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知识蒸馏

1. 简介

1.1 知识蒸馏介绍

近年来，深度神经网络在计算机视觉、自然语言处理等领域被验证是一种极其有效的解决问题的方法。通过构建合适的神经网络，加以训练，最终网络模型的性能指标基本上都会超过传统算法。

在数据量足够大的情况下，通过合理构建网络模型的方式增加其参数量，可以显著改善模型性能，但是这又带来了模型复杂度急剧提升的问题。大模型在实际场景中使用的成本较高。

深度神经网络一般有较多的参数冗余，目前有几种主要的方法对模型进行压缩，减小其参数量。如裁剪、量化、知识蒸馏等，其中知识蒸馏是指使用教师模型(teacher model)去指导学生模型(student model)学习特定任务，保证小模型在参数量不变的情况下，得到比较大的性能提升。

此外，在知识蒸馏任务中，也衍生出了互学习的模型训练方法，论文Deep Mutual Learning中指出，使用两个完全相同的模型在训练的过程中互相监督，可以达到比单个模型训练更好的效果。

1.2 PaddleOCR知识蒸馏简介

无论是大模型蒸馏小模型，还是小模型之间互相学习，更新参数，他们本质上是都是不同模型之间输出或者特征图(feature map)之间的相互监督，区别仅在于 (1) 模型是否需要固定参数。(2) 模型是否需要加载预训练模型。

对于大模型蒸馏小模型的情况，大模型一般需要加载预训练模型并固定参数；对于小模型之间互相蒸馏的情况，小模型一般都不加载预训练模型，参数也都是可学习的状态。

在知识蒸馏任务中，不只有2个模型之间进行蒸馏的情况，多个模型之间互相学习的情况也非常普遍。因此在知识蒸馏代码框架中，也有必要支持该种类别的蒸馏方法。

PaddleOCR中集成了知识蒸馏的算法，具体地，有以下几个主要的特点：

  • 支持任意网络的互相学习，不要求子网络结构完全一致或者具有预训练模型；同时子网络数量也没有任何限制，只需要在配置文件中添加即可。
  • 支持loss函数通过配置文件任意配置，不仅可以使用某种loss，也可以使用多种loss的组合
  • 支持知识蒸馏训练、预测、评估与导出等所有模型相关的环境，方便使用与部署。

通过知识蒸馏，在中英文通用文字识别任务中，不增加任何预测耗时的情况下，可以给模型带来3%以上的精度提升，结合学习率调整策略以及模型结构微调策略，最终提升提升超过5%。

2. 配置文件解析

在知识蒸馏训练的过程中，数据预处理、优化器、学习率、全局的一些属性没有任何变化。模型结构、损失函数、后处理、指标计算等模块的配置文件需要进行微调。

下面以识别与检测的知识蒸馏配置文件为例，对知识蒸馏的训练与配置进行解析。

2.1 识别配置文件解析

配置文件在ch_PP-OCRv3_rec_distillation.yml。

2.1.1 模型结构

知识蒸馏任务中，模型结构配置如下所示。

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Architecture:
  model_type: &model_type "rec"    # 模型类别，rec、det等，每个子网络的模型类别
  name: DistillationModel          # 结构名称，蒸馏任务中，为DistillationModel，用于构建对应的结构
  algorithm: Distillation          # 算法名称
  Models:                          # 模型，包含子网络的配置信息
    Teacher:                       # 子网络名称，至少需要包含`pretrained`与`freeze_params`信息，其他的参数为子网络的构造参数
      pretrained:                  # 该子网络是否需要加载预训练模型
      freeze_params: false         # 是否需要固定参数
      return_all_feats: true       # 子网络的参数，表示是否需要返回所有的features，如果为False，则只返回最后的输出
      model_type: *model_type      # 模型类别
      algorithm: SVTR              # 子网络的算法名称，该子网络其余参数均为构造参数，与普通的模型训练配置一致
      Transform:
      Backbone:
        name: MobileNetV1Enhance
        scale: 0.5
        last_conv_stride: [1, 2]
        last_pool_type: avg
      Head:
        name: MultiHead
        head_list:
          - CTCHead:
              Neck:
                name: svtr
                dims: 64
                depth: 2
                hidden_dims: 120
                use_guide: True
              Head:
                fc_decay: 0.00001
          - SARHead:
              enc_dim: 512
              max_text_length: *max_text_length
    Student:
      pretrained:
      freeze_params: false
      return_all_feats: true
      model_type: *model_type
      algorithm: SVTR
      Transform:
      Backbone:
        name: MobileNetV1Enhance
        scale: 0.5
        last_conv_stride: [1, 2]
        last_pool_type: avg
      Head:
        name: MultiHead
        head_list:
          - CTCHead:
              Neck:
                name: svtr
                dims: 64
                depth: 2
                hidden_dims: 120
                use_guide: True
              Head:
                fc_decay: 0.00001
          - SARHead:
              enc_dim: 512
              max_text_length: *max_text_length

