与从头开始的传统学习相比，知识蒸馏有时会使DNN实现卓越的性能。本文提供了一种新的观点，可以根据信息理论来解释知识蒸馏的成功，即量化在DNN的中间层中编码的知识点。为此，我们将DNN中的信号处理视为丢弃层的信息。知识点称为输入单元，其信息比其他输入单元所丢弃的信息要少得多。因此，我们根据知识点的量化提出了三个用于知识蒸馏的假设。 1. DNN从知识蒸馏中学习比从头开始学习的DNN学习更多的知识点。 2.知识蒸馏使DNN更有可能同时学习不同的知识点。相比之下，从头开始的DNN学习倾向于顺序编码各种知识点。 3.与从头开始学习的DNN学习通常更稳定地优化了从知识蒸馏中学习的DNN学习。为了验证上述假设，我们设计了具有前景对象注释的三种类型的指标，以分析DNN的功能表示，\ textit {i.e。}知识点的数量和质量，不同知识点的学习速度，以及优化方向的稳定性。在实验中，我们诊断出各种DNN的不同分类任务，即图像分类，3D点云分类，二进制情感分类和问题回答，这些问题验证了上述假设。

本文介绍了一种解释在深神经网络（DNN）中向前传播期间每个输入变量的信息如何逐渐丢弃的方法，该信息提供了解释DNN的新观点。我们定义了两种类型的基于熵的指标，即（1）向前传播中使用的像素范围信息的丢弃，以及（2）输入重建的不确定性，以从两个角度测量特定层所包含的输入信息。与以前的归因指标不同，所提出的指标可确保不同DNN不同层之间比较的公平性。我们可以使用这些指标来分析DNN中信息处理的效率，后者与DNN的性能表现出牢固的联系。我们以像素方式分析信息丢弃的信息，这与信息瓶颈理论测量特征信息W.R.T.不同。样本分布。实验显示了我们指标在分析经典DNN和解释现有深度学习技术方面的有效性。

本文提出了一种可视化DNN编码的中间层视觉模式的辨别力的方法。具体而言，我们可视化（1）DNN在训练过程中如何逐渐学习各个中间层中的区域视觉模式，（2）DNN使用低层中的非辨别模式的效果来构建中/高层中的剥离图案通过前向传播。基于我们的可视化方法，我们可以量化DNN学习的知识点（即，判别视觉模式的数量）来评估DNN的表示能力。此外，该方法还提供了新的洞察现有的深度学习技术的信号处理行为，例如对抗攻击和知识蒸馏。

本文的目的是理论上分析具有relu层的分段线性DNN中编码的特征转换的复杂性。我们建议指标根据信息理论衡量转换的三种复杂性。我们进一步发现并证明了转换的复杂性和分离之间的密切相关性。根据提议的指标，我们分析了训练过程中转换复杂性变化的两个典型现象，并探索DNN复杂性的上限。所提出的指标也可以用作学习具有最小复杂性的DNN的损失，这也控制DNN的过度拟合水平并影响对抗性的鲁棒性，对抗性转移性和知识一致性。全面的比较研究为了解DNN提供了新的观点。

Transferring knowledge from a teacher neural network pretrained on the same or a similar task to a student neural network can significantly improve the performance of the student neural network. Existing knowledge transfer approaches match the activations or the corresponding handcrafted features of the teacher and the student networks. We propose an information-theoretic framework for knowledge transfer which formulates knowledge transfer as maximizing the mutual information between the teacher and the student networks. We compare our method with existing knowledge transfer methods on both knowledge distillation and transfer learning tasks and show that our method consistently outperforms existing methods. We further demonstrate the strength of our method on knowledge transfer across heterogeneous network architectures by transferring knowledge from a convolutional neural network (CNN) to a multi-layer perceptron (MLP) on CIFAR-10. The resulting MLP significantly outperforms the-state-of-the-art methods and it achieves similar performance to the CNN with a single convolutional layer. * Contributed during an internship at Amazon.

