CVPR 2023 中的領(lǐng)域適應(yīng): 通過自蒸餾正則化實現(xiàn)內(nèi)存高效的 CoTTA

目錄

前言

內(nèi)存比較

EcoTTA 實現(xiàn)

Memory-efficient Architecture

Self-distilled Regularization

實驗

分類實驗

分割實驗

總結(jié)

參考

前言

我們介紹了 CoTTA 方法，這次介紹的是基于它的優(yōu)化工作：EcoTTA，被接受在 CVPR 2023 上。

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CoTTA

本篇文章

DIGA

上一篇文章我們提到 CoTTA 的輸入是隨時間軸變化的數(shù)據(jù)（比如自動駕駛中不斷切換的天氣條件），且是測試伴隨訓(xùn)練任務(wù)。所以，CoTTA 通常在內(nèi)存有限的邊緣設(shè)備上進行，因此減少內(nèi)存消耗至關(guān)重要。先前的 TTA 研究忽略了減少內(nèi)存消耗的重要性。此外，上一篇文章也提到了長期適應(yīng)通常會導(dǎo)致災(zāi)難性的遺忘和錯誤積累，從而阻礙在現(xiàn)實世界部署中應(yīng)用 TTA。

EcoTTA 包括解決這些問題的兩個組成部分。第一個組件是輕量級元網(wǎng)絡(luò)，它可以使凍結(jié)的原始網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)目標域。這種架構(gòu)通過減少反向傳播所需的中間激活量來最大限度地減少內(nèi)存消耗。第二個組成部分是自蒸餾正則化，它控制元網(wǎng)絡(luò)的輸出，使其與凍結(jié)的原始網(wǎng)絡(luò)的輸出不顯著偏離。這種正則化可以保留來自源域的知識，而無需額外的內(nèi)存。這種正則化可防止錯誤累積和災(zāi)難性遺忘，即使在長期的測試時適應(yīng)中也能保持穩(wěn)定的性能。

內(nèi)存比較

首先，我們先看一下 EcoTTA 和其他方法的內(nèi)存比較。下圖（a）表示在訓(xùn)練過程中，與參數(shù)相比，激活的大小是主要的內(nèi)存瓶頸。下圖（b）中，x 軸和 y 軸分別表示所有平均誤差和總內(nèi)存消耗，包括參數(shù)和激活。對 CIFAR-C 數(shù)據(jù)集進行連續(xù)的在線適應(yīng)，EcoTTA在消耗最少的內(nèi)存的同時取得了最佳結(jié)果。這里我們發(fā)現(xiàn)，作者全文的實驗只對比了類 ResNet 架構(gòu)，而 CoTTA 中性能最高的架構(gòu)是 SegFormer。

EcoTTA 實現(xiàn)

關(guān)于相關(guān)工作的部分，我們已經(jīng)在 CoTTA 中介紹過了。將 EcoTTA 的策略和其他方法（都是 TTA 的）對比如下圖，包括 TENT、EATA 和 CoTTA。TENT 和 EATA 更新了多個 BN 層，這需要存儲大量激活以進行梯度計算。這可能會導(dǎo)致內(nèi)存問題，尤其是在內(nèi)存有限的邊緣設(shè)備上。CoTTA 使用額外的持續(xù)適應(yīng)策略來訓(xùn)練整個網(wǎng)絡(luò)，這需要大量的內(nèi)存和時間。相比之下，EcoTTA 要求通過僅更新幾層來最大限度地減少激活量。這減少了內(nèi)存消耗，使其適用于內(nèi)存有限的邊緣設(shè)備。

下面我們關(guān)注 EcoTTA 兩個部分的實現(xiàn)。

Memory-efficient Architecture

假設(shè)模型中的第 i 個線性層由權(quán)重 W 和偏置 b 組成，該層的輸入特征和輸出特征分別為 fi 和 fi+1。給定 fi+1 = fiW + b 的前向傳播，從第 i+1 層到第 i 層的反向傳播和權(quán)重梯度分別制定為：

意味著需要更新權(quán)重 W 的可學(xué)習(xí)層必須存儲中間激活 fi 以計算權(quán)重梯度。相反，凍結(jié)層的反向傳播可以在不保存激活的情況下完成，只需要其權(quán)重 W。

相對于可學(xué)習(xí)參數(shù)，激活占據(jù)了訓(xùn)練模型所需內(nèi)存的大部分。基于這個事實，CoTTA 需要大量的內(nèi)存（因為要更新整個 model）。另外，僅僅更新 BN 層中的參數(shù)（例如 TENT 和 EATA）并不是一種足夠有效的方法，因為它們?nèi)匀槐４媪硕鄠€ BN 層的大量中間激活。EcoTTA 提出了一種簡單而有效的方法，通過丟棄這些激活來顯著減少大量的內(nèi)存占用。

在這里插入圖片描述

在部署之前，我們首先使用任何預(yù)訓(xùn)練方法獲取一個預(yù)訓(xùn)練模型。然后，我們將預(yù)訓(xùn)練模型的編碼器分成 K 個部分，如上圖（a）所示。一個元網(wǎng)絡(luò)組由一個批歸一化層和一個卷積塊（ConvBN-Relu）組成，將輕量級元網(wǎng)絡(luò)附加到原始網(wǎng)絡(luò)的每個部分上，如上圖（b）所示。我們在源數(shù)據(jù)集上對元網(wǎng)絡(luò)進行預(yù)訓(xùn)練，同時凍結(jié)原始網(wǎng)絡(luò)。這個預(yù)熱過程完成后，我們可以進行模型部署。強調(diào)一點，在測試時不需要源數(shù)據(jù)集 Ds，所以本質(zhì)上還是 TTA 的范式。更詳細的元網(wǎng)絡(luò)組成如下：