当然，这里如果希望添加更多的子网络进行训练，也可以按照Student与Teacher的添加方式，在配置文件中添加相应的字段。比如说如果希望有3个模型互相监督，共同训练，那么Architecture可以写为如下格式。

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Architecture:
  model_type: &model_type "rec"
  name: DistillationModel
  algorithm: Distillation
  Models:
    Teacher:
      pretrained:
      freeze_params: false
      return_all_feats: true
      model_type: *model_type
      algorithm: SVTR
      Transform:
      Backbone:
        name: MobileNetV1Enhance
        scale: 0.5
        last_conv_stride: [1, 2]
        last_pool_type: avg
      Head:
        name: MultiHead
        head_list:
          - CTCHead:
              Neck:
                name: svtr
                dims: 64
                depth: 2
                hidden_dims: 120
                use_guide: True
              Head:
                fc_decay: 0.00001
          - SARHead:
              enc_dim: 512
              max_text_length: *max_text_length
    Student:
      pretrained:
      freeze_params: false
      return_all_feats: true
      model_type: *model_type
      algorithm: SVTR
      Transform:
      Backbone:
        name: MobileNetV1Enhance
        scale: 0.5
        last_conv_stride: [1, 2]
        last_pool_type: avg
      Head:
        name: MultiHead
        head_list:
          - CTCHead:
              Neck:
                name: svtr
                dims: 64
                depth: 2
                hidden_dims: 120
                use_guide: True
              Head:
                fc_decay: 0.00001
          - SARHead:
              enc_dim: 512
              max_text_length: *max_text_length
    Student2:
      pretrained:
      freeze_params: false
      return_all_feats: true
      model_type: *model_type
      algorithm: SVTR
      Transform:
      Backbone:
        name: MobileNetV1Enhance
        scale: 0.5
        last_conv_stride: [1, 2]
        last_pool_type: avg
      Head:
        name: MultiHead
        head_list:
          - CTCHead:
              Neck:
                name: svtr
                dims: 64
                depth: 2
                hidden_dims: 120
                use_guide: True
              Head:
                fc_decay: 0.00001
          - SARHead:
              enc_dim: 512
              max_text_length: *max_text_length

最终该模型训练时，包含3个子网络：Teacher, Student, Student2。

蒸馏模型DistillationModel类的具体实现代码可以参考distillation_model.py。

最终模型forward输出为一个字典，key为所有的子网络名称，例如这里为Student与Teacher，value为对应子网络的输出，可以为Tensor（只返回该网络的最后一层）和dict（也返回了中间的特征信息）。

在识别任务中，为了添加更多损失函数，保证蒸馏方法的可扩展性，将每个子网络的输出保存为dict，其中包含子模块输出。以该识别模型为例，每个子网络的输出结果均为dict，key包含backbone_out,neck_out, head_out，value为对应模块的tensor，最终对于上述配置文件，DistillationModel的输出格式如下：

{
  "Teacher": {
    "backbone_out": tensor,
    "neck_out": tensor,
    "head_out": tensor,
  },
  "Student": {
    "backbone_out": tensor,
    "neck_out": tensor,
    "head_out": tensor,
  }
}

