奇點(diǎn)云三角肌「秀肌肉」，端化目標(biāo)檢測(cè)模型再獲突破-創(chuàng)新互聯(lián)

人工智能正在驅(qū)動(dòng)新一輪的商業(yè)變革，而算法技術(shù)則是推動(dòng)核心底層技術(shù)的重要力量。算法崛起時(shí)代，技術(shù)浪潮可謂一日千里，算法工程師也只有不斷精進(jìn)自身技術(shù)，才能與時(shí)俱進(jìn)、馭浪前行。近日，奇點(diǎn)云算法工程師三角肌在目標(biāo)檢測(cè)算法領(lǐng)域又有新突破。

成都創(chuàng)新互聯(lián)公司是一家集網(wǎng)站建設(shè),滎經(jīng)企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),滎經(jīng)品牌網(wǎng)站建設(shè),網(wǎng)站定制,滎經(jīng)網(wǎng)站建設(shè)報(bào)價(jià),網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,滎經(jīng)網(wǎng)站推廣為一體的創(chuàng)新建站企業(yè)，幫助傳統(tǒng)企業(yè)提升企業(yè)形象加強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。可充分滿足這一群體相比中小企業(yè)更為豐富、高端、多元的互聯(lián)網(wǎng)需求。同時(shí)我們時(shí)刻保持專業(yè)、時(shí)尚、前沿，時(shí)刻以成就客戶成長(zhǎng)自我，堅(jiān)持不斷學(xué)習(xí)、思考、沉淀、凈化自己，讓我們?yōu)楦嗟钠髽I(yè)打造出實(shí)用型網(wǎng)站。

摘要

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的精度有著顯著的提升，并且隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度加深，對(duì)目標(biāo)檢測(cè)精度提升也越大，但是也需要更多的浮點(diǎn)計(jì)算。許多研究者通過知識(shí)蒸餾的方法，通過把一個(gè)更深更大的教師網(wǎng)絡(luò)中的知識(shí)轉(zhuǎn)移到一個(gè)小的學(xué)生網(wǎng)絡(luò)中，以提高學(xué)生網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)檢測(cè)中的效果。而大部分知識(shí)蒸餾的方法都需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的代價(jià)函數(shù)，并且多數(shù)針對(duì)兩步目標(biāo)檢測(cè)算法，本文針對(duì)一步目標(biāo)檢測(cè)算法提出一個(gè)干凈有效的知識(shí)蒸餾方案。將教師網(wǎng)絡(luò)生成的特征層作為真實(shí)樣本，學(xué)生網(wǎng)絡(luò)生成的特征層做為假樣本，并對(duì)兩者做生成對(duì)抗訓(xùn)練，以提高學(xué)生網(wǎng)絡(luò)在一步目標(biāo)檢測(cè)中的表現(xiàn)。

1 Introduction

近些年來，隨著目標(biāo)檢測(cè)算法的發(fā)展，研究者們發(fā)現(xiàn)利用更深更大的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為骨架，對(duì)目標(biāo)檢測(cè)算法的精度提升越大。并且隨著目標(biāo)檢測(cè)算法的檢測(cè)精度提升，使視覺檢測(cè)算法逐漸從非關(guān)鍵性領(lǐng)域，走向關(guān)鍵性領(lǐng)域（比如無人駕駛和醫(yī)療等領(lǐng)域）。但是為了保證檢測(cè)精度，不得不使用更大的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為骨架，造成檢測(cè)速度下降，計(jì)算設(shè)備成本增加。因此許多研究者在確保檢測(cè)精度的前提下，提高檢測(cè)速度提出了很多方法和總結(jié)，如通過深度分離卷積 [1，2],或者通過點(diǎn)群卷積(pointwise group convolution)和通道混洗(channel shuffle)[3, 4] 來降低卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)的方法，在保證骨架網(wǎng)絡(luò)精度和容量的情況下減少計(jì)算量。雖然獲得可觀的提速效果，但是這些方法需要精心設(shè)計(jì)和調(diào)整骨架網(wǎng)絡(luò)。很多研究者認(rèn)為更深的骨架網(wǎng)絡(luò)雖然有著更大的網(wǎng)絡(luò)容量，因此在圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)等任務(wù)上有著更優(yōu)秀的表現(xiàn)。但是一些特定的任務(wù)并不需要這么大的容量，所以在保證卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精度的情況和下，對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做壓縮、量化、通道減枝等[5, 6, 7, 8, 9]。

