DeiT：使用Attention蒸馏Transformer

题目：Training data-efficient image transformers & distillation through attention

【GiantPandaCV导语】Deit是一个全Transformer的架构，没有使用任何的卷及操作。其核心是将蒸馏方法引入VIT的训练，引入了一种教师-学生的训练策略，提出了token-based distillation。有趣的是，这种训练策略使用卷积网络作为教师网络进行蒸馏，能够比使用transformer架构的网络作为教师取得更好的效果。

简介

之前的ViT需要现在JFT-300M大型数据集上预训练，然后在ImageNet-1K上训练才能得到出色的结果，但这借助了额外的数据。

ViT文中也表示：“do not generalize well when trained on insufficient amounts of data”数据量不足会导致ViT效果变差。

针对以上问题，Deit核心共享是使用了蒸馏策略，能够仅使用ImageNet-1K数据集就就可以达到83.1%的Top1。

文章贡献如下：

仅使用Transformer，不引入Conv的情况下也能达到SOTA效果。
提出了基于token蒸馏的策略，这种针对transformer的蒸馏方法可以超越原始的蒸馏方法。
Deit发现使用Convnet作为教师网络能够比使用Transformer架构取得更好的效果。

知识蒸馏

Knowledge Distillation（KD）最初被Hinton提出，与Label smoothing动机类似，但是KD生成soft label的方式是通过教师网络得到的。

KD可以视为将教师网络学到的信息压缩到学生网络中。还有一些工作“Circumventing outlier of autoaugment with knowledge distillation”则将KD视为数据增强方法的一种。

KD能够以soft的方式将归纳偏置传递给学生模型，Deit中使用Conv-Based架构作为教师网络，将局部性的假设通过蒸馏方式引入Transformer中，取得了不错的效果。

本文提出了两种KD:

Soft Distillation: 使用KL散度衡量教师网络和学生网络的输出，即Hinton提出的方法。

\[\mathcal{L}_{\text {global }}=(1-\lambda) \mathcal{L}_{\mathrm{CE}}\left(\psi\left(Z_{\mathrm{s}}\right), y\right)+\lambda \tau^{2} \mathrm{KL}\left(\psi\left(Z_{\mathrm{s}} / \tau\right), \psi\left(Z_{\mathrm{t}} / \tau\right)\right) \]

其中\(Z_s，Z_t\)分别代表学生网络的logits输出和教师网络的logits输出。

Hard-label Distillation: 本文提出的一个KD变体，将教师网络得到的hard输出作为label，即\(y_t=argmax_cZ_t(c)\)，该方法是无需调参的。

\[\mathcal{L}_{\text {global }}^{\text {hardDistill }}=\frac{1}{2} \mathcal{L}_{\mathrm{CE}}\left(\psi\left(Z_{s}\right), y\right)+\frac{1}{2} \mathcal{L}_{\mathrm{CE}}\left(\psi\left(Z_{s}\right), y_{\mathrm{t}}\right) \]