We introduce a novel technique for knowledge transfer, where knowledge from a pretrained deep neural network (DNN) is distilled and transferred to another DNN. As the DNN maps from the input space to the output space through many layers sequentially, we define the distilled knowledge to be transferred in terms of flow between layers, which is calculated by computing the inner product between features from two layers. When we compare the student DNN and the original network with the same size as the student DNN but trained without a teacher network, the proposed method of transferring the distilled knowledge as the flow between two layers exhibits three important phenomena: (1) the student DNN that learns the distilled knowledge is optimized much faster than the original model; (2) the student DNN outperforms the original DNN; and (3) the student DNN can learn the distilled knowledge from a teacher DNN that is trained at a different task, and the student DNN outperforms the original DNN that is trained from scratch.

本文探讨了深度神经网络（DNN）的特征表示的瓶颈，从DNN中编码的输入变量之间的相互作用的复杂性的角度来看。为此，我们专注于输入变量之间的多阶交互，其中顺序表示交互的复杂性。我们发现DNN更有可能编码过于简单的相互作用和过于复杂的相互作用，但通常无法学习中间复杂性的相互作用。这种现象被不同的DNN广泛共享，用于不同的任务。这种现象表明了DNN和人类之间的认知差距，我们称之为瓶颈。理论上，理论上证明了代表瓶颈的潜在原因。此外，我们提出了鼓励/惩罚特定复杂性的相互作用的损失，并分析不同复杂性相互作用的表示能力。

Despite significant accuracy improvement in convolutional neural networks (CNN) based object detectors, they often require prohibitive runtimes to process an image for real-time applications. State-of-the-art models often use very deep networks with a large number of floating point operations. Efforts such as model compression learn compact models with fewer number of parameters, but with much reduced accuracy. In this work, we propose a new framework to learn compact and fast object detection networks with improved accuracy using knowledge distillation [20] and hint learning [34]. Although knowledge distillation has demonstrated excellent improvements for simpler classification setups, the complexity of detection poses new challenges in the form of regression, region proposals and less voluminous labels. We address this through several innovations such as a weighted cross-entropy loss to address class imbalance, a teacher bounded loss to handle the regression component and adaptation layers to better learn from intermediate teacher distributions. We conduct comprehensive empirical evaluation with different distillation configurations over multiple datasets including PASCAL, KITTI, ILSVRC and MS-COCO. Our results show consistent improvement in accuracy-speed trade-offs for modern multi-class detection models.

在本文中，我们评估了用于3D点云处理的深神经网络（DNN）中编码的知识表示的质量。我们提出了一种方法来解开整体模型脆弱性进入旋转，翻译，尺度和局部3D结构的敏感性。此外，我们还提出了指标来评估编码3D结构的空间平滑度，以及DNN的表示复杂性。基于此类分析，实验将揭示经典DNN的表现问题，并解释对抗性培训的效用。

虽然基于微调对象检测的基于微调的方法已经取得了显着的进步，但尚未得到很好的解决的关键挑战是基本类别的潜在特定于类别的过度拟合，并且针对新颖的类别的样本特异性过度拟合。在这项工作中，我们设计了一个新颖的知识蒸馏框架，以指导对象探测器的学习，从而抑制基础类别的前训练阶段的过度拟合，并在小型课程上进行微调阶段。要具体而言，我们首先提出了一种新颖的位置感知的视觉袋模型，用于从有限尺寸的图像集中学习代表性的视觉袋（BOVW），该模型用于基于相似性来编码常规图像在学习的视觉单词和图像之间。然后，我们基于以下事实执行知识蒸馏，即图像应在两个不同的特征空间中具有一致的BOVW表示。为此，我们独立于对象检测的特征空间预先学习特征空间，并在此空间中使用BOVW编码图像。可以将图像的BOVW表示形式视为指导对象探测器的学习：对象检测器的提取特征对同一图像的提取特征有望通过蒸馏知识得出一致的BOVW表示。广泛的实验验证了我们方法的有效性，并证明了优于其他最先进方法的优势。

自我监督的视觉学习彻底改变了深度学习，成为域中的下一个重大挑战，并通过大型计算机视觉基准的监督方法迅速缩小了差距。随着当前的模型和培训数据成倍增长，解释和理解这些模型变得关键。我们研究了视力任务的自我监督学习领域中可解释的人工智能的问题，并提出了了解经过自学训练的网络及其内部工作的方法。鉴于自我监督的视觉借口任务的巨大多样性，我们缩小了对理解范式的关注，这些范式从同一图像的两种观点中学习，主要是旨在了解借口任务。我们的工作重点是解释相似性学习，并且很容易扩展到所有其他借口任务。我们研究了两个流行的自我监督视觉模型：Simclr和Barlow Twins。我们总共开发了六种可视化和理解这些模型的方法：基于扰动的方法（条件闭塞，上下文无形的条件闭塞和成对的闭塞），相互作用-CAM，特征可视化，模型差异可视化，平均变换和像素无形。最后，我们通过将涉及单个图像的监督图像分类系统量身定制的众所周知的评估指标来评估这些解释，并将其涉及两个图像的自我监督学习领域。代码为：https：//github.com/fawazsammani/xai-ssl

