最近，深度学习中的不确定性估计已成为提高安全至关重要应用的可靠性和鲁棒性的关键领域。尽管有许多提出的方法要么关注距离感知模型的不确定性，要么是分布式检测的不确定性，要么是针对分布校准的输入依赖性标签不确定性，但这两种类型的不确定性通常都是必要的。在这项工作中，我们提出了用于共同建模模型和数据不确定性的HETSNGP方法。我们表明，我们提出的模型在这两种类型的不确定性之间提供了有利的组合，因此在包括CIFAR-100C，ImagEnet-C和Imagenet-A在内的一些具有挑战性的分发数据集上优于基线方法。此外，我们提出了HETSNGP Ensemble，这是我们方法的结合版本，该版本还对网络参数的不确定性进行建模，并优于其他集合基线。

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

部署在医学成像任务上的机器学习模型必须配备分布外检测功能，以避免错误的预测。不确定依赖于深神经网络的分布外检测模型是否适合检测医学成像中的域移位。高斯流程可以通过其数学结构可靠地与分布数据点可靠地分开分发数据点。因此，我们为分层卷积高斯工艺提出了一个参数有效的贝叶斯层，该过程融合了在Wasserstein-2空间中运行的高斯过程，以可靠地传播不确定性。这直接用远距离的仿射操作员在分布中直接取代了高斯流程。我们对脑组织分割的实验表明，所得的架构接近了确定性分割算法（U-NET）的性能，而先前的层次高斯过程尚未实现。此外，通过将相同的分割模型应用于分布外数据（即具有病理学（例如脑肿瘤）的图像），我们表明我们的不确定性估计导致分布外检测，以优于以前的贝叶斯网络和以前的贝叶斯网络的功能基于重建的方法学习规范分布。为了促进未来的工作，我们的代码公开可用。

随着我们远离数据，预测不确定性应该增加，因为各种各样的解释与鲜为人知的信息一致。我们引入了远距离感知的先验（DAP）校准，这是一种纠正训练域之外贝叶斯深度学习模型过度自信的方法。我们将DAPS定义为模型参数的先验分布，该模型参数取决于输入，通过其与训练集的距离度量。DAP校准对后推理方法不可知，可以作为后处理步骤进行。我们证明了其在各种分类和回归问题中对几个基线的有效性，包括旨在测试远离数据的预测分布质量的基准。

我们表明，著名的混音的有效性[Zhang等，2018]，如果而不是将其用作唯一的学习目标，就可以进一步改善它，而是将其用作标准跨侧面损失的附加规则器。这种简单的变化不仅提供了太大的准确性，而且在大多数情况下，在各种形式的协变量转移和分布外检测实验下，在大多数情况下，混合量的预测不确定性估计质量都显着提高了。实际上，我们观察到混合物在检测出分布样本时可能会产生大量退化的性能，因为我们在经验上表现出来，因为它倾向于学习在整个过程中表现出高渗透率的模型。很难区分分布样本与近分离样本。为了显示我们的方法的功效（RegMixup），我们在视觉数据集（Imagenet＆Cifar-10/100）上提供了详尽的分析和实验，并将其与最新方法进行比较，以进行可靠的不确定性估计。

最近出现了一系列用于估计具有单个正向通行证的深神经网络中的认知不确定性的新方法，最近已成为贝叶斯神经网络的有效替代方法。在信息性表示的前提下，这些确定性不确定性方法（DUM）在检测到分布（OOD）数据的同时在推理时添加可忽略的计算成本时实现了强大的性能。但是，目前尚不清楚dums是否经过校准，可以无缝地扩展到现实世界的应用 - 这都是其实际部署的先决条件。为此，我们首先提供了DUMS的分类法，并在连续分配转移下评估其校准。然后，我们将它们扩展到语义分割。我们发现，尽管DUMS尺度到现实的视觉任务并在OOD检测方面表现良好，但当前方法的实用性受到分配变化下的校准不良而破坏的。

