最优subnet作为集成的对象。

最终集成的时候还添加了额外的weight参数w1-w4：

最终输出逻辑层如下所示：（这个w权重也会被训练，此时各个集成网络的权重是固定的，只优化w）

\[f_{i}=\sum_{k=1}^{i} w_{k} \cdot h_{k} \]

2.9 Differentiable Feature Aggregation Search for

Knowledge Distillation

目标：解决知识蒸馏的效率和有效性，通过使用特征聚合来引导教师网络与学生网络的学习，网络结构搜索则是体现在特征聚合的过程，使用了类似darts的方法进行自适应调整放缩系数。ECCV20

文章总结了几种蒸馏范式：

最后一种是本文提出的方法，普通的特征蒸馏都是每个block的最后feature map进行互相蒸馏，本文认为可以让教师网络的整个block都引导学生网络。

具体如何将教师网络整个block中所有feature map进行聚合，本文使用的是darts的方法进行动态聚合信息。(a) 图展示的是对group i进行的可微分搜索过程。(b)表示从教师到学生的路径loss构建，使用的是CE loss。(c)表示从学生到教师网络的路径loss构建，使用的是L2 Loss。其中connector实际上是一个1x1 卷积层。

（ps: connector让人想到VID这个工作）