阿里巴巴提出USI 让AI炼丹自动化了,训练任何Backbone无需超参配置,实现大一统！

说在前面

如果一句话总结，那就是炼丹半自动化了！！！

其实本文的主要点是为所有的AI炼丹师提出了一个大一统的图像训练方案，称为USI。USI结合知识蒸馏可以做到在不同的模型训练过程中不需要超参数调优（AI炼丹师，危！！！），同时能够达到SOTA效果。

可能你会想，那么多超参数，怎么可能？是的，USI做到了，USI不仅可以对于Batch-size的大小设定很鲁棒，做到几乎没有影响；同时对于不同的教师模型很鲁棒；甚至对于教师模型的前传还进行了优化融合，进一步加快训练的速度，等等，话不多说，还是去看正文部分吧！

开源地址：https://github.com/Alibaba-MIIL/Solving_ImageNet

1主要贡献

• 为ImageNet数据集引入了一个统一的、高效的训练方案，USI，它不需要超参数调整。完全相同的配置也适用于任何Backbone。因此，ImageNet训练从一个面向专业炼丹师的任务转变为一个自动化的过程。

• 在各种深度学习模型上测试了USI，包括类似于ResNet、MobileNet、基于Transformer和MLP-base的模型。与每个模型的定制方案相比，USI的性能优秀得到了证明。

• 使用USI对深度学习模型进行方法上的速度-准确性比较。

2本文方法

2.1 KD for Classification

对于任何输入图像，分类网络输出logit向量，其中K是class的数量。soften预测向量用表示，其中每个元素通过应用softmax函数给出：

这里将学生模型和教师模型的soften预测向量分别定义为和。用于训练学生模型的目标函数是学生预测和GT向量y之间的交叉熵(CE)损失，以及学生和教师预测之间的KL散度的组合：

其中，是调整KD损失的相对重要性的一个超参数。CE的损失:

KL散度损失:

2.2 为什么在ImageNet网络训练中需要KD？

ImageNet是预训练和评估计算机视觉模型的主要数据集。与其他分类数据集不同，在ImageNet上，从头开始训练模型，而不做迁移学习。一般来说，从零开始的训练更加困难，因为需要更高的学习率、更强的正则化和更大的Epoch。因此，ImageNet上的优化过程对不同的超参数和所使用的体系结构更加敏感。

为了更深入地了解和激励KD的作用，在下图中展示了一些典型的教师模型预测的例子：

图片(a)包含了钉状物。这是GT，也是教师模型的预测概率为99.9%。请注意，教师模型的第2和第3个预测与钉子（螺丝和锤子）有关，但概率可以忽略不计。

图片(b)中包含了一架客机。这是教师模型预测概率为83.6%。然而，教师模型也有不可忽视的概率所谓的误分类概率11.3%。但是这并不是一个误分类，因为飞机上有机翼。这里的教师模型减轻了GT标签不是相互排斥的情况，并提供了关于图像内容的更准确的信息。

图片(c)中包含了一只母鸡。然而，母鸡并不是很大和突出的。通过教师模型的预测可以看出这一点，教师模型识别为母鸡的概率为55.5%。教师模型还给出了公鸡的概率为8.9%。这是教师模型的错误预测，但逻辑上的母鸡和公鸡是非常相似的。

在图片(d)中，教师模型与GT不相符。GT是冰棒，而教师模型预测的是英国塞特犬。其实教师模型是对的，因为狗在图片中更为突出。

从上面的例子中可以看到，教师模型的预测比单一标签的GT包含了更多的信息。教师模型提供的丰富的预测解释了class之间的相关性和相似性。它们用几个物体处理更好的图片，甚至弥补GT的错误。因此KD预测也能处理更好的这类情况，因为它们代表了增强图像的正确内容。它们还消除了对标签平滑的需要，因为教师模型输出的是Soften预测。