另一方面，有關(guān)于知識(shí)蒸餾的工作表明[10, 11, 12, 13]，使用一個(gè)更深更大的模型，并且在充分訓(xùn)練完畢后作為teacher net，然后再選取一個(gè)比較淺的模型作為student net，最后使用teacher net輸出的結(jié)果或者中間結(jié)果作為soft label結(jié)合真實(shí)樣本的true label同時(shí)訓(xùn)練student net，可以極大的提升student net在特定任務(wù)上的表現(xiàn)。但是大部分這些方法都需要設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的代價(jià)函數(shù)和訓(xùn)練方式，并且這些方法多用于圖像分類和兩步目標(biāo)檢測(cè)等，極少用于一步目標(biāo)檢測(cè)。因此，我們需要一個(gè)更加簡(jiǎn)單而有效，并且可以適用于一步目標(biāo)檢測(cè)的知識(shí)蒸餾方式。本文提出一種簡(jiǎn)單而有效知識(shí)蒸餾神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且可以明顯的提升student net在一步目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)。和常規(guī)的知識(shí)蒸餾方式不同的是，我們參考對(duì)抗生成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[14]，將重型目標(biāo)檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和輕型目標(biāo)檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的骨架分別拆分出來作為teacher net和student net，然后把teacher net 生成的feature map作為真實(shí)樣本，而student net則作為生成器，并把student net生成的feature map作為假樣本，最后根據(jù)真實(shí)樣本和假樣本設(shè)計(jì)一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為判別器，做生成對(duì)抗訓(xùn)練。

我們的貢獻(xiàn)主要有兩點(diǎn)：

1 提出一種不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的代價(jià)函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且可以適用于一步目標(biāo)檢測(cè)。

2 利用對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，避免復(fù)雜的知識(shí)遷移設(shè)計(jì)，讓student net自動(dòng)的從teacher net中獲取暗知識(shí)。

2 Related Works

深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法架構(gòu)主要分為兩種，一種是一步檢測(cè)，比如Liu W等人提出的SSD[15]，直接通過通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸出物體的位置和類別，另一種是二步檢測(cè)，如girshick等人提出的fast rcnn[16]，以及后來Faster-RCNN [17] and R-FCN [18]等，首先通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸候選框，最后根據(jù)候選框再次識(shí)別每個(gè)候選框的類別，并回歸出正確的位置。

網(wǎng)絡(luò)裁剪，許多研究者認(rèn)為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被過度參數(shù)化，并且有很多冗余的神經(jīng)元和連接，He Y等人認(rèn)為[8],cnn每層神經(jīng)元都是稀疏的，利用lasso regression回歸找出cnn每層最有代表性的神經(jīng)元重構(gòu)該層的輸出。Zhuang Z等人[9]認(rèn)為layer-by-layer進(jìn)行通道剪枝會(huì)影響cnn的鑒別能力，所以通過在fine-tune和剪枝階段加入輔助loss，來保留cnn每層的鑒別能力。

網(wǎng)絡(luò)量化, Wu J等人[20]通過k-means聚類算法加速和壓縮模型的卷積層和全連接層，通過減小每層輸出響應(yīng)的估計(jì)誤差可實(shí)現(xiàn)更好的量化結(jié)果，并提出一種有效的訓(xùn)練方案抑制量化后的多層累積誤差 。Jacob B[21]等人提出將weights和inputs量化為uint8 bias量化為unit32同時(shí)訓(xùn)練期間前向時(shí)候采用量化，反向修正誤差不量化，以確保cnn表現(xiàn)的情況下提高inference速度。

知識(shí)蒸餾是一種壓縮模型并確保準(zhǔn)確的一種方法。hinton 等人提出[2]將teacher net輸出的結(jié)果作為soft label，并提倡使用溫度交叉熵而不是L2損失。romero 等人[19]認(rèn)為需要更多的unlabeled data讓student net去mimic才能使student net經(jīng)可能的接近teacher net，Chen G[12]等人在優(yōu)化2步目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)分別將teacher net的中間feature map 以及rpn/rcnn的暗知識(shí)提取出來讓student net去mimic。其他研究者也有將teacher net的attention信息給student網(wǎng)絡(luò)，如Zagoruyko S[22]等人提出spatial-attention，將teacher net的熱力信息傳遞給student net。Yim J等人[23]將teacher net層與層之間的關(guān)系作為student網(wǎng)絡(luò)mimic的目標(biāo)。但是他們?cè)O(shè)計(jì)的的知識(shí)蒸餾都是要設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的loss function，和復(fù)雜的暗知識(shí)的提取方式，并且這些方法多是在兩步目標(biāo)檢測(cè)算法中很少用于一步目標(biāo)檢測(cè)中。為了能用一個(gè)簡(jiǎn)單有效的知識(shí)蒸餾的方式，我們參考生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)方式[14]將教師網(wǎng)絡(luò)生成的特征層作為真實(shí)樣本，學(xué)生網(wǎng)絡(luò)生成的特征層做為假樣本，并對(duì)兩者做生成對(duì)抗訓(xùn)練，以提高學(xué)生網(wǎng)絡(luò)在一步目標(biāo)檢測(cè)中的表現(xiàn)。

