[论文评析]Decoupled Knowledge Distillation， CVPR2022

文章信息

题目：Decoupled Knowledge Distillation
发表： CVPR ,2022
作者：Borui Zhao 11，Quan Cui 2， Renjie Song 1， Yiyu Qiu 1,3， Jiajun Liang

动机

当前的知识蒸馏研究主要集中在中间特征层的蒸馏，而输出Logit的蒸馏被忽视。基于此，作者从经典的KL loss出发，通过巧妙的变形将KL Loss拆分成了两部分的和，前半部分与目标类别有关，后半部分与非目标类别有关， 从而发现了KL Loss的一些本质性的问题， 进而提出了一种新的Loss能够更好的进行知识蒸馏。

方法

这篇文章最核心的实际上就是对KL loss的Reformulation， 在开始对KL loss进行变形之前先来声明一些定义，后面会用到。

Basic notions

对于C各类别的分类问题，模型的输出记为：
其中第i个分量表示输入属于第i个类别的概率，计算公式如下：
其中zi即为激活之前模型的第i个输出值logit。
根据是否为目标类，将概率集合分类为两部分$b=[p_t,p_{/t}]$, 定义如下：
进一步，对于非目标类别集合进一步定义归一化的概率集合
，定义如下：
其中 i ∈ { 1 , . . . , t − 1 , t + 1 , . . . , C } i \in \{1,...,t-1, t+1,...,C\} i∈{1,...,t−1,t+1,...,C}。
可以看到：

KL Loss

KL散度的定义如下，并根据是否为目标类别作如下拆分：
其中$P^T$, $P^S$分别为ground_truth和Prediction, 都为概率向量的形式，ground_truth可由teacher model获得。
将下式带入
可进一步得到：
因此KL loss拆分为：

可以看到公式右边前半部分代表目标类的知识蒸馏
Target class knowledge distillation (TCKD), 后半部分代表非目标类的知识蒸馏Non-target class knowledge distillation (NCKD)， KD被拆分为这二者的加权和：
二者的作用：
TCKD: 通过binary classification 关注与目标类相关的知识，实际上是在学习/迁移与训练样本难度的知识；
NCKD: 关注非目标类的知识，NCKD是logit distillation起作用的重要原因；

重要发现

基于对KD loss的reformulation，作者揭示了KD loss存在的一些本质性问题：
（1）NCKD很重要，但是在经典的KD loss中，NCKD的权重为$1-p_t^T$,这意味着对于对于预测较好的样本，该项权重接近于0，从而NCKD的作用被限制了;
（2）在经典的KD loss中，二者的权重纠缠在一起，不能够调整二者的权重以平衡这两项的重要度；

基于上述发现的完呢提，作者提出了所谓的解藕知识蒸馏Decoupled knowledge distillation （DKD），新的损失表达式如下：

可以看到作者引入了两个超参数来—$\alpha ,\beta$允许调整二者的权重，从而拜托了原始KD loss的问题。

伪码

DKD loss的伪码如下，代码非常简洁，

思考

1.总体而言，文章还是非常intuitive， 揭示了KD loss存在的一些本质性问题，并且提出了可行的办法来解决这些问题。但是，又引入了连个超参数，这些超参数往往需要根据具体的任务&数据集进行调整。另外，作者也提到$\beta$与蒸馏性能之间的关系尚需进一步探索;
2.作者也提到，在目标检测任务上，logit distillation方法比不上feature distillation的方法，原因在logit distillation不能够迁移有关定位的信息。

References

1.Zhao B, Cui Q, Song R, et al. Decoupled Knowledge Distillation[C]//Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2022: 11953-11962.
2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/523253106;
3.官方代码：https://github.com/megvii-
research/mdistiller