一分鐘帶你認識深度學習中的知識蒸餾
摘要：知識蒸餾（knowledge distillation）是模型壓縮的一種常用的方法
一、知識蒸餾入門
1.1 概念介紹
知識蒸餾（knowledge distillation）是模型壓縮的一種常用的方法，不同於模型壓縮中的剪枝和量化，知識蒸餾是通過構建一個輕量化的小模型，利用性能更好的大模型的監督信息，來訓練這個小模型，以期達到更好的性能和精度。最早是由Hinton在2015年首次提出並應用在分類任務上面，這個大模型我們稱之為teacher（教師模型），小模型我們稱之為Student（學生模型）。來自Teacher模型輸出的監督信息稱之為knowledge(知識)，而student學習遷移來自teacher的監督信息的過程稱之為Distillation(蒸餾)。
1.2 知識蒸餾的種類
圖1 知識蒸餾的種類
1、 離線蒸餾
離線蒸餾方式即為傳統的知識蒸餾，如上圖（a）。用戶需要在已知數據集上面提前訓練好一個teacher模型，然後在對student模型進行訓練的時候，利用所獲取的teacher模型進行監督訓練來達到蒸餾的目的，而且這個teacher的訓練精度要比student模型精度要高，差值越大，蒸餾效果也就越明顯。一般來講，teacher的模型參數在蒸餾訓練的過程中保持不變，達到訓練student模型的目的。蒸餾的損失函數distillation loss計算teacher和student之前輸出預測值的差別，和student的loss加在一起作為整個訓練loss，來進行梯度更新，最終得到一個更高性能和精度的student模型。
2、 半監督蒸餾
半監督方式的蒸餾利用了teacher模型的預測信息作為標籤，來對student網絡進行監督學習，如上圖（b）。那麼不同於傳統離線蒸餾的方式，在對student模型訓練之前，先輸入部分的未標記的數據，利用teacher網絡輸出標籤作為監督信息再輸入到student網絡中，來完成蒸餾過程，這樣就可以使用更少標註量的數據集，達到提升模型精度的目的。
3、 自監督蒸餾
自監督蒸餾相比於傳統的離線蒸餾的方式是不需要提前訓練一個teacher網絡模型，而是student網絡本身的訓練完成一個蒸餾過程，如上圖（c）。具體實現方式 有多種，例如先開始訓練student模型，在整個訓練過程的最後幾個epoch的時候，利用前面訓練的student作為監督模型，在剩下的epoch中，對模型進行蒸餾。這樣做的好處是不需要提前訓練好teacher模型，就可以變訓練邊蒸餾，節省整個蒸餾過程的訓練時間。
1.3 知識蒸餾的功能
1、提升模型精度
用戶如果對目前的網絡模型A的精度不是很滿意，那麼可以先訓練一個更高精度的teacher模型B（通常參數量更多，時延更大），然後用這個訓練好的teacher模型B對student模型A進行知識蒸餾，得到一個更高精度的模型。
2、降低模型時延，壓縮網絡參數
用戶如果對目前的網絡模型A的時延不滿意，可以先找到一個時延更低，參數量更小的模型B，通常來講，這種模型精度也會比較低，然後通過訓練一個更高精度的teacher模型C來對這個參數量小的模型B進行知識蒸餾，使得該模型B的精度接近最原始的模型A，從而達到降低時延的目的。
3、圖片標籤之間的域遷移
用戶使用狗和貓的數據集訓練了一個teacher模型A，使用香蕉和蘋果訓練了一個teacher模型B，那麼就可以用這兩個模型同時蒸餾出一個可以識別狗，貓，香蕉以及蘋果的模型，將兩個不同與的數據集進行集成和遷移。
圖2 圖像域遷移訓練
4、降低標註量
該功能可以通過半監督的蒸餾方式來實現，用戶利用訓練好的teacher網絡模型來對未標註的數據集進行蒸餾，達到降低標註量的目的。
1.4 知識蒸餾的原理
圖3 知識蒸餾原理介紹
一般使用蒸餾的時候，往往會找一個參數量更小的student網絡，那麼相比於teacher來說，這個輕量級的網絡不能很好的學習到數據集之前隱藏的潛在關係，如上圖所示，相比於one hot的輸出，teacher網絡是將輸出的logits進行了softmax，更加平滑的處理了標籤，即將數字1輸出成了0.6（對1的預測）和0.4（對0的預測）然後輸入到student網絡中，相比於1來說，這種softmax含有更多的信息。好模型的目標不是擬合訓練數據，而是學習如何泛化到新的數據。所以蒸餾的目標是讓student學習到teacher的泛化能力，理論上得到的結果會比單純擬合訓練數據的student要好。另外，對於分類任務，如果soft targets的熵比hard targets高，那顯然student會學習到更多的信息。最終student模型學習的是teacher模型的泛化能力，而不是「過擬合訓練數據」
