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本次文章介紹我們于 TPAMI-2023 發表的一項用于視覺識別的相互對比學習在線知識蒸餾（Online Knowledge Distillation via Mutual Contrastive Learning for Visual Recognition）工作，該工作是我們發表在 AAAI-2022 論文 Mutual contrastive learning for visual representation learning [1] 的擴展版本，論文講解鏈接為：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/574701719 摘要：無需教師的在線知識蒸餾聯合地訓練多個學生模型并且相互地蒸餾知識。雖然現有的在線知識蒸餾方法獲得了很好的性能，但是這些方法通常關注類別概率作為核心知識類型，忽略了有價值的特征表達信息。本文展示了一個相互對比學習（Mutual Contrastive Learning，MCL）框架用于在線知識蒸餾。MCL 的核心思想是在一個網絡群體中利用在線的方式進行對比分布的交互和遷移。MCL 可以聚合跨網絡的嵌入向量信息，同時最大化兩個網絡互信息的下界。這種做法可以使得每一個網絡可以從其他網絡中學習到額外的對比知識，從而有利于學習到更好的特征表達，提升視覺識別任務的性能。相比于會議版本，期刊版本將 MCL 擴展到中間特征層并且使用元優化來訓練自適應的層匹配機制。除了最后一層，MCL 也在中間層進行特征對比學習，因此新方法命名為 Layer-wise MCL（L-MCL）。在圖像分類和其他視覺識別任務上展示了 L-MCL 相比于先進在線知識蒸餾方法獲得了一致的提升。此優勢表明了 L-MCL 引導網絡產生了更好的特征表達。

論文地址：

https://arxiv.org/pdf/2207.11518.pdf

代碼地址：

https://github.com/winycg/L-MCL

引言

傳統的離線知識蒸餾需要預訓練的教師模型對學生模型進行監督。在線知識蒸餾在無需教師的情況下同時聯合訓練兩個以上的學生模型。深度相互學習（Deep Mutual Learning，DML）[2]表明了模型群體可以從相互學習類別概率分布（圖像分類任務最后的輸出預測）中獲益。每一個模型在同伴教授的模式下相比傳統的單獨訓練效果更好。現有的在線知識蒸餾方法通常僅僅關注結果驅動的蒸餾，但是忽略了在線蒸餾特征方面的應用。雖然先前的 AFD [3]嘗試通過在線的方式在多個網絡間對齊中間特征圖，Zhang 等人[2]指出這種做法會減少群體多樣性，降低相互學習能力。為了學習更有意義的特征嵌入，我們認為一個更好的方式是從視覺表征學習角度的對比學習。

▲ 圖1. 相互對比學習基本思想示意圖圖中，和分別表示兩個不同的網絡，是推理來自網絡和輸入樣本產生的特征向量。虛線和箭頭代表要逼近或者遠離的方向。從圖中可以看出，MCL 包含了樸素對比學習（Vanilla Contrastive Learning，VCL）和交互式對比學習（Interactive Contrastive Learning，ICL）。相比于傳統的 VCL，提出的 ICL 從兩個不同網絡間建模對比相似度分布。本文證明 ICL 的誤差函數等價于最大化兩個網絡互信息的下界，這可以被理解為一個網絡可以學習到另外網絡額外的知識。 MCL 主要是發表于 AAAI-2022 的方法，期刊版本將 MCL 從卷積網絡的最后一層擴展到多個模型的中間特征層，命名為 Layer-wise MCL。此外，傳統的中間特征層蒸餾使用手工的匹配，本文則提出一個自適應的層匹配機制，然后通過元優化來訓練該機制。

方法

2.1. 相互對比學習MCL（AAAI-2022）

▲ 圖2. 相互對比學習整體示意圖

2.1.1 傳統對比學習（Vanilla Contrastive Learning,VCL） 為了便于描述，本方法將 anchor 樣本向量表示為，正樣本向量表示為和個負樣本向量表達為。表示向量產生自網絡。這里，特征向量通過標準化進行預處理。使用基于 InfoNCE 的交叉熵作為對比誤差：

?對于總共個網絡來說，所有的對比誤差表示為：

2.1.2 交互式對比學習（Interactive Contrastive Learning,ICL） VCL 不能建模跨網絡的關系來進行聯合學習，因為對比分布來自于網絡自身的嵌入空間。ICL 的 anchor 樣本與對比樣本產生自不同的網絡，但在誤差形式上依舊與傳統的對比學習誤差相同：