由于这些因素，与仅使用Hard标签的训练相比，使用教师模型的训练可以提供了更好的监督，可以带来一个更有效和更稳健的训练优化过程。

2.3 统一的训练配置

USI便是本文提出的ImageNet的训练方案，USI是基于KD的训练方法。当使用KD在ImageNet上进行训练时，可以观察到训练过程对超参数选择的鲁棒性更强，并且需要更少的训练技巧和正则化。

此外，消除了每个Backbone对专用技巧的需求，使用这个统一方案可以训练任何Backbone并达到最佳结果。USI方案的说明上图1所示。

在下表中，展示了完整的训练配置：

对方案的一些观察和见解：

Batchsize的选择

不同Backbone所允许的最大Batch-size差异显著（见附录中的表10）。因此，对所有Backbone使用固定的Batch-size并不总是可行的。选择尽可能大的Batch-size是有益的，因为它可以充分利用GPU核心，减少通信开销，并提高训练速度。以前的方案表明，更大的Batch-size需要更大的学习率或专用的优化器。

USI是一种基于kd的训练方案，采用AdamW优化器，对Batch-size和学习率调优更具鲁棒性。使用相同的学习速率，USI始终为广泛的Batch-size提供比较好的结果。因此，本文陈述了Batch-size的范围，而不是固定的Batch-size。可以选择此范围内的任何值。

作者建议使用最大可能的0.8到0.9的Batch-size，以优化训练速度。

Teacher的选择

USI主要要求是选择一个表现优于学生模型的教师模型，这也是KD的一个常见要求。考虑到这种约束条件，作者建议选择一个具有良好的速度-精度权衡的教师模型（见下图）。

USI方案对教师和学生类型都是鲁棒的。具有相似准确性的教师模型训练学生模型可以达到相似的准确性，无论是CNN还是Transformer。

KD对于训练的影响

增加KD监督会带来额外的开销，并降低了训练速度。然而，额外的开销通常很小。学生模型需要做前传、存储中间特征图、做反传以及更新权值，而教师网络只需要向前传。

此外，由于教师模型是固定的，可以对其进行各种优化，如batch-norm fusion、channels-last和jit。

作者发现，KD的相对开销随着Batch-size的增加而减小，这是选择大Batch-size的另一个原因。对于TResNet-L教师模型（83.9%的准确率），来自KD的额外开销使训练速度降低了10-20%。

3实验结果

3.1 消融实验

1、KD teacher relative weight

可以看出，在没有KD的情况下，USI训练方案表现不佳，比使用默认值获得的准确率低6.5%。如果KD相对权重过低()，得分也会下降。对于，取得了最好的结果。

有趣的是，即使在没有最初的Hard标签监督，并且只依赖教师模型的情况下进行训练，训练结果仍然保持不变。这进一步证明了KD在ImageNet训练中的有效性。

2、KD Temperature

表7显示，在KD损失中，使用Temperature并没有得到任何提升。τ<1和τ>1都降低了准确性。利用标准的Softmax概率可以得到最好的结果。

3、Mixup-Cutmix vs. Cutout

可以看出，应用每一种增强都是有益的，但Mixup-Cutmix增强更有助于提高精度。

4、Architecture-based regularizations

可以看出，在USI方案中添加drop-path正则化并没有得到任何提升。

3.2 与之前机制的对比

从表2中可以看到，在所有测试的架构(CNN、Transformer、Mobile-oriented、MLP-only)上，USI获得的结果优于之前结果

3.3 Batch-szie的鲁棒性

表3表明，在一个大范围的Batch-size范围内，512-3456，精度几乎保持不变。这表明USI在固定的学习速率下运行良好。

3.4 对于教师模型的鲁棒性

从表4中可以看到，CNN和Transformer的学生模型与CNN和Transformer教师模型结果都很好。这意味着USI方法在选择教师模型的类型方面有灵活性。

3.5 Epoch的影响

在表5中，给出了在不同的训练长度下获得的准确性。可以看出，随着将训练时间从300增加到600增加到1000，准确性继续提高。

3.6 速度精度的测量

图4比较了各种关于GPU和CPU推理的架构。

4参考

[1].Solving ImageNet: a Unified Scheme for Training any Backbone to Top Results

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