Reliable application of machine learning-based decision systems in the wild is one of the major challenges currently investigated by the field. A large portion of established approaches aims to detect erroneous predictions by means of assigning confidence scores. This confidence may be obtained by either quantifying the model's predictive uncertainty, learning explicit scoring functions, or assessing whether the input is in line with the training distribution. Curiously, while these approaches all state to address the same eventual goal of detecting failures of a classifier upon real-life application, they currently constitute largely separated research fields with individual evaluation protocols, which either exclude a substantial part of relevant methods or ignore large parts of relevant failure sources. In this work, we systematically reveal current pitfalls caused by these inconsistencies and derive requirements for a holistic and realistic evaluation of failure detection. To demonstrate the relevance of this unified perspective, we present a large-scale empirical study for the first time enabling benchmarking confidence scoring functions w.r.t all relevant methods and failure sources. The revelation of a simple softmax response baseline as the overall best performing method underlines the drastic shortcomings of current evaluation in the abundance of publicized research on confidence scoring. Code and trained models are at https://github.com/IML-DKFZ/fd-shifts.

检测到分布（OOD）数据是一项任务，它正在接受计算机视觉的深度学习领域越来越多的研究注意力。但是，通常在隔离任务上评估检测方法的性能，而不是考虑串联中的潜在下游任务。在这项工作中，我们检查了存在OOD数据（SCOD）的选择性分类。也就是说，检测OOD样本的动机是拒绝它们，以便降低它们对预测质量的影响。我们在此任务规范下表明，与仅在OOD检测时进行评估时，现有的事后方法的性能大不相同。这是因为如果ID数据被错误分类，将分布分配（ID）数据与OOD数据混合在一起的问题不再是一个问题。但是，正确和不正确的预测的ID数据中的汇合变得不受欢迎。我们还提出了一种新颖的SCOD，SoftMax信息保留（SIRC）的方法，该方法通过功能不足信息来增强基于软疗法的置信度得分，以便在不牺牲正确和错误的ID预测之间的分离的情况下，可以提高其识别OOD样品的能力。在各种成像网尺度数据集和卷积神经网络体系结构上进行的实验表明，SIRC能够始终如一地匹配或胜过SCOD的基线，而现有的OOD检测方法则无法做到。

深度神经网络对各种任务取得了出色的性能，但它们具有重要问题：即使对于完全未知的样本，也有过度自信的预测。已经提出了许多研究来成功过滤出这些未知的样本，但它们仅考虑狭窄和特定的任务，称为错误分类检测，开放式识别或分布外检测。在这项工作中，我们认为这些任务应该被视为根本存在相同的问题，因为理想的模型应该具有所有这些任务的检测能力。因此，我们介绍了未知的检测任务，以先前的单独任务的整合，用于严格检查深度神经网络对广谱的广泛未知样品的检测能力。为此，构建了不同尺度上的统一基准数据集，并且存在现有流行方法的未知检测能力进行比较。我们发现深度集合始终如一地优于检测未知的其他方法;但是，所有方法只针对特定类型的未知方式成功。可重复的代码和基准数据集可在https://github.com/daintlab/unknown-detection-benchmarks上获得。

人工智能的最新趋势是将验证的模型用于语言和视觉任务，这些模型已经实现了非凡的表现，但也令人困惑。因此，以各种方式探索这些模型的能力对该领域至关重要。在本文中，我们探讨了模型的可靠性，在其中我们将可靠的模型定义为一个不仅可以实现强大的预测性能，而且在许多涉及不确定性（例如选择性预测，开放式设置识别）的决策任务上，在许多决策任务上表现出色，而且表现良好。强大的概括（例如，准确性和适当的评分规则，例如在分布数据集中和分发数据集上的对数可能性）和适应性（例如，主动学习，几乎没有射击不确定性）。我们设计了40个数据集的10种任务类型，以评估视觉和语言域上可靠性的不同方面。为了提高可靠性，我们分别开发了VIT-PLEX和T5-PLEX，分别针对视觉和语言方式扩展了大型模型。 PLEX极大地改善了跨可靠性任务的最先进，并简化了传统协议，因为它可以改善开箱即用的性能，并且不需要设计分数或为每个任务调整模型。我们演示了高达1B参数的模型尺寸的缩放效果，并预处理数据集大小最多4B示例。我们还展示了PLEX在具有挑战性的任务上的功能，包括零射门的开放式识别，主动学习和对话语言理解中的不确定性。

