知识蒸馏解决的问题
- 提升模型精度
- 降低模型时延，压缩网络参数
- 标签之间的域迁移
基本框架
知识蒸馏采取Teacher-Student模式：将复杂且大的模型作为Teacher，Student模型结构较为简单，用Teacher来辅助Student模型的训练，Student模型去学习Teacher模型的泛化能力。
Teacher模型不上线，真正部署上线进行预测任务的是Student小模型。
知识蒸馏根据迁移的方法不同分为基于目标蒸馏（也称为Soft-target蒸馏或Logits方法蒸馏）和基于特征蒸馏的算法两个大的方向。
目标蒸馏 Logits方法
训练的目标
限定在分类问题下，传统的神经网络训练方法是定义一个损失函数，目标是使预测值尽可能接近于真实值（Hard- target），在知识蒸馏中，是使用大模型softmax层输出的类别概率作为Soft-target的训练过程。
- Hard-target：原始数据集标注的 one-shot 标签，除了正标签为 1，其他负标签都是 0。
- Soft-target：Teacher模型softmax层输出的类别概率，每个类别都分配了概率，正标签的概率最高。
Teacher模型的作用
知识蒸馏用Teacher模型预测的 Soft-target 来辅助 Hard-target 训练Student模型的方式为什么有效呢？
softmax层的输出，除了正例之外，负标签也带有Teacher模型归纳推理的大量信息，比如某些负标签对应的概率远远大于其他负标签，则代表 Teacher模型在推理时认为该样本与该负标签有一定的相似性。而在传统的训练过程(Hard-target)中，所有负标签都被统一对待。也就是说，知识蒸馏的训练方式使得每个样本给Student模型带来的信息量大于传统的训练方式。
具体方法
几个概念：
- logits：经过DNN网络各种非线性变换，在网络最后Softmax层之前，会得到这张图片属于各个类别的大小数值zi。
- softmax函数：exp(zi)/sum(exp(z))，指数会增大logits之间的差异，对输出结果进行归一化表示。
- 带温度系数的softmax函数：exp(zi/T)/sum(exp(z/T))，当T越大，z/T越小，输出的分布越平滑，负标签所携带的信息相当于被放大。
步骤：
- 训练好Teacher模型；
- 使用高温度系数产生soft-target；
- 使用soft-target和hard-target（ground-truth）同时训练Student模型；
- Student线上做推理，设置温度系数T=1。
第3步中，损失函数是两个交叉熵的加权和L=aLsoft+bLhard
，之所以要加上hard-target的部分，是因为Teacher模型有错误的概率，需要ground-truth进行纠正。
Lhard权重取较小值时，效果比较好，由于Lsoft贡献的梯度大约为Lhard的1/T2，因此在同时使用Soft-target和Hard-target的时候，需要在Lsoft的权重上乘T2的系数，这样才能保证Soft-target和Hard-target贡献的梯度量基本一致。
温度T参数调整
温度T特点：
原始的softmax函数是T=0时的特例；T越小时，概率分布比原始更“陡峭”，也就是说，当T接近于0时，Softmax 的输出值会接近于 Hard-target；随着T的增加，Softmax 的输出分布越来越平缓，信息熵会越来越大。温度越高，softmax上各个值的分布就越平均，思考极端情况，当T=无穷大时，softmax的值是平均分布的。
- 当想从负标签中学到一些信息量的时候，温度T应调高一些；
- 当想减少负标签的干扰的时候，温度T应调低一些。
T的选择和Student模型的大小有关，Student模型参数量比较小的时候，相对比较低的温度就可以了。因为参数量小的模型不能学到所有Teacher模型的知识，所以可以适当忽略掉一些负标签的信息。
在整个知识蒸馏过程中，我们先让温度T升高，然后在测试阶段恢复“低温“，从而将原模型中的知识提取出来，因此将其称为是蒸馏。
特征蒸馏
特征蒸馏.png
作用：将深且宽的网络蒸馏成更深但窄的网络
步骤：
第一阶段：首先选择待蒸馏的中间层（即Teacher的Hint layer和Student的Guided layer），由于两者的输出尺寸可能不同，在Guided layer后另外接一层卷积层，使得输出尺寸与Teacher的Hint layer匹配。接着通过知识蒸馏的方式训练Student网络的Guided layer，使得Student网络的中间层学习到Teacher的Hint layer的输出。
第二阶段： 在训练好Guided layer之后，将当前的参数作为网络的初始参数，利用知识蒸馏的方式训练Student网络的所有层参数，使Student学习Teacher的输出。
相关论文
目标蒸馏
Distilling the Knowledge in a Neural Network 》，NIPS，2014。
《Deep Mutual Learning》，CVPR，2018。
《Born Again Neural Networks》，CVPR，2018。
《Distilling Task-Specific Knowledge from BERT into Simple Neural Networks》，2019。
特征蒸馏
《FitNets: Hints for Thin Deep Nets》，ICLR，2015。
《Paying More Attention to Attention: Improving the Performance of Convolutional Neural Networks via Attention Transfer》， ICLR，2017。
《A Gift from Knowledge Distillation: Fast Optimization, Network Minimization and Transfer Learning》，CVPR，2017。
《Learning Efficient Object Detection Models》，NIPS，2017。
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