ICLR 2020 | 对神经网络特征表达一致性、可靠性、知识盲点的评测与解释

人工智能顶会 ICLR 2020 将于 4 月 26 日于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴举行。在最终提交的 2594 篇论文中，有 687 篇被接收，接收率为 26.5%。本文介绍了上海交通大学张拳石团队的一篇接收论文——《Knowledge Consistency between Neural Networks and Beyond》。在本文中，研究者提出了一种对神经网络特征表达一致性、可靠性、知识盲点的评测与解释方法。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/1908.01581.pdf

深度神经网络（DNN）已经在很多任务中表现出了强大的能力，但目前仍缺乏诊断其中层表征能力的数学工具，如发现表征中的缺陷或识别可靠/不可靠的特征。由于数据泄漏或数据集发生变化，基于测试准确率的传统 DNN 评测方法无法深入评估 DNN 表征的正确性。

因此，在本论文中，来自上海交大的研究者提出了一种从知识一致性的角度来诊断 DNN 中层网络表征能力的方法。即，给定两个为同一任务训练的 DNN（无论二者架构是否相同），目标是检验两个 DNN 的中间层是否编码相似的视觉概念。

该研究实现了：（1）定义并量化了神经网络之间知识表达的不同阶的一致性；（2）对强弱神经网络中层知识进行分析；（3）对中层特征的诊断，在不增加训练样本标注的前提下进一步促进神经网络分类准确率；（4）为解释神经网络压缩和知识蒸馏提供了一种新的思路。

算法简介

该论文定义了两个神经网络之间在知识表达层面的一致性，即分析两个独立训练的神经网络是否建模了相同或相似的知识。研究者关注的是两个神经网络所建模的知识的相似性，而非特征的相似性（比如，将一个神经网络的中层卷积核的顺序打乱，并相应的重新排列其对应的上层卷积核的顺序，经过上层卷积后特征与原始神经网络对应特征相同，这时，这两神经网络具有不同的中层特征，但事实上建模了相同的知识）。

另一方面，可以利用神经网络知识表达的一致性，直接对神经网络内部特征表达可靠性进行评测，而不需要额外标注新的监督信息，此评测标准也与具体任务设置无关。如果没有可靠的数学工具去评测神经网络的特征的可靠性，仅仅通过最终的分类正确率来评测神经网络，对深度学习的未来发展是远远不够的。

因而，针对同一任务训练多个不同的神经网络，此研究量化出各神经网络间彼此一致的知识表达，并拆分出其所对应的特征分量。具体来说，fA 和 fB 分别表示神经网络 A 与神经网络 B 的中层特征，当 fA 可以通过线性变换得到 fB 时，可认为 fA 和 fB 零阶一致；当 fA 可以通过一次非线性变换得到 fB 时，可认为 fA 和 fB 一阶一致；类似的，当 fA 可以通过 n 次非线性变换得到 fB 时，可认为 fA 和 fB 为 n 阶一致。

如下图所示，可以通过以下神经网络，将神经网络中层特征 f_A 拆分为 0-K 阶不同的一致性特征分量，以及不一致特征分量。

低阶一致性分量往往表示相对可靠的特征，而不一致分量则表示神经网络中的噪声信号。

在应用层面，知识一致性可以用来发现神经网络中的不可靠特征和知识盲点。将一个深层高性能网络作为标准的知识表达，去分析诊断一个相对浅层的神经网络的知识表达缺陷（浅层神经网络有自己特定的应用价值，比如用在移动端）。当利用浅层神经网络 (DNN A) 特征去重建深层神经网络 (DNN B) 特征时，深层神经网络中的不一致特征分量 (δ=fB-g(fA)) 往往代表着浅层神经网络的知识盲点；相对应地，当利用深层神经网络特征去重建浅层神经网络特征时，浅层神经网络中的不一致特征分量 (δ=fA-g(fB)) 往往代表着其中不可靠的特征分量。

实验结果

下图显示了算法所预测的浅层神经网络的知识盲点与不可靠特征。

下表从知识一致性的角度，分析神经网络训练的稳定性。当训练样本相对较少时，浅层的神经网络的训练有更强的稳定性。

如下图所示，一致的特征分量往往代表更可靠的信息，可以进一步提升神经网络的分类精度。即，在不增加训练样本标注的前提下，利用知识一致性进一步提升模型的分类正确率。

知识一致性算法可以消除神经网络中的冗余特征。预训练的神经网络（如利用 ImageNet 训练的神经网络）往往建模了海量类别的分类信息，当目标应用只针对少量类别时，预训练的特征中表达无关类别的特征分量则可视为冗余信息。如下图所示，知识一致性算法可以有效的去除与目标应用无关的冗余特征分量，进一步提升目标应用的性能。

此外，知识一致性算法可以分析不同任务训练得到模型中的一致/不一致特征。如下图所示，研究者训练网络 A 进行 320 类细分类（包括 CUB 中的 200 类鸟与 Stanford Dog 中的 120 类狗），训练网络 B 进行简单的二分类（鸟或狗），通过特征相互重构，可以看到网络 A 中建模了更多的知识，网络 A 的特征能够更好地重构网络 B 的特征。

知识一致性算法可以用于分析网络压缩中的信息损失。研究者使用压缩后模型生成的特征来重建原始模型的特征，不一致的特征分量往往对应着压缩过程中被舍弃的知识。如下图（左）所示，通过量化这部分被舍弃的知识，他们发现在压缩过程中较小的知识损失会有更高的分类正确率。

此外，还可以通过知识一致性算法解释蒸馏。如下图（右），通过量化不同代的再生神经网络中不一致的特征分量，可以发现随着蒸馏代数的增加，不可靠的特征分量逐渐减少。

作者联系方式 zqs1022@sjtu.edu.cn,

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