Despite the fact that deep neural networks are powerful models and achieve appealing results on many tasks, they are too large to be deployed on edge devices like smartphones or embedded sensor nodes. There have been efforts to compress these networks, and a popular method is knowledge distillation, where a large (teacher) pre-trained network is used to train a smaller (student) network. However, in this paper, we show that the student network performance degrades when the gap between student and teacher is large. Given a fixed student network, one cannot employ an arbitrarily large teacher, or in other words, a teacher can effectively transfer its knowledge to students up to a certain size, not smaller. To alleviate this shortcoming, we introduce multi-step knowledge distillation, which employs an intermediate-sized network (teacher assistant) to bridge the gap between the student and the teacher. Moreover, we study the effect of teacher assistant size and extend the framework to multi-step distillation. Theoretical analysis and extensive experiments on CIFAR-10,100 and ImageNet datasets and on CNN and ResNet architectures substantiate the effectiveness of our proposed approach.

知识蒸馏（KD）是一个有效的框架，旨在将有意义的信息从大型老师转移到较小的学生。通常，KD通常涉及如何定义和转移知识。以前的KD方法通常着重于挖掘各种形式的知识，例如功能地图和精致信息。但是，知识源自主要监督任务，因此是高度特定于任务的。在自我监督的代表学习的最新成功中，我们提出了一项辅助自我实施的增强任务，以指导网络学习更多有意义的功能。因此，我们可以从KD的这项任务中得出软性自我实施的增强分布作为更丰富的黑暗知识。与以前的知识不同，此分布编码从监督和自我监督的特征学习中编码联合知识。除了知识探索之外，我们建议在各个隐藏层上附加几个辅助分支，以充分利用分层特征图。每个辅助分支都被指导学习自学的增强任务，并将这种分布从教师到学生提炼。总体而言，我们称我们的KD方法为等级自我实施的增强知识蒸馏（HSSAKD）。标准图像分类的实验表明，离线和在线HSSAKD都在KD领域达到了最先进的表现。对象检测的进一步转移实验进一步验证了HSSAKD可以指导网络学习更好的功能。该代码可在https://github.com/winycg/hsakd上找到。

知识蒸馏通常涉及如何有效地定义和转移知识从教师到学生。尽管最近的自我监督的对比知识取得了最佳表现，但迫使网络学习此类知识可能会损害对原始班级识别任务的表示。因此，我们采用替代性的自我监督的增强任务来指导网络学习原始识别任务和自我监督的辅助任务的共同分布。它被证明是一种更丰富的知识，可以提高表示能力而不会失去正常的分类能力。此外，以前的方法仅在最终层之间传递概率知识是不完整的。我们建议将几个辅助分类器附加到层次中间特征图中，以生成多样化的自我监督知识，并执行一对一的转移以彻底教授学生网络。我们的方法显着超过了先前的SOTA SSKD，CIFAR-100的平均改善为2.56 \％，并且在广泛使用的网络对上的Imagenet上有0.77 \％的提高。代码可在https://github.com/winycg/hsakd上找到。

深层神经网络以其对各种机器学习和人工智能任务的精湛处理而闻名。但是，由于其过度参数化的黑盒性质，通常很难理解深层模型的预测结果。近年来，已经提出了许多解释工具来解释或揭示模型如何做出决策。在本文中，我们回顾了这一研究，并尝试进行全面的调查。具体来说，我们首先介绍并阐明了人们通常会感到困惑的两个基本概念 - 解释和解释性。为了解决解释中的研究工作，我们通过提出新的分类法来阐述许多解释算法的设计。然后，为了了解解释结果，我们还调查了评估解释算法的性能指标。此外，我们总结了使用“可信赖”解释算法评估模型的解释性的当前工作。最后，我们审查并讨论了深层模型的解释与其他因素之间的联系，例如对抗性鲁棒性和从解释中学习，并介绍了一些开源库，以解释算法和评估方法。