2.1.2 损失函数

知识蒸馏任务中，损失函数配置如下所示。

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Loss:
  name: CombinedLoss
  loss_config_list:
  - DistillationDMLLoss:                       # 蒸馏的DML损失函数，继承自标准的DMLLoss
      weight: 1.0                              # 权重
      act: "softmax"                           # 激活函数，对输入使用激活函数处理，可以为softmax, sigmoid或者为None，默认为None
      use_log: true                            # 对输入计算log，如果函数已经
      model_name_pairs:                        # 用于计算DML loss的子网络名称对，如果希望计算其他子网络的DML loss，可以在列表下面继续填充
      - ["Student", "Teacher"]
      key: head_out                            # 取子网络输出dict中，该key对应的tensor
      multi_head: True                         # 是否为多头结构
      dis_head: ctc                            # 指定用于计算损失函数的head
      name: dml_ctc                            # 蒸馏loss的前缀名称，避免不同loss之间的命名冲突
  - DistillationDMLLoss:                       # 蒸馏的DML损失函数，继承自标准的DMLLoss
      weight: 0.5                              # 权重
      act: "softmax"                           # 激活函数，对输入使用激活函数处理，可以为softmax, sigmoid或者为None，默认为None
      use_log: true                            # 对输入计算log，如果函数已经
      model_name_pairs:                        # 用于计算DML loss的子网络名称对，如果希望计算其他子网络的DML loss，可以在列表下面继续填充
      - ["Student", "Teacher"]
      key: head_out                            # 取子网络输出dict中，该key对应的tensor
      multi_head: True                         # 是否为多头结构
      dis_head: sar                            # 指定用于计算损失函数的head
      name: dml_sar                            # 蒸馏loss的前缀名称，避免不同loss之间的命名冲突
  - DistillationDistanceLoss:                  # 蒸馏的距离损失函数
      weight: 1.0                              # 权重
      mode: "l2"                               # 距离计算方法，目前支持l1, l2, smooth_l1
      model_name_pairs:                        # 用于计算distance loss的子网络名称对
      - ["Student", "Teacher"]
      key: backbone_out                        # 取子网络输出dict中，该key对应的tensor
  - DistillationCTCLoss:                       # 基于蒸馏的CTC损失函数，继承自标准的CTC loss
      weight: 1.0                              # 损失函数的权重，loss_config_list中，每个损失函数的配置都必须包含该字段
      model_name_list: ["Student", "Teacher"]  # 对于蒸馏模型的预测结果，提取这两个子网络的输出，与gt计算CTC loss
      key: head_out                            # 取子网络输出dict中，该key对应的tensor
  - DistillationSARLoss:                       # 基于蒸馏的SAR损失函数，继承自标准的SARLoss
      weight: 1.0                              # 损失函数的权重，loss_config_list中，每个损失函数的配置都必须包含该字段
      model_name_list: ["Student", "Teacher"]  # 对于蒸馏模型的预测结果，提取这两个子网络的输出，与gt计算CTC loss
      key: head_out                            # 取子网络输出dict中，该key对应的tensor
      multi_head: True                         # 是否为多头结构，为true时，取出其中的SAR分支计算损失函数

上述损失函数中，所有的蒸馏损失函数均继承自标准的损失函数类，主要功能为: 对蒸馏模型的输出进行解析，找到用于计算损失的中间节点(tensor)，再使用标准的损失函数类去计算。

以上述配置为例，最终蒸馏训练的损失函数包含下面5个部分。

  • Student和Teacher最终输出(head_out)的CTC分支与gt的CTC loss，权重为1。在这里因为2个子网络都需要更新参数，因此2者都需要计算与g的loss。
  • Student和Teacher最终输出(head_out)的SAR分支与gt的SAR loss，权重为1.0。在这里因为2个子网络都需要更新参数，因此2者都需要计算与g的loss。
  • Student和Teacher最终输出(head_out)的CTC分支之间的DML loss，权重为1。
  • Student和Teacher最终输出(head_out)的SAR分支之间的DML loss，权重为0.5。
  • Student和Teacher的骨干网络输出(backbone_out)之间的l2 loss，权重为1。