二、動手實踐知識蒸餾
ModelArts模型市場中的efficientDet目標檢測算法目前已經支持知識蒸餾，用戶可以通過下面的一個案例，來入門和熟悉知識蒸餾在檢測網絡中的使用流程。
2.1 準備數據集
數據集使用kaggle公開的Images of Canine Coccidiosis Parasite的識別任務，下載地址：//www.kaggle.com/kvinicki/canine-coccidiosis。用戶下載數據集之後，發佈到ModelArts的數據集管理中，同時進行數據集切分，默認按照8:2的比例切分成train和eval兩種。
2.2 訂閱市場算法efficientDet
進到模型市場算法界面，找到efficientDet算法，點擊「訂閱」按鈕
圖4 市場訂閱efficientDet算法
然後到算法管理界面，找到已經訂閱的efficientDet，點擊同步，就可以進行算法訓練
圖5 算法管理同步訂閱算法
2.3 訓練student網絡模型
起一個efficientDet的訓練作業，model_name=efficientdet-d0，數據集選用2.1發佈的已經切分好的數據集，選擇好輸出路徑，點擊創建，具體創建參數如下：
圖6 創建student網絡的訓練作業
得到訓練的模型精度信息在評估結果界面，如下：
圖7 student模型訓練結果
可以看到student的模型精度在0.8473。
2.4 訓練teacher網絡模型
下一步就是訓練一個teacher模型，按照efficientDet文檔的描述，這裡選擇efficientdet-d3，同時需要添加一個參數，表明該訓練作業生成的模型是用來作為知識蒸餾的teacher模型，新起一個訓練作業，具體參數如下：
圖8 teacher模型訓練作業參數
得到的模型精度在評估結果一欄，具體如下：
圖9 teacher模型訓練結果
可以看到teacher的模型精度在0.875。
2.5 使用知識蒸餾提升student模型精度
有了teacher網絡，下一步就是進行知識蒸餾了，按照官方文檔，需要填寫teacher model url，具體填寫的內容就是2.4訓練輸出路徑下面的model目錄，注意需要選到model目錄的那一層級，同時需要添加參數use_offline_kd=True，具體模型參數如下所示：
圖10 採用知識蒸餾的student模型訓練作業參數
得到模型精度在評估結果一欄，具體如下：
圖11 使用知識蒸餾之後的student模型訓練結果
可以看到經過知識蒸餾之後的student的模型精度提升到了0.863，精度相比於之前的student網絡提升了1.6%百分點。
2.6 在線推理部署
訓練之後的模型就可以進行模型部署了，具體點擊「創建模型」
圖12 創建模型
界面會自動讀取模型訓練的保存路徑，點擊創建：
圖13 導入模型
模型部署成功之後，點擊創建在線服務：
圖14 部署在線服務
部署成功就可以進行在線預測了：
圖15 模型推理結果展示
三、知識蒸餾目前的應用領域
目前知識蒸餾的算法已經廣泛應用到圖像語義識別，目標檢測等場景中，並且針對不同的研究場景，蒸餾方法都做了部分的定製化修改，同時，在行人檢測，人臉識別，姿態檢測，圖像域遷移，視頻檢測等方面，知識蒸餾也是作為一種提升模型性能和精度的重要方法，隨着深度學習的發展，這種技術也會更加的成熟和穩定。
參考文獻：
[1]Data Distillation: Towards Omni-Supervised Learning
[2]On the Efficacy of Knowledge Distillation
[3]Knowledge Distillation and Student-Teacher Learning for Visual Intelligence: A Review and New Outlooks
[4]Towards Understanding Knowledge Distillation
[5]Model Compression via Distillation and Quantization
