知识蒸馏
作者： Kenneth Borup
创建日期 2020/09/01
上次修改日期 2020/09/01
描述：经典知识蒸馏的实现。
知识蒸馏简介
知识蒸馏是一种模型压缩方法，其中一个小型（学生）模型被训练以匹配一个大型预训练（教师）模型。通过最小化损失函数来将知识从教师模型转移到学生模型，目标是匹配软化的教师 logits 以及真实标签。
通过在 softmax 中应用“温度”缩放函数来软化 logits，有效地平滑概率分布并揭示教师学习的类间关系。
参考文献
设置
import os
import keras
from keras import layers
from keras import ops
import numpy as np
构建 Distiller() 类
自定义 Distiller() 类覆盖了 Model 方法 compile、compute_loss 和 call。为了使用蒸馏器，我们需要
- 一个训练好的教师模型
- 一个要训练的学生模型
- 一个关于学生预测与真实标签之间差异的学生损失函数
- 一个蒸馏损失函数，以及一个
temperature，关于软化学生预测与软化教师标签之间差异 - 一个
alpha因子来加权学生和蒸馏损失 - 一个用于学生模型的优化器以及（可选）用于评估性能的指标
在 compute_loss 方法中，我们执行教师和学生的正向传播，分别使用 alpha 和 1 - alpha 加权 student_loss 和 distillation_loss 来计算损失。注意：仅更新学生权重。
class Distiller(keras.Model):
def __init__(self, student, teacher):
super().__init__()
self.teacher = teacher
self.student = student
def compile(
self,
optimizer,
metrics,
student_loss_fn,
distillation_loss_fn,
alpha=0.1,
temperature=3,
):
"""Configure the distiller.
Args:
optimizer: Keras optimizer for the student weights
metrics: Keras metrics for evaluation
student_loss_fn: Loss function of difference between student
predictions and ground-truth
distillation_loss_fn: Loss function of difference between soft
student predictions and soft teacher predictions
alpha: weight to student_loss_fn and 1-alpha to distillation_loss_fn
temperature: Temperature for softening probability distributions.
Larger temperature gives softer distributions.
"""
super().compile(optimizer=optimizer, metrics=metrics)
self.student_loss_fn = student_loss_fn
self.distillation_loss_fn = distillation_loss_fn
self.alpha = alpha
self.temperature = temperature
def compute_loss(
self, x=None, y=None, y_pred=None, sample_weight=None, allow_empty=False
):
teacher_pred = self.teacher(x, training=False)
student_loss = self.student_loss_fn(y, y_pred)
distillation_loss = self.distillation_loss_fn(
ops.softmax(teacher_pred / self.temperature, axis=1),
ops.softmax(y_pred / self.temperature, axis=1),
) * (self.temperature**2)
loss = self.alpha * student_loss + (1 - self.alpha) * distillation_loss
return loss
def call(self, x):
return self.student(x)
创建学生和教师模型
首先，我们创建一个教师模型和一个较小的学生模型。这两个模型都是卷积神经网络，并使用 Sequential() 创建，但可以是任何 Keras 模型。
# Create the teacher
teacher = keras.Sequential(
[
keras.Input(shape=(28, 28, 1)),
layers.Conv2D(256, (3, 3), strides=(2, 2), padding="same"),
layers.LeakyReLU(negative_slope=0.2),
layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(1, 1), padding="same"),
layers.Conv2D(512, (3, 3), strides=(2, 2), padding="same"),
layers.Flatten(),
layers.Dense(10),
],
name="teacher",
)
# Create the student
student = keras.Sequential(
[
keras.Input(shape=(28, 28, 1)),
layers.Conv2D(16, (3, 3), strides=(2, 2), padding="same"),
layers.LeakyReLU(negative_slope=0.2),
layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(1, 1), padding="same"),
layers.Conv2D(32, (3, 3), strides=(2, 2), padding="same"),
layers.Flatten(),
layers.Dense(10),
],
name="student",
)
# Clone student for later comparison
student_scratch = keras.models.clone_model(student)
准备数据集
用于训练教师和蒸馏教师的数据集是 MNIST，并且该过程对于任何其他数据集（例如 CIFAR-10）都是等效的，只需选择合适的模型即可。学生和教师都在训练集上进行训练，并在测试集上进行评估。