解释深度卷积神经网络最近引起了人们的关注，因为它有助于了解网络的内部操作以及为什么它们做出某些决定。显着地图强调了与网络决策的主要连接的显着区域，是可视化和分析计算机视觉社区深层网络的最常见方法之一。但是，由于未经证实的激活图权重的建议，这些图像没有稳固的理论基础，并且未能考虑每个像素之间的关系，因此现有方法生成的显着图不能表示图像中的真实信息。在本文中，我们开发了一种基于类激活映射的新型事后视觉解释方法，称为Shap-Cam。与以前的基于梯度的方法不同，Shap-Cam通过通过Shapley值获得每个像素的重要性来摆脱对梯度的依赖。我们证明，Shap-Cam可以在解释决策过程中获得更好的视觉性能和公平性。我们的方法在识别和本地化任务方面的表现优于以前的方法。

Current learning machines have successfully solved hard application problems, reaching high accuracy and displaying seemingly "intelligent" behavior. Here we apply recent techniques for explaining decisions of state-of-the-art learning machines and analyze various tasks from computer vision and arcade games. This showcases a spectrum of problem-solving behaviors ranging from naive and short-sighted, to wellinformed and strategic. We observe that standard performance evaluation metrics can be oblivious to distinguishing these diverse problem solving behaviors. Furthermore, we propose our semi-automated Spectral Relevance Analysis that provides a practically effective way of characterizing and validating the behavior of nonlinear learning machines. This helps to assess whether a learned model indeed delivers reliably for the problem that it was conceived for. Furthermore, our work intends to add a voice of caution to the ongoing excitement about machine intelligence and pledges to evaluate and judge some of these recent successes in a more nuanced manner.

当前弱监督的语义分割（WSSS）框架通常包含分离的掩模 - 细化模型和主要语义区域挖掘模型。这些方法将包含冗余特征提取骨干网和偏置的学习目标，使其计算复杂但是解决WSSS任务的子最优。为了解决这个问题，本文建立了一个紧凑的学习框架，将分类和掩码精细组件嵌入统一的深层模型。通过共享特征提取骨干通，我们的模型能够促进两个组件之间的知识共享，同时保留低计算复杂性。为了鼓励高质量的知识互动，我们提出了一种新颖的替代自我双重教学（ASDT）机制。与传统蒸馏策略不同，我们模型中的两个教师分支的知识通过脉冲宽度调制（PWM）替代地蒸馏到学生分支，该脉冲宽度调制（PWM）产生PW波形选择信号以引导知识蒸馏过程。通过这种方式，学生分支可以帮助阻止模型落入由教师分支提供的不完美知识引起的局部最低解决方案。 Pascal VOC的综合实验2012和Coco-Stuff 10K展示了拟议的替代自我双重教学机制的有效性以及我们方法的新的最新性能。

We propose a technique for producing 'visual explanations' for decisions from a large class of Convolutional Neural Network (CNN)-based models, making them more transparent and explainable.Our approach -Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM), uses the gradients of any target concept (say 'dog' in a classification network or a sequence of words in captioning network) flowing into the final convolutional layer to produce a coarse localization map highlighting the important regions in the image for predicting the concept.Unlike previous approaches, Grad-CAM is applicable to a wide variety of CNN model-families: (1) CNNs with fullyconnected layers (e.g. VGG), (2) CNNs used for structured outputs (e.g. captioning), (3) CNNs used in tasks with multimodal inputs (e.g. visual question answering) or reinforcement learning, all without architectural changes or re-training. We combine Grad-CAM with existing fine-grained visualizations to create a high-resolution class-discriminative vi-

本文提供了一个统一的观点来解释不同的逆势攻击和防御方法，即DNN的输入变量之间的多阶交互的视图。根据多阶互动，我们发现对抗性攻击主要影响愚弄DNN的高阶相互作用。此外，我们发现前列培训的DNN的鲁棒性来自特定于类别的低阶交互。我们的研究结果提供了统一对抗的扰动和鲁棒性的潜在方法，可以以原则方式解释现有的防御方法。此外，我们的调查结果还修订了先前的不准确了解对抗普遍学习特征的偏差。