Scale Decoupled Distillation-编程知识

摘要

Logit知识蒸馏因其实用性在近年来的研究中越来越受到重视。然而，与特征知识蒸馏相比，它的性能往往较差。在本文中，我们认为现有的基于Logit的方法可能是次优的，因为它们只利用了耦合多个语义知识的全局Logit输出。这可能会把模棱两可的知识传递给学生，误导他们学习。为此，我们提出了一种简单而有效的logit知识蒸馏方法，即尺度解耦蒸馏（SOD）。SOD**将全局logit输出解耦为多个局部logti输出，并为它们建立蒸馏管道。这有助于学生挖掘和集成细粒度和明确的logit知识。**此外，解耦后的知识可以进一步划分为传递语义信息的一致logit知识和传递样本歧义的互不logit只是。通过增加互补部分的权重，SOD可以引导学生更多的关注模棱两可的样本，提高其辨别能力。

介绍

迄今为止，已经提出了许多logit蒸馏方法，大致可分为两类。第一组旨在通过引入多个分类器或通过自监督学习来提取丰富的Logit知识。第二组旨在通过动态温度或知识解耦等技术优化知识转移。虽然，这些方法取得了很好的结果，但我们认为他们导致次优结果，因为他们仅仅依赖于整个输入的全局logit知识。

具体来说，整幅图像通常耦合多个类别信息，从而导致误分类。一方面，两个类可能属于同一个超类，在他们的样本中共享相似的全局信息。如图1(a)第一列所示，第5类和第6类都属于超类“鱼”，并且具有相似的形状。此外，

如图1(a)第二列所示，场景可能包含来自多个类的信息，例如类6和类983，从而创建语义混合的logit输出。因此，全局logit输出融合了各种细粒度的语义知识。这可能会将模棱两可的知识转移给学生，误导其学习，导致次优表现。

为此，我们提出了SOD方法，通过在尺度水平上解耦Logit输出来辅助logit蒸馏。具体而言，如图1(b)所示，SOD将整个输入的logit输出解耦为多个局部区域的logit输出。然而，SOD将解耦后的logit输出按类进一步划分为一致项和互补项。一致项与全局logit输出属于同一类，将对应类的多尺度知识传递给学生。互补项属于不同于全局Logit输出的类，为学生保留样本的模糊性，避免了对模糊样本的过拟合。最后，SOD对所有logit输出进行蒸馏，将教师的综合知识传递给学生，提高其对模糊样本的识别能力。

总的来说，我们的贡献以及与现有方法的区别如下：

（1）我们揭示了多类知识耦合导致的经典logit蒸馏的局限性。这阻碍了学生对模棱两可的样本继承准确的语义信息。1）

（2）提出了一种简单而有效的logit知识蒸馏方法，即SOD方法。SOD将全局Logit输出解耦为一致和互补的局部logit输出，并为它们建立蒸馏管道，以挖掘和转移更丰富和明确的语义知识。

方法

本节中，我们将回顾传统的KD，然后描述所提出的尺度解耦知识蒸馏的细节。

Notation. 给定图像输入x，设T和S分别表示教师和学生网络。我们将这些网络分为两部分：

（1）一个卷积特征提取器，，则倒数第二层的特征映射记为，其中特征通道数，为空间维度。

（2）另一个是投影矩阵，它将从中提取的特征向量投影到K类logit.。然后，令表示所在位置(i,j)处的特征向量。根据[6,12]中的感受野理论，可以看做是x中区域的表示。

传统知识蒸馏

知识蒸馏的概念是在[7]中首次提出的，通过以下损失将教师到学生的logit知识提炼出来。

表示softmax方法，表示KL散度。

由于全连接层的线性，可以改写为：

分别表示教师和学生的logit输出映射。

从上面的方程中，我们可以看到，传统的基于logit的蒸馏只利用平均logit输出，混合了从不同的局部特征向量计算的不同的局部logit知识。然而，如图1(a)所示，不同的局部输出通常包含不同的语义信息。简单地将它们融合在logit输出中会将模糊的知识传递给学生并误导其学习。

为了克服这一挑战，我们提出了在尺度水平上解耦logit输出的SOD，以挖掘更丰富和明确的logit知识供学生学习。

尺度解耦知识蒸馏

SDD如图2(b)所示。

SDD包含两部分：多尺度池化和信息加权。具体地，给定教师和学生的logit输出图，即。多尺度池化在不同尺度上运行平均池化，并获取输入图像不同区域的logit输出。与只考虑全局logit知识的传统KD相比，这有助于为学生保留具有清晰语义的细粒度知识。然后，对每个尺度的logit输出建立知识蒸馏管道。最后，对于类与全局Logit不一致的局部logit，信息加权增加了蒸馏损失的权重。这引导学生网络更加关注局部和全局类别不一致的模糊样本。

具体来说，多尺度池化把logit输出映射划分为不同尺度的单元，并执行平均池化操作作为聚合每个单元中的logit知识。表示第n个单元格在第m个尺度下的空间箱，表示该单元格对应的输入区域。表示教师对区域的logit输出，也就是这个单元格的logit知识的聚合。

(j,k)表示C(m,n)中logit输出的坐标。学生对同一区域的对数配对输出为。

其中m和n与中的相同。对于没对logit输出，将区域Z(m,n)处的logit知识从教师传递给学生的蒸馏损失D(m,n)定义如下：

为传统的基于对数的蒸馏损失，如[7]中的KL散度和[24]中的解耦损失。遍历所有尺度m中及其对应的细胞，我们可以得到最终的SDD损失如下：

此外，我们可以进一步将解耦后的logit输出通过其类进一步分为两组。一种是与全局logit输出属于同一类的一致项。另一个是来自全局logit输出的属于不同类的互补项。在这里，一致的术语将相应班级的多尺度知识传递给学生。补充术语为学生保留了样本的模糊性。具体来说，当全局预测正确而局部预测错误时，不一致的局部知识鼓励学生保持样本的模糊性，避免了模糊样本的过拟合。另一方面，当全局预测错误而局部预测正确时，不一致的局部知识可以鼓励学生从不同类别的相似组件中学习，减轻教师造成的偏见。

在这里，我们为互补项引入独立的超参数来控制正则化水平，可以重写为：