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此外，我們需要預(yù)訓(xùn)練模型的幾個分區(qū)。先前解決域偏移的 TTA 研究表明，相對于更新深層，更新淺層對于改善適應(yīng)性能更為關(guān)鍵。受到這樣的發(fā)現(xiàn)啟發(fā)，假設(shè)預(yù)訓(xùn)練模型的編碼器被劃分為模型分區(qū)因子 K（例如 4 或 5），我們將編碼器的淺層部分（即 Dense）相對于深層部分進行更多的劃分，表現(xiàn)如下表所示。

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在部署期間，我們只對目標域適應(yīng)元網(wǎng)絡(luò)，而凍結(jié)原始網(wǎng)絡(luò)。適應(yīng)過程中，我們使用熵最小化方法對熵小于預(yù)定義閾值的樣本進行適應(yīng)，計算方法如下面的公式所示，并使用自提出的正則化損失來防止災(zāi)難性遺忘和錯誤累積。

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在第二個公式中，左右兩項分別表示適應(yīng)損失（主要任務(wù)是適應(yīng)目標域）和正則化損失。整體而言，EcoTTA 在內(nèi)存使用方面比之前的工作更加高效，平均使用的內(nèi)存比 CoTTA 和 TENT/EATA 少 82% 和 60%。

Self-distilled Regularization

無標簽測試數(shù)據(jù)集 Dt 上的無監(jiān)督損失往往會向模型提供錯誤的信號（即噪聲，，其中 是測試樣本的真實標簽）。使用無監(jiān)督損失進行長期適應(yīng)會導(dǎo)致過擬合（由于誤差累積）和災(zāi)難性遺忘的問題。為了解決這些關(guān)鍵問題，EcoTTA 提出了一種自蒸餾正則化方法。如上圖（c）所示，對每個元網(wǎng)絡(luò)的第 k 組輸出 進行正則化，使其與凍結(jié)的原始網(wǎng)絡(luò)的第 k 部分輸出 保持接近。正則化損失使用平均絕對誤差（L1 Loss）進行計算，表達式如下：

由于原始網(wǎng)絡(luò)不會被更新，從中提取的輸出 , k～K 被認為包含了從源域?qū)W到的知識。利用這個事實，通過將元網(wǎng)絡(luò)的輸出 與原始網(wǎng)絡(luò)的輸出進行知識蒸餾的方式進行正則化。也就是說，防止適應(yīng)模型與原始模型顯著偏離，可以避免災(zāi)難性遺忘。通過保留源域知識和利用原始模型的類別區(qū)分度，避免誤差累積。值得注意的是，與先前的方法不同，自蒸餾正則化方法無需保存額外的原始網(wǎng)絡(luò)，它只需要很少的計算量和內(nèi)存開銷。

實驗

分類實驗

下表是在 CIFAR-C 數(shù)據(jù)集上的錯誤率比較結(jié)果。包括連續(xù) TTA 上處理了 15 種不同的損壞樣本后的平均錯誤率，并考慮了模型參數(shù)和激活大小所需的內(nèi)存。其中，還使用了 AugMix 數(shù)據(jù)處理方法來增強模型的魯棒性。Source 表示未經(jīng)過適應(yīng)的預(yù)訓(xùn)練模型。single domain的 TENT 是在適應(yīng)到新的目標域時重置模型（因為這篇論文和 CoTTA 都是在 domian flow 的 setting 下考慮的，而不是 single domain），因此需要使用域標簽來指定目標域。

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下表是 ImageNet 到 ImageNet-C 的結(jié)果：

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分割實驗

下表是分割實驗的對比結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)沒有和 CoTTA 比較，因為 EcoTTA 沒有用和 CoTTA 一樣的 backbone: Segformer，而是 ResNet family。這里我的考慮是，在 Segformer 上性能提高可以可能不明顯，并且 Segformer 的內(nèi)存占用更大。

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總結(jié)

這個工作改進了 CoTTA 的性能并節(jié)省了大量內(nèi)存，適用于內(nèi)存有限的邊緣設(shè)備（例如，具有 512MB 的樹莓派和具有 4G B的 iPhone 13）。首先，提出了一種內(nèi)存高效的架構(gòu)，由原始網(wǎng)絡(luò)和元網(wǎng)絡(luò)組成。通過減少用于梯度計算的中間激活值，該架構(gòu)所需的內(nèi)存大小比先前的 TTA 方法要小得多。其次，在解決長期適應(yīng)問題中，提出了自蒸餾正則化方法，以保留源知識并防止由于噪聲的無監(jiān)督損失導(dǎo)致的錯誤累積。該方法通過控制元網(wǎng)絡(luò)的輸出與原始網(wǎng)絡(luò)的輸出沒有顯著偏離來實現(xiàn)。通過對多個數(shù)據(jù)集和主干網(wǎng)絡(luò)進行廣泛的實驗證明了 EcoTTA 的內(nèi)存效率和 TTA 上的性能。

參考

https://arxiv.org/abs/2303.01904

https://mp.weixin.qq.com/s/kWzXWENTTBKHKZxKKECdlQ