关于CombinedLoss更加具体的实现可以参考: combined_loss.py。关于DistillationCTCLoss等蒸馏损失函数更加具体的实现可以参考distillation_loss.py。

2.1.3 后处理

知识蒸馏任务中，后处理配置如下所示。

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PostProcess:
  name: DistillationCTCLabelDecode       # 蒸馏任务的CTC解码后处理，继承自标准的CTCLabelDecode类
  model_name: ["Student", "Teacher"]     # 对于蒸馏模型的预测结果，提取这两个子网络的输出，进行解码
  key: head_out                          # 取子网络输出dict中，该key对应的tensor
  multi_head: True                       # 多头结构时，会取出其中的CTC分支进行计算

以上述配置为例，最终会同时计算Student和Teahcer 2个子网络的CTC解码输出，返回一个dict，key为用于处理的子网络名称，value为用于处理的子网络列表。

关于DistillationCTCLabelDecode更加具体的实现可以参考: rec_postprocess.py

2.1.4 指标计算

知识蒸馏任务中，指标计算配置如下所示。

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Metric:
  name: DistillationMetric         # 蒸馏任务的CTC解码后处理，继承自标准的CTCLabelDecode类
  base_metric_name: RecMetric      # 指标计算的基类，对于模型的输出，会基于该类，计算指标
  main_indicator: acc              # 指标的名称
  key: "Student"                   # 选取该子网络的 main_indicator 作为作为保存保存best model的判断标准
  ignore_space: False              # 评估时是否忽略空格的影响

以上述配置为例，最终会使用Student子网络的acc指标作为保存best model的判断指标，同时，日志中也会打印出所有子网络的acc指标。

关于DistillationMetric更加具体的实现可以参考: distillation_metric.py。

2.1.5 蒸馏模型微调

对蒸馏得到的识别蒸馏进行微调有2种方式。

（1）基于知识蒸馏的微调：这种情况比较简单，下载预训练模型，在ch_PP-OCRv3_rec_distillation.yml中配置好预训练模型路径以及自己的数据路径，即可进行模型微调训练。

（2）微调时不使用知识蒸馏：这种情况，需要首先将预训练模型中的学生模型参数提取出来，具体步骤如下：

  • 首先下载预训练模型并解压。
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# 下面预训练模型并解压
wget https://paddleocr.bj.bcebos.com/PP-OCRv3/chinese/ch_PP-OCRv3_rec_train.tar
tar -xf ch_PP-OCRv3_rec_train.tar
  • 然后使用python，对其中的学生模型参数进行提取
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import paddle
# 加载预训练模型
all_params = paddle.load("ch_PP-OCRv3_rec_train/best_accuracy.pdparams")
# 查看权重参数的keys
print(all_params.keys())
# 学生模型的权重提取
s_params = {key[len("Student."):]: all_params[key] for key in all_params if "Student." in key}
# 查看学生模型权重参数的keys
print(s_params.keys())
# 保存
paddle.save(s_params, "ch_PP-OCRv3_rec_train/student.pdparams")

转化完成之后，使用ch_PP-OCRv3_rec.yml，修改预训练模型的路径（为导出的student.pdparams模型路径）以及自己的数据路径，即可进行模型微调。

2.2 检测配置文件解析

检测模型蒸馏的配置文件在PaddleOCR/configs/det/ch_PP-OCRv3/目录下，包含两个个蒸馏配置文件：

  • ch_PP-OCRv3_det_cml.yml，采用cml蒸馏，采用一个大模型蒸馏两个小模型，且两个小模型互相学习的方法
  • ch_PP-OCRv3_det_dml.yml，采用DML的蒸馏，两个Student模型互蒸馏的方法