深度神经网络易于对异常值过度自信的预测。贝叶斯神经网络和深度融合都已显示在某种程度上减轻了这个问题。在这项工作中，我们的目标是通过提议预测由高斯混合模型的后续的高斯混合模型来结合这两种方法的益处，该高斯混合模型包括独立培训的深神经网络的LAPPALL近似的加权和。该方法可以与任何一组预先训练的网络一起使用，并且与常规合并相比，只需要小的计算和内存开销。理论上我们验证了我们的方法从训练数据中的培训数据和虚拟化的基本线上的标准不确定量级基准测试中的“远离”的过度控制。

不确定性估计（UE）技术 - 例如高斯过程（GP），贝叶斯神经网络（BNN），蒙特卡罗辍学（MCDropout） - 旨在通过为每个分配估计的不确定性值来提高机器学习模型的可解释性他们的预测输出。然而，由于过高的不确定性估计可以在实践中具有致命的后果，因此本文分析了上述技术。首先，我们表明GP方法始终会产生高不确定性估计（OOD）数据。其次，我们在2D玩具示例中显示了BNN和MCDRopout在OOD样品上没有提供高不确定性估计。最后，我们凭经验展示了这种BNNS和MCDRopout的陷阱也在现实世界数据集中持有。我们的见解（i）提高了对深度学习中目前流行的UE方法更加谨慎使用的认识，（ii）鼓励开发UE方法，这些方法近似于基于GP的方法 - 而不是BNN和MCDROPOUT，以及我们的经验设置可用于验证任何其他UE方法的ood性能。源代码在https://github.com/epfml/unctemationsiapity-娱乐中获得。

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。

贝叶斯神经网络和深度集合代表了深入学习中不确定性量化的两种现代范式。然而，这些方法主要因内存低效率问题而争取，因为它们需要比其确定性对应物高出几倍的参数储存。为了解决这个问题，我们使用少量诱导重量增强每层的重量矩阵，从而将不确定性定量突出到这种低尺寸空间中。我们进一步扩展了Matheron的有条件高斯采样规则，以实现快速的重量采样，这使得我们的推理方法能够与合并相比保持合理的运行时间。重要的是，我们的方法在具有完全连接的神经网络和RESNET的预测和不确定性估算任务中实现了竞争性能，同时将参数大小减少到$单辆$ \ LEQ 24.3 \％$的参数大小神经网络。

贝叶斯范式有可能解决深度神经网络的核心问题，如校准和数据效率低差。唉，缩放贝叶斯推理到大量的空间通常需要限制近似。在这项工作中，我们表明它足以通过模型权重的小子集进行推动，以便获得准确的预测后断。另一个权重被保存为点估计。该子网推断框架使我们能够在这些子集上使用表现力，否则难以相容的后近近似。特别是，我们将子网线性化LAPLACE作为一种简单，可扩展的贝叶斯深度学习方法：我们首先使用线性化的拉普拉斯近似来获得所有重量的地图估计，然后在子网上推断出全协方差高斯后面。我们提出了一个子网选择策略，旨在最大限度地保护模型的预测性不确定性。经验上，我们的方法对整个网络的集合和较少的表达后近似进行了比较。

We propose SWA-Gaussian (SWAG), a simple, scalable, and general purpose approach for uncertainty representation and calibration in deep learning. Stochastic Weight Averaging (SWA), which computes the first moment of stochastic gradient descent (SGD) iterates with a modified learning rate schedule, has recently been shown to improve generalization in deep learning. With SWAG, we fit a Gaussian using the SWA solution as the first moment and a low rank plus diagonal covariance also derived from the SGD iterates, forming an approximate posterior distribution over neural network weights; we then sample from this Gaussian distribution to perform Bayesian model averaging. We empirically find that SWAG approximates the shape of the true posterior, in accordance with results describing the stationary distribution of SGD iterates. Moreover, we demonstrate that SWAG performs well on a wide variety of tasks, including out of sample detection, calibration, and transfer learning, in comparison to many popular alternatives including MC dropout, KFAC Laplace, SGLD, and temperature scaling.