對于總共個網絡來說，所有的對比誤差表示為：

理論分析： 相比于誤差，最小化等價于最大化網絡互信息的下界：

直覺上，當來自的 anchor 特征向量已知時，互信息衡量了來自對比特征向量的不確定性，這可以理解為每一個網絡可以從其他網絡中學習到對比知識，從而更有利于表征學習。

2.1.3 基于在線相互遷移的軟對比學習 收到深度相互學習（Deep Mutual Learning，DML）[1] 的啟發，本方法利用 KL 散度來對齊網絡間的對比分布，根據本文提出的兩種對比學習方法 VCL 和 ICL 來進行對比分布的雙向遷移：

2.1.3.1 Soft VCL： 對于產生的分布來說，其監督信號是其他網絡產生的分布，利用 KL 散度使得與其他分布接近：

2.1.3.2 Soft ICL 給定兩個網絡和，可以得到兩個ICL對應的對比分布和，使用 KL 散度的形式使得兩個分布盡可能接近。對于個網絡來說，每兩個網絡進行對比分布的遷移：

2.1.4 MCL的整體誤差 為了盡可能利用聯合學習的優勢，本方法將所有的對比誤差項作為一個整體的誤差訓練個網絡：

2.2 逐層的相互對比學習（Layer-wise MCL）

▲ 圖3. 一對一匹配和加權的多對多匹配示意圖 2.2.1 基礎框架 給定網絡群體，每一個網絡具有個階段，原始的 MCL 在最后的特征嵌入上進行學習。Layer-wise MCL（L-MCL）進一步擴展相互對比學習到中間特征層和最后特征層，并且采用跨層的方式。

下一個章節，本文展示如何利用元網絡來優化匹配權重。

2.2.2 訓練元網絡 2.2.2.1 交叉熵任務誤差 使用交叉熵誤差訓練個網絡：

?將基礎的任務誤差和 L-MCL 誤差相加作為總誤差來進行特征層面的在線蒸餾誤差：

2.2.2.2 元優化 受到元學習的啟發，本文采用交替優化的方式來訓練學生網絡和元網絡：（1）更新來次最小化。（2）更新來一次最小化。（3）衡量并且更新來最小化它。

2.2.2.3 元網絡 結構元網絡包含了兩個線性轉換層和，來對輸入的特征向量進行轉換。轉換之后，特征向量通過正則化來進行標準化。受到自注意力機制的啟發，本文利用點乘得到匹配特征的相似性，從而衡量匹配層的相關性，然后引入 sigmoid 激活函數來將輸出值縮放到作為層匹配權重。整體的過程被規則化為：

實驗

在 ImageNet 上的實驗結果如下所示，表 1 和表 2 分別展示了兩個同構和異構網絡利用相互對比學習的實驗結果。

▲ 表1. 兩個同構網絡利用相互對比學習的實驗結果

▲表2. 兩個異構網絡利用相互對比學習的實驗結果實驗結果表明本文提出的 L-MCL 相比于 baseline 以及先前流行的在線知識蒸餾方法都獲得了顯著的性能提升，表明在多個網絡之間使用特征層面的對比學習蒸餾相比概率分布效果更好。在下游的目標檢測和實例分割實驗上表明了該方法相比先前的蒸餾方法引導網絡學習到了更好的視覺表征，從而提升了視覺識別效果。

▲ 表3. 通過在線蒸餾的預訓練網絡遷移到下游的目標檢測和與實例分割的實驗

參考文獻

?[1] Yang C, An Z, Cai L, et al. Mutual contrastive learning for visual representation learning[C]//Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence. 2022, 36(3): 3045-3053.[2] Zhang Y, Xiang T, Hospedales T M, et al. Deep mutual learning[C]//Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2018: 4320-4328.[3] Chung I, Park S U, Kim J, et al. Feature-map-level online adversarial knowledge distillation[C]//International Conference on Machine Learning. PMLR, 2020: 2006-2015. ·

原文標題：TPAMI 2023 | 用于視覺識別的相互對比學習在線知識蒸餾

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2.1. 相互對比學習MCL（AAAI-2022）

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