2.2.1 模型结构

知识蒸馏任务中，模型结构配置如下所示：

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Architecture:
  name: DistillationModel          # 结构名称，蒸馏任务中，为DistillationModel，用于构建对应的结构
  algorithm: Distillation          # 算法名称
  Models:                          # 模型，包含子网络的配置信息
    Student:                       # 子网络名称，至少需要包含`pretrained`与`freeze_params`信息，其他的参数为子网络的构造参数
      freeze_params: false         # 是否需要固定参数
      return_all_feats: false      # 子网络的参数，表示是否需要返回所有的features，如果为False，则只返回最后的输出
      model_type: det
      algorithm: DB
      Backbone:
        name: ResNet
        in_channels: 3
        layers: 50
      Neck:
        name: LKPAN
        out_channels: 256
      Head:
        name: DBHead
        kernel_list: [7,2,2]
        k: 50
    Teacher:                      # 另外一个子网络，这里给的是DML蒸馏示例，
      freeze_params: true
      return_all_feats: false
      model_type: det
      algorithm: DB
      Transform:
      Backbone:
        name: ResNet
        in_channels: 3
        layers: 50
      Neck:
        name: LKPAN
        out_channels: 256
      Head:
        name: DBHead
        kernel_list: [7,2,2]
        k: 50

如果是采用DML，即两个小模型互相学习的方法，上述配置文件里的Teacher网络结构需要设置为Student模型一样的配置，具体参考配置文件ch_PP-OCRv3_det_dml.yml。

下面介绍ch_PP-OCRv3_det_cml.yml的配置文件参数：

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Architecture:
  name: DistillationModel
  algorithm: Distillation
  model_type: det
  Models:
    Teacher:                         # CML蒸馏的Teacher模型配置
      pretrained: ./pretrain_models/ch_ppocr_server_v2.0_det_train/best_accuracy
      freeze_params: true            # Teacher 不训练
      return_all_feats: false
      model_type: det
      algorithm: DB
      Transform:
      Backbone:
        name: ResNet
        in_channels: 3
        layers: 50
      Neck:
        name: LKPAN
        out_channels: 256
      Head:
        name: DBHead
        kernel_list: [7,2,2]
        k: 50
    Student:                         # CML蒸馏的Student模型配置
      pretrained: ./pretrain_models/MobileNetV3_large_x0_5_pretrained
      freeze_params: false
      return_all_feats: false
      model_type: det
      algorithm: DB
      Backbone:
        name: MobileNetV3
        scale: 0.5
        model_name: large
        disable_se: true
      Neck:
        name: RSEFPN
        out_channels: 96
        shortcut: True
      Head:
        name: DBHead
        k: 50
    Student2:                          # CML蒸馏的Student2模型配置
      pretrained: ./pretrain_models/MobileNetV3_large_x0_5_pretrained
      freeze_params: false
      return_all_feats: false
      model_type: det
      algorithm: DB
      Transform:
      Backbone:
        name: MobileNetV3
        scale: 0.5
        model_name: large
        disable_se: true
      Neck:
        name: RSEFPN
        out_channels: 96
        shortcut: True
      Head:
        name: DBHead
        k: 50

蒸馏模型DistillationModel类的具体实现代码可以参考distillation_model.py。

最终模型forward输出为一个字典，key为所有的子网络名称，例如这里为Student与Teacher，value为对应子网络的输出，可以为Tensor（只返回该网络的最后一层）和dict（也返回了中间的特征信息）。

在蒸馏任务中，为了方便添加蒸馏损失函数，每个网络的输出保存为dict，其中包含子模块输出。每个子网络的输出结果均为dict，key包含backbone_out,neck_out, head_out，value为对应模块的tensor，最终对于上述配置文件，DistillationModel的输出格式如下：

{
  "Teacher": {
    "backbone_out": tensor,
    "neck_out": tensor,
    "head_out": tensor,
  },
  "Student": {
    "backbone_out": tensor,
    "neck_out": tensor,
    "head_out": tensor,
  }
}