# Prepare the train and test dataset.
batch_size = 64
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = keras.datasets.mnist.load_data()
# Normalize data
x_train = x_train.astype("float32") / 255.0
x_train = np.reshape(x_train, (-1, 28, 28, 1))
x_test = x_test.astype("float32") / 255.0
x_test = np.reshape(x_test, (-1, 28, 28, 1))
训练教师
在知识蒸馏中，我们假设教师已经过训练并且是固定的。因此，我们首先以通常的方式在训练集上训练教师模型。
# Train teacher as usual
teacher.compile(
optimizer=keras.optimizers.Adam(),
loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
metrics=[keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()],
)
# Train and evaluate teacher on data.
teacher.fit(x_train, y_train, epochs=5)
teacher.evaluate(x_test, y_test)
Epoch 1/5
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 8s 3ms/step - loss: 0.2408 - sparse_categorical_accuracy: 0.9259
Epoch 2/5
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 5s 3ms/step - loss: 0.0912 - sparse_categorical_accuracy: 0.9726
Epoch 3/5
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 7s 4ms/step - loss: 0.0758 - sparse_categorical_accuracy: 0.9777
Epoch 4/5
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 5s 3ms/step - loss: 0.0690 - sparse_categorical_accuracy: 0.9797
Epoch 5/5
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 5s 3ms/step - loss: 0.0582 - sparse_categorical_accuracy: 0.9825
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1s 3ms/step - loss: 0.0931 - sparse_categorical_accuracy: 0.9760
[0.09044107794761658, 0.978100061416626]
将教师知识蒸馏到学生
我们已经训练了教师模型，我们只需要初始化一个 Distiller(student, teacher) 实例，使用所需的损失、超参数和优化器对其进行 compile()，并将教师知识蒸馏到学生。
# Initialize and compile distiller
distiller = Distiller(student=student, teacher=teacher)
distiller.compile(
optimizer=keras.optimizers.Adam(),
metrics=[keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()],
student_loss_fn=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
distillation_loss_fn=keras.losses.KLDivergence(),
alpha=0.1,
temperature=10,
)
# Distill teacher to student
distiller.fit(x_train, y_train, epochs=3)
# Evaluate student on test dataset
distiller.evaluate(x_test, y_test)
Epoch 1/3
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 8s 3ms/step - loss: 1.8752 - sparse_categorical_accuracy: 0.7357
Epoch 2/3
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 6s 3ms/step - loss: 0.0333 - sparse_categorical_accuracy: 0.9475
Epoch 3/3
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 6s 3ms/step - loss: 0.0223 - sparse_categorical_accuracy: 0.9621
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2s 4ms/step - loss: 0.0189 - sparse_categorical_accuracy: 0.9629
[0.017046602442860603, 0.969200074672699]
从头开始训练学生以进行比较
我们还可以从头开始训练一个等效的学生模型，而无需教师，以便评估通过知识蒸馏获得的性能提升。
# Train student as doen usually
student_scratch.compile(
optimizer=keras.optimizers.Adam(),
loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
metrics=[keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()],
)
# Train and evaluate student trained from scratch.
student_scratch.fit(x_train, y_train, epochs=3)
student_scratch.evaluate(x_test, y_test)
Epoch 1/3
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 4s 1ms/step - loss: 0.5111 - sparse_categorical_accuracy: 0.8460
Epoch 2/3
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3s 1ms/step - loss: 0.1039 - sparse_categorical_accuracy: 0.9687
Epoch 3/3
1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3s 1ms/step - loss: 0.0748 - sparse_categorical_accuracy: 0.9780
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1s 2ms/step - loss: 0.0744 - sparse_categorical_accuracy: 0.9737
[0.0629437193274498, 0.9778000712394714]
如果教师训练了 5 个完整的 epoch，并且学生在此教师上蒸馏了 3 个完整的 epoch，那么在本例中，与从头开始训练相同的学生模型相比，甚至与教师本身相比，您应该会体验到性能提升。您应该预计教师的准确率约为 97.6%，从头开始训练的学生约为 97.6%，蒸馏后的学生约为 98.1%。移除或尝试不同的种子以使用不同的权重初始化。