本文我们的目标是利用异质的温度缩放作为校准策略（OOD）检测。此处的异质性是指每个样品的最佳温度参数可能不同，而不是传统的方法对整个分布使用相同的值。为了实现这一目标，我们提出了一种称为锚定的新培训策略，可以估算每个样品的适当温度值，从而导致几个基准的最新OOD检测性能。使用NTK理论，我们表明该温度函数估计与分类器的认知不确定性紧密相关，这解释了其行为。与某些表现最佳的OOD检测方法相反，我们的方法不需要暴露于其他离群数据集，自定义校准目标或模型结合。通过具有不同OOD检测设置的经验研究 - 远处，OOD附近和语义相干OOD - 我们建立了一种高效的OOD检测方法。可以在此处访问代码和模型-https：//github.com/rushilanirudh/amp

在图像分类中，在检测分布（OOD）数据时发生了许多发展。但是，大多数OOD检测方法是在一组标准数据集上评估的，该数据集与培训数据任意不同。没有明确的定义``好的''ood数据集。此外，最先进的OOD检测方法已经在这些标准基准上取得了几乎完美的结果。在本文中，我们定义了2类OOD数据使用与分布（ID）数据的感知/视觉和语义相似性的微妙概念。我们将附近的OOD样本定义为感知上相似但语义上与ID样本的不同，并将样本转移为视觉上不同但在语义上与ID相似的点数据。然后，我们提出了一个基于GAN的框架，用于从这两个类别中生成OOD样品，给定一个ID数据集。通过有关MNIST，CIFAR-10/100和Imagenet的广泛实验，我们表明A）在常规基准上表现出色的ART OOD检测方法对我们提出的基准测试的稳健性明显较小。 N基准测试，反之亦然，因此表明甚至可能不需要单独的OOD集来可靠地评估OOD检测中的性能。

机器学习模型通常会遇到与训练分布不同的样本。无法识别分布（OOD）样本，因此将该样本分配给课堂标签会显着损害模​​型的可靠性。由于其对在开放世界中的安全部署模型的重要性，该问题引起了重大关注。由于对所有可能的未知分布进行建模的棘手性，检测OOD样品是具有挑战性的。迄今为止，一些研究领域解决了检测陌生样本的问题，包括异常检测，新颖性检测，一级学习，开放式识别识别和分布外检测。尽管有相似和共同的概念，但分别分布，开放式检测和异常检测已被独立研究。因此，这些研究途径尚未交叉授粉，创造了研究障碍。尽管某些调查打算概述这些方法，但它们似乎仅关注特定领域，而无需检查不同领域之间的关系。这项调查旨在在确定其共同点的同时，对各个领域的众多著名作品进行跨域和全面的审查。研究人员可以从不同领域的研究进展概述中受益，并协同发展未来的方法。此外，据我们所知，虽然进行异常检测或单级学习进行了调查，但没有关于分布外检测的全面或最新的调查，我们的调查可广泛涵盖。最后，有了统一的跨域视角，我们讨论并阐明了未来的研究线，打算将这些领域更加紧密地融为一体。