2.2.2 损失函数

检测ch_PP-OCRv3_det_cml.yml蒸馏损失函数配置如下所示。

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Loss:
  name: CombinedLoss
  loss_config_list:
  - DistillationDilaDBLoss:
      weight: 1.0
      model_name_pairs:
      - ["Student", "Teacher"]
      - ["Student2", "Teacher"]                  # 改动1，计算两个Student和Teacher的损失
      key: maps
      balance_loss: true
      main_loss_type: DiceLoss
      alpha: 5
      beta: 10
      ohem_ratio: 3
  - DistillationDMLLoss:                         # 改动2，增加计算两个Student之间的损失
      model_name_pairs:
      - ["Student", "Student2"]
      maps_name: "thrink_maps"
      weight: 1.0
      # act: None
      key: maps
  - DistillationDBLoss:
      weight: 1.0
      model_name_list: ["Student", "Student2"]   # 改动3，计算两个Student和GT之间的损失
      balance_loss: true
      main_loss_type: DiceLoss
      alpha: 5
      beta: 10
      ohem_ratio: 3

关于DistillationDilaDBLoss更加具体的实现可以参考: distillation_loss.py。关于DistillationDBLoss等蒸馏损失函数更加具体的实现可以参考distillation_loss.py。

2.2.3 后处理

知识蒸馏任务中，检测蒸馏后处理配置如下所示。

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PostProcess:
  name: DistillationDBPostProcess                  # DB检测蒸馏任务的CTC解码后处理，继承自标准的DBPostProcess类
  model_name: ["Student", "Student2", "Teacher"]   # 对于蒸馏模型的预测结果，提取多个子网络的输出，进行解码，不需要后处理的网络可以不在model_name中设置
  thresh: 0.3
  box_thresh: 0.6
  max_candidates: 1000
  unclip_ratio: 1.5

以上述配置为例，最终会同时计算Student，Student2和Teacher 3个子网络的输出做后处理计算。同时，由于有多个输入，后处理返回的输出也有多个，

关于DistillationDBPostProcess更加具体的实现可以参考: db_postprocess.py

2.2.4 蒸馏指标计算

知识蒸馏任务中，检测蒸馏指标计算配置如下所示。

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Metric:
  name: DistillationMetric
  base_metric_name: DetMetric
  main_indicator: hmean
  key: "Student"

由于蒸馏需要包含多个网络，甚至多个Student网络，在计算指标的时候只需要计算一个Student网络的指标即可，key字段设置为Student则表示只计算Student网络的精度。

2.2.5 检测蒸馏模型finetune

PP-OCRv3检测蒸馏有两种方式：

  • 采用ch_PP-OCRv3_det_cml.yml，采用cml蒸馏，同样Teacher模型设置为PaddleOCR提供的模型或者您训练好的大模型
  • 采用ch_PP-OCRv3_det_dml.yml，采用DML的蒸馏，两个Student模型互蒸馏的方法，在PaddleOCR采用的数据集上相比单独训练Student模型有1%-2%的提升。

在具体fine-tune时，需要在网络结构的pretrained参数中设置要加载的预训练模型。

在精度提升方面，cml的精度>dml的精度蒸馏方法的精度。当数据量不足或者Teacher模型精度与Student精度相差不大的时候，这个结论或许会改变。

另外，由于PaddleOCR提供的蒸馏预训练模型包含了多个模型的参数，如果您希望提取Student模型的参数，可以参考如下代码：

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# 下载蒸馏训练模型的参数
wget https://paddleocr.bj.bcebos.com/PP-OCRv2/chinese/ch_PP-OCRv3_det_distill_train.tar

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import paddle
# 加载预训练模型
all_params = paddle.load("ch_PP-OCRv3_det_distill_train/best_accuracy.pdparams")
# 查看权重参数的keys
print(all_params.keys())
# 学生模型的权重提取
s_params = {key[len("Student."):]: all_params[key] for key in all_params if "Student." in key}
# 查看学生模型权重参数的keys
print(s_params.keys())
# 保存
paddle.save(s_params, "ch_PP-OCRv3_det_distill_train/student.pdparams")

最终Student模型的参数将会保存在ch_PP-OCRv3_det_distill_train/student.pdparams中，用于模型的fine-tune。

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