The ability to estimate epistemic uncertainty is often crucial when deploying machine learning in the real world, but modern methods often produce overconfident, uncalibrated uncertainty predictions. A common approach to quantify epistemic uncertainty, usable across a wide class of prediction models, is to train a model ensemble. In a naive implementation, the ensemble approach has high computational cost and high memory demand. This challenges in particular modern deep learning, where even a single deep network is already demanding in terms of compute and memory, and has given rise to a number of attempts to emulate the model ensemble without actually instantiating separate ensemble members. We introduce FiLM-Ensemble, a deep, implicit ensemble method based on the concept of Feature-wise Linear Modulation (FiLM). That technique was originally developed for multi-task learning, with the aim of decoupling different tasks. We show that the idea can be extended to uncertainty quantification: by modulating the network activations of a single deep network with FiLM, one obtains a model ensemble with high diversity, and consequently well-calibrated estimates of epistemic uncertainty, with low computational overhead in comparison. Empirically, FiLM-Ensemble outperforms other implicit ensemble methods, and it and comes very close to the upper bound of an explicit ensemble of networks (sometimes even beating it), at a fraction of the memory cost.

神经线性模型（NLM）是深度贝叶斯模型，通过从数据中学习特征，然后对这些特征进行贝叶斯线性回归来产生预测的不确定性。尽管他们受欢迎，但很少有作品专注于有条理地评估这些模型的预测性不确定性。在这项工作中，我们证明了NLMS的传统培训程序急剧低估了分发输入的不确定性，因此它们不能在风险敏感的应用中暂时部署。我们确定了这种行为的基本原因，并提出了一种新的培训框架，捕获下游任务的有用预测不确定性。

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

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.

There are two major types of uncertainty one can model. Aleatoric uncertainty captures noise inherent in the observations. On the other hand, epistemic uncertainty accounts for uncertainty in the model -uncertainty which can be explained away given enough data. Traditionally it has been difficult to model epistemic uncertainty in computer vision, but with new Bayesian deep learning tools this is now possible. We study the benefits of modeling epistemic vs. aleatoric uncertainty in Bayesian deep learning models for vision tasks. For this we present a Bayesian deep learning framework combining input-dependent aleatoric uncertainty together with epistemic uncertainty. We study models under the framework with per-pixel semantic segmentation and depth regression tasks. Further, our explicit uncertainty formulation leads to new loss functions for these tasks, which can be interpreted as learned attenuation. This makes the loss more robust to noisy data, also giving new state-of-the-art results on segmentation and depth regression benchmarks.

我们有兴趣估计深神经网络的不确定性，这些神经网络在许多科学和工程问题中起着重要作用。在本文中，我们提出了一个引人注目的新发现，即具有相同权重初始化的神经网络的合奏，在数据集中受到持续偏差的转移而训练会产生稍微不一致的训练模型，其中预测的差异是强大的指标。认知不确定性。使用神经切线核（NTK），我们证明了这种现象是由于NTK不变的部分而发生的。由于这是通过微不足道的输入转换来实现的，因此我们表明可以使用单个神经网络（使用我们称为$ \ delta- $ uq的技术）来近似它，从而通过边缘化效果来估计预测周围的不确定性偏见。我们表明，$ \ delta- $ uq的不确定性估计值优于各种基准测试的当前方法 - 异常拒绝，分配变化下的校准以及黑匣子功能的顺序设计优化。

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。

虽然神经网络是强大的功能近似器，但底层建模假设最终定义了它们是参数化的假设类。在分类中，随着常用的SoftMax能够代表任何分类分布，这些假设很小。然而，在回归中，通常放置了要实现的连续分布类型的限制假设，如通过平均平均误差及其潜在的高斯度假的训练的主导选择。最近，建模前进允许对要建模的连续分布的类型无关，授予回归分类模型的灵活性。虽然过去的研究在表现方面强调了这种灵活的回归模型的益处，但在这里我们研究了模型选择对不确定性估计的影响。我们强调，根据模型拼写，炼狱不确定性没有妥善捕获，并且贝叶斯治疗错过的模型导致不可靠的认知不确定性估计。总体而言，我们的研究概述了回归中的建模选择如何影响不确定性估计，从而概述任何下游决策过程。