已知现代深度神经网络模型将错误地将分布式（OOD）测试数据分类为具有很高信心的分数（ID）培训课程之一。这可能会对关键安全应用产生灾难性的后果。一种流行的缓解策略是训练单独的分类器，该分类器可以在测试时间检测此类OOD样本。在大多数实际设置中，在火车时间尚不清楚OOD的示例，因此，一个关键问题是：如何使用合成OOD样品来增加ID数据以训练这样的OOD检测器？在本文中，我们为称为CNC的OOD数据增强提出了一种新颖的复合腐败技术。 CNC的主要优点之一是，除了培训集外，它不需要任何固定数据。此外，与当前的最新技术（SOTA）技术不同，CNC不需要在测试时间进行反向传播或结合，从而使我们的方法在推断时更快。我们与过去4年中主要会议的20种方法进行了广泛的比较，表明，在OOD检测准确性和推理时间方面，使用基于CNC的数据增强训练的模型都胜过SOTA。我们包括详细的事后分析，以研究我们方法成功的原因，并确定CNC样本的较高相对熵和多样性是可能的原因。我们还通过对二维数据集进行零件分解分析提供理论见解，以揭示（视觉和定量），我们的方法导致ID类别周围的边界更紧密，从而更好地检测了OOD样品。源代码链接：https：//github.com/cnc-ood

Deep neural networks have attained remarkable performance when applied to data that comes from the same distribution as that of the training set, but can significantly degrade otherwise. Therefore, detecting whether an example is out-of-distribution (OoD) is crucial to enable a system that can reject such samples or alert users. Recent works have made significant progress on OoD benchmarks consisting of small image datasets. However, many recent methods based on neural networks rely on training or tuning with both in-distribution and out-of-distribution data. The latter is generally hard to define a-priori, and its selection can easily bias the learning. We base our work on a popular method ODIN 1 [21], proposing two strategies for freeing it from the needs of tuning with OoD data, while improving its OoD detection performance. We specifically propose to decompose confidence scoring as well as a modified input pre-processing method. We show that both of these significantly help in detection performance. Our further analysis on a larger scale image dataset shows that the two types of distribution shifts, specifically semantic shift and non-semantic shift, present a significant difference in the difficulty of the problem, providing an analysis of when ODIN-like strategies do or do not work.

我们介绍了几个新的数据集即想象的A / O和Imagenet-R以及合成环境和测试套件，我们称为CAOS。 Imagenet-A / O允许研究人员专注于想象成剩余的盲点。由于追踪稳健的表示，以特殊创建了ImageNet-R，因为表示不再简单地自然，而是包括艺术和其他演绎。 Caos Suite由Carla Simulator构建，允许包含异常物体，可以创建可重复的合成环境和用于测试稳健性的场景。所有数据集都是为测试鲁棒性和衡量鲁棒性的衡量进展而创建的。数据集已用于各种其他作品中，以衡量其具有鲁棒性的自身进步，并允许切向进展，这些进展不会完全关注自然准确性。鉴于这些数据集，我们创建了几种旨在推进鲁棒性研究的新方法。我们以最大Logit的形式和典型程度的形式构建简单的基线，并以深度的形式创建新的数据增强方法，从而提高上述基准。最大Logit考虑Logit值而不是SoftMax操作后的值，而微小的变化会产生明显的改进。典型程分将输出分布与类的后部分布进行比较。我们表明，除了分段任务之外，这将提高对基线的性能。猜测可能在像素级别，像素的语义信息比类级信息的语义信息不太有意义。最后，新的Deepaulment的新增强技术利用神经网络在彻底不同于先前使用的传统几何和相机的转换的图像上创建增强。

自动生物医学图像分析的领域至关重要地取决于算法验证的可靠和有意义的性能指标。但是，当前的度量使用通常是不明智的，并且不能反映基本的域名。在这里，我们提出了一个全面的框架，该框架指导研究人员以问题意识的方式选择绩效指标。具体而言，我们专注于生物医学图像分析问题，这些问题可以解释为图像，对象或像素级别的分类任务。该框架首先编译域兴趣 - 目标结构 - ，数据集和算法与输出问题相关的属性的属性与问题指纹相关，同时还将其映射到适当的问题类别，即图像级分类，语义分段，实例，实例细分或对象检测。然后，它指导用户选择和应用一组适当的验证指标的过程，同时使他们意识到与个人选择相关的潜在陷阱。在本文中，我们描述了指标重新加载推荐框架的当前状态，目的是从图像分析社区获得建设性的反馈。当前版本是在由60多个图像分析专家的国际联盟中开发的，将在社区驱动的优化之后公开作为用户友好的工具包提供。