3 Method

在本文中，我們采用一步目標(biāo)檢測(cè)算法SSD[15]作為我們的目標(biāo)檢測(cè)算法,SSD目標(biāo)檢測(cè)算法結(jié)構(gòu)主要分成兩部分，1）骨架網(wǎng)絡(luò),作為特征提取器。2）Head,在骨架網(wǎng)絡(luò)提取的特征上，檢測(cè)出目標(biāo)的類別和位置。為了能獲取更好的知識(shí)蒸餾效果，合理利用這個(gè)兩個(gè)部分至關(guān)重要。

3.1 Overall Structure

fig 1為我們算法模型的整體結(jié)構(gòu)，我們首先使用一個(gè)容量更大的SSD模型，在充分訓(xùn)練后將該SSD模型拆分成骨架網(wǎng)絡(luò)和SSD-Head，其中骨架網(wǎng)絡(luò)作為teacher net，然后再挑選一個(gè)容量較小的CNN作為student net。我們把teacher net生成的多個(gè)feature map作為true sample，而student net生成的多個(gè)feature map作為fake sample，并且將true sample和fake sample送入D Net中相對(duì)應(yīng)的每個(gè)判別網(wǎng)絡(luò)(fig 2)中，同時(shí)把fake sample輸入到SSD-Head中。

3.2 Training Process

(1)

公式1中的N代表batchsize的大小，D代表判別網(wǎng)絡(luò)，Teacher和Student分別代表teacher net和student net, θt、θs、θd分別代表teacher net、student net 和D Net模塊中每個(gè)判別網(wǎng)絡(luò)的weights。Lconf表示SSD中分類的損失函數(shù)，Lloc表示SSD中邊界框的損失函數(shù)。

4 Experiment

在本章節(jié)，我們將在PASCAL VOC中做實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們的方法，包含20個(gè)類別。并且我們的方法訓(xùn)練的硬件為two NVIDIA GTX 1080Ti GPUs。訓(xùn)練所用的軟件框架為gluoncv。

4.1 Training and testing data

由于時(shí)間的關(guān)系，我們訓(xùn)練使用的數(shù)據(jù)集Pascal Voc 2012trainval和Pascal Voc 2007 trainval sets，測(cè)試數(shù)據(jù)集為Pascal Voc 2007 test sets。該數(shù)據(jù)集包含檢測(cè)物體的類別和位置信息。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)按照Pascal Voc競(jìng)賽所約定的，通過iou=0.5時(shí)的mAP來評(píng)估模型檢測(cè)精度。而coco數(shù)據(jù)集上，使用coco 2017 trainset作為訓(xùn)練集，coco 2017 test作為測(cè)試集。

4.2 Results

我們將原生的SSD和在不同的Teacher net下知識(shí)蒸餾的SSD做比較，高可以提升student net 2.8mAP。不過有趣的是，當(dāng)teacher net為ResNet101，student net為ResNet18時(shí)，提升的效果反而不如ResNet50。而在coco上使用resnet50作為teacher net，moblinet作為student net，提升Moblient-SSD 4個(gè)mAP。

Table 1. Different student nets are not used GAN-knowledge distillation and the use of a GAN-knowledge distillation in different teacher net test results.

目前已經(jīng)將該方法使用在faster rcnn上,考慮到時(shí)間，目前僅僅在pascal voc 2007上進(jìn)行測(cè)試，coco正在訓(xùn)練。

Table 2. moblienetv1 use GAN-knowledge distillation in coco.

Table 3. Teacher net為骨架網(wǎng)絡(luò)為ResNet101的faster rcnn，且使用Pascal Voc 2007 trainval作為訓(xùn)練集，在Pascal Voc 2007 test測(cè)試集上mAP為74.8+。第一行和第二行使用GAN Knowledge Distillation[1]方法，第三行為cvpr2019的 Distilling Object Detectors with Fine-grained Feature Imitation[2]的方法效果。

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當(dāng)前題目：奇點(diǎn)云三角肌「秀肌肉」，端化目標(biāo)檢測(cè)模型再獲突破-創(chuàng)新互聯(lián)
標(biāo)題來源：http://muchs.cn/article34/dcgpse.html

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