數(shù)據(jù)縮至1/5000，模型準(zhǔn)確率卻翻倍，谷歌新“蒸餾法”火了
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在煉丹過程中，為了減少訓(xùn)練所需資源，MLer有時會將大型復(fù)雜的大模型“蒸餾”為較小的模型，同時還要保證與壓縮前相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。
這就是知識蒸餾，一種模型壓縮/訓(xùn)練方法。
不過隨著技術(shù)發(fā)展，大家也逐漸將蒸餾的對象擴展到了數(shù)據(jù)集上。
這不，谷歌最近就提出了兩種新的數(shù)據(jù)集蒸餾方法，在推特上引起了不小反響，熱度超過600：
像這樣， 將50000張標(biāo)注圖像的CIFAR-10數(shù)據(jù)集“蒸餾”縮小至1/5000大小，只基于10張合成數(shù)據(jù)點進行訓(xùn)練，模型的準(zhǔn)確率仍可近似51%：
△上：原始數(shù)據(jù)集 下：蒸餾后
而如果“蒸餾數(shù)據(jù)集”由500張圖像組成（占原數(shù)據(jù)集1%大小），其準(zhǔn)確率可以達到80%。
兩種數(shù)據(jù)集蒸餾方法分別來自于ICLR 2021和NeurIPS 2021上的兩篇論文。
通過兩階段循環(huán)進行優(yōu)化
那么要如何才能“蒸餾”一個數(shù)據(jù)集呢？
其實，這相當(dāng)于一個兩階段的優(yōu)化過程：
- “內(nèi)部循環(huán)”，用于在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)上訓(xùn)練模型
- “外部循環(huán)”，用于優(yōu)化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)在自然數(shù)據(jù)上的性能
通過內(nèi)部循環(huán)可以得到一個核嶺回歸（KRR）函數(shù)，然后再外部循環(huán)中計算原始圖像標(biāo)注與核嶺回歸函數(shù)預(yù)測標(biāo)注之間的均方誤差（MSE）。
這時，谷歌提出的兩種方法就分別有了不同的處理路線：
一、標(biāo)注解釋 （LS）
這種方法直接解釋最小化KRR損失函數(shù)的支持標(biāo)注集（support labels），并為每個支持圖像生成一個獨特的密集標(biāo)注向量。
△藍：原始獨熱標(biāo)注 橙：LS生成的密集標(biāo)注
二、核歸納點 （KIP）
這種方法通過基于梯度的方法將KRR損失函數(shù)最小化，以此來優(yōu)化圖像和可能生成的數(shù)據(jù)。
以MNIST為例，下圖中的上、中、下三張圖分別為原始的MNIST數(shù)據(jù)集、固定標(biāo)注的KIP蒸餾圖像、優(yōu)化標(biāo)注的KIP蒸餾圖像。
可以看出，在于對數(shù)據(jù)集進行蒸餾時，優(yōu)化標(biāo)注的效果最好：
對比已有的DC（Dataset Condensation）方法和DSP（Dataset Condensation with Differentiable Siamese Augmentation）方法可以看到：
如果使用每類別只有一張圖像，也就是最后只有10張圖像的蒸餾數(shù)據(jù)集，KIP方法的測試集準(zhǔn)確率整體高于DC和DSP方法。
在CIFAR-10分類任務(wù)中，LS也優(yōu)于先前的方法，KIP甚至可以達到翻倍的效果。
對此，谷歌表示：
這證明了在某些情況下，我們的縮小100倍的“蒸餾數(shù)據(jù)集”要比原始數(shù)據(jù)集更好。
兩位華人作者
整個項目由蕭樂超（Lechao Xiao）、Zhourong Chen、Roman Novak三人合作完成。
其中蕭樂超為LS方法的論文作者之一，本科畢業(yè)于浙江大學(xué)的應(yīng)用數(shù)學(xué)系，在美國伊利諾大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）取得博士學(xué)位，現(xiàn)在是谷歌大腦團隊的一名科學(xué)家。
他的主要研究方向是數(shù)學(xué)、機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。
另一位華人科學(xué)家Zhourong Chen則是KIP方法的論文作者之一，本科畢業(yè)于中山大學(xué)，并在香港科技大學(xué)取得了計算機科學(xué)與工程系的博士學(xué)位，現(xiàn)是Google Research的一名軟件工程師。
論文：
[1]https://openreview.net/forum?id=l-PrrQrK0QR
[2]https://openreview.net/forum?id=hXWPpJedrVP
開源地址：
https://github.com/google-research/google-research/tree/master/kip