Modern machine learning methods including deep learning have achieved great success in predictive accuracy for supervised learning tasks, but may still fall short in giving useful estimates of their predictive uncertainty. Quantifying uncertainty is especially critical in real-world settings, which often involve input distributions that are shifted from the training distribution due to a variety of factors including sample bias and non-stationarity. In such settings, well calibrated uncertainty estimates convey information about when a model's output should (or should not) be trusted. Many probabilistic deep learning methods, including Bayesian-and non-Bayesian methods, have been proposed in the literature for quantifying predictive uncertainty, but to our knowledge there has not previously been a rigorous largescale empirical comparison of these methods under dataset shift. We present a largescale benchmark of existing state-of-the-art methods on classification problems and investigate the effect of dataset shift on accuracy and calibration. We find that traditional post-hoc calibration does indeed fall short, as do several other previous methods. However, some methods that marginalize over models give surprisingly strong results across a broad spectrum of tasks.

Accurate uncertainty quantification is a major challenge in deep learning, as neural networks can make overconfident errors and assign high confidence predictions to out-of-distribution (OOD) inputs. The most popular approaches to estimate predictive uncertainty in deep learning are methods that combine predictions from multiple neural networks, such as Bayesian neural networks (BNNs) and deep ensembles. However their practicality in real-time, industrial-scale applications are limited due to the high memory and computational cost. Furthermore, ensembles and BNNs do not necessarily fix all the issues with the underlying member networks. In this work, we study principled approaches to improve uncertainty property of a single network, based on a single, deterministic representation. By formalizing the uncertainty quantification as a minimax learning problem, we first identify distance awareness, i.e., the model's ability to quantify the distance of a testing example from the training data, as a necessary condition for a DNN to achieve high-quality (i.e., minimax optimal) uncertainty estimation. We then propose Spectral-normalized Neural Gaussian Process (SNGP), a simple method that improves the distance-awareness ability of modern DNNs with two simple changes: (1) applying spectral normalization to hidden weights to enforce bi-Lipschitz smoothness in representations and (2) replacing the last output layer with a Gaussian process layer. On a suite of vision and language understanding benchmarks, SNGP outperforms other single-model approaches in prediction, calibration and out-of-domain detection. Furthermore, SNGP provides complementary benefits to popular techniques such as deep ensembles and data augmentation, making it a simple and scalable building block for probabilistic deep learning. Code is open-sourced at https://github.com/google/uncertainty-baselines

在值得信赖的机器学习中，这是一个重要的问题，可以识别与分配任务无关的输入的分布（OOD）输入。近年来，已经提出了许多分布式检测方法。本文的目的是识别共同的目标以及确定不同OOD检测方法的隐式评分函数。我们专注于在培训期间使用替代OOD数据的方法，以学习在测试时概括为新的未见外部分布的OOD检测分数。我们表明，内部和（不同）外部分布之间的二元歧视等同于OOD检测问题的几种不同的公式。当与标准分类器以共同的方式接受培训时，该二进制判别器达到了类似于离群暴露的OOD检测性能。此外，我们表明，异常暴露所使用的置信损失具有隐式评分函数，在训练和测试外部分配相同的情况下，以非平凡的方式与理论上最佳评分功能有所不同，这又是类似于训练基于能量的OOD检测器或添加背景类时使用的一种。在实践中，当以完全相同的方式培训时，所有这些方法的性能类似。

The ability to quickly and accurately identify covariate shift at test time is a critical and often overlooked component of safe machine learning systems deployed in high-risk domains. While methods exist for detecting when predictions should not be made on out-of-distribution test examples, identifying distributional level differences between training and test time can help determine when a model should be removed from the deployment setting and retrained. In this work, we define harmful covariate shift (HCS) as a change in distribution that may weaken the generalization of a predictive model. To detect HCS, we use the discordance between an ensemble of classifiers trained to agree on training data and disagree on test data. We derive a loss function for training this ensemble and show that the disagreement rate and entropy represent powerful discriminative statistics for HCS. Empirically, we demonstrate the ability of our method to detect harmful covariate shift with statistical certainty on a variety of high-dimensional datasets. Across numerous domains and modalities, we show state-of-the-art performance compared to existing methods, particularly when the number of observed test samples is small.

随着变压器在计算机视觉中普及的激增，一些研究试图确定它们是否可以比卷积神经网络（CNN）更适合分配变化并提供更好的不确定性估计。几乎一致的结论是它们是，并且通常或多或少地明确地认为这种所谓优势的原因是归因于自我注意力的机制。在本文中，我们进行了广泛的经验分析，表明最近最新的CNN（尤其是Convnext）可以比当前的最新变压器更强大，可靠，甚至有时甚至更多。但是，没有明显的赢家。因此，尽管它很容易陈述一个建筑家族比另一种建筑的明确优势，但他们似乎在各种任务上享有类似的非凡表演，同时也遭受了类似的脆弱性，例如纹理，背景和简单性偏见。

背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。

在过去的几年中，关于分类，检测和分割问题的3D学习领域取得了重大进展。现有的绝大多数研究都集中在规范的封闭式条件上，忽略了现实世界的内在开放性。这限制了需要管理新颖和未知信号的自主系统的能力。在这种情况下，利用3D数据可以是有价值的资产，因为它传达了有关感应物体和场景几何形状的丰富信息。本文提供了关于开放式3D学习的首次广泛研究。我们介绍了一种新颖的测试床，其设置在类别语义转移方面的难度增加，并且涵盖了内域（合成之间）和跨域（合成对真实）场景。此外，我们研究了相关的分布情况，并开放了2D文献，以了解其最新方法是否以及如何在3D数据上有效。我们广泛的基准测试在同一连贯的图片中定位了几种算法，从而揭示了它们的优势和局限性。我们的分析结果可能是未来量身定制的开放式3D模型的可靠立足点。

深度神经网络具有令人印象深刻的性能，但是他们无法可靠地估计其预测信心，从而限制了其在高风险领域中的适用性。我们表明，应用多标签的一VS损失揭示了分类的歧义并降低了模型的过度自信。引入的Slova（单标签One-Vs-All）模型重新定义了单个标签情况的典型单VS-ALL预测概率，其中只有一个类是正确的答案。仅当单个类具有很高的概率并且其他概率可忽略不计时，提议的分类器才有信心。与典型的SoftMax函数不同，如果所有其他类的概率都很小，Slova自然会检测到分布的样本。该模型还通过指数校准进行了微调，这使我们能够与模型精度准确地对齐置信分数。我们在三个任务上验证我们的方法。首先，我们证明了斯洛伐克与最先进的分布校准具有竞争力。其次，在数据集偏移下，斯洛伐克的性能很强。最后，我们的方法在检测到分布样品的检测方面表现出色。因此，斯洛伐克是一种工具，可以在需要不确定性建模的各种应用中使用。

分布（OOD）检测对于确保机器学习系统的可靠性和安全性至关重要。例如，在自动驾驶中，我们希望驾驶系统在发现在训练时间中从未见过的异常​​场景或对象时，发出警报并将控件移交给人类，并且无法做出安全的决定。该术语《 OOD检测》于2017年首次出现，此后引起了研究界的越来越多的关注，从而导致了大量开发的方法，从基于分类到基于密度到基于距离的方法。同时，其他几个问题，包括异常检测（AD），新颖性检测（ND），开放式识别（OSR）和离群检测（OD）（OD），在动机和方法方面与OOD检测密切相关。尽管有共同的目标，但这些主题是孤立发展的，它们在定义和问题设定方面的细微差异通常会使读者和从业者感到困惑。在这项调查中，我们首先提出一个称为广义OOD检测的统一框架，该框架涵盖了上述五个问题，即AD，ND，OSR，OOD检测和OD。在我们的框架下，这五个问题可以看作是特殊情况或子任务，并且更容易区分。然后，我们通过总结了他们最近的技术发展来审查这五个领域中的每一个，特别关注OOD检测方法。我们以公开挑战和潜在的研究方向结束了这项调查。