照明黑盒神经网络的一个主要方法是特征归因，即识别网络预测的输入特征的重要性。最近提出了特征的预测信息作为衡量其重要性的代理。到目前为止，仅通过在网络内放置信息瓶颈来识别预测信息。我们提出了一种方法来识别输入域中的预测信息的特征。该方法导致对输入特征的信息的细粒度识别，并且对网络架构不可知。我们的方法的核心思想是利用输入的瓶颈，只能让输入与预测潜在功能相关的输入功能通过。我们使用主流特征归因评估实验比较了多个特征归因方法的方法。该代码可公开可用。

该属性方法通过识别和可视化占据网络输出的输入区域/像素来提供用于以可视化方式解释不透明神经网络的方向。关于视觉上解释视频理解网络的归因方法，由于视频输入中存在的独特的时空依赖性以及视频理解网络的特殊3D卷积或经常性结构，它具有具有挑战性。然而，大多数现有的归因方法专注于解释拍摄单个图像的网络作为输入，并且少量设计用于视频归属的作品来处理视频理解网络的多样化结构。在本文中，我们调查了与多样化视频理解网络兼容的基于通用扰动的归因方法。此外，我们提出了一种新的正则化术语来增强方法，通过限制其归属的平滑度导致空间和时间维度。为了评估不同视频归因方法的有效性而不依赖于手动判断，我们引入了通过新提出的可靠性测量检查的可靠的客观度量。我们通过主观和客观评估和与多种重要归因方法进行比较验证了我们的方法的有效性。

我们描述了一种新颖的归因方法，它基于敏感性分析并使用Sobol指数。除了模拟图像区域的个人贡献之外，索尔索尔指标提供了一种有效的方法来通过方差镜头捕获图像区域与其对神经网络的预测的贡献之间的高阶相互作用。我们描述了一种通过使用扰动掩模与有效估计器耦合的扰动掩模来计算用于高维问题的这些指标的方法，以处理图像的高维度。重要的是，我们表明，与其他黑盒方法相比，该方法对视觉（和语言模型）的标准基准测试的标准基准有利地导致了有利的分数 - 甚至超过最先进的白色的准确性 - 需要访问内部表示的箱方法。我们的代码是免费的：https://github.com/fel-thomas/sobol-attribution-method

越来越多的电子健康记录（EHR）数据和深度学习技术进步的越来越多的可用性（DL）已经引发了在开发基于DL的诊断，预后和治疗的DL临床决策支持系统中的研究兴趣激增。尽管承认医疗保健的深度学习的价值，但由于DL的黑匣子性质，实际医疗环境中进一步采用的障碍障碍仍然存在。因此，有一个可解释的DL的新兴需求，它允许最终用户评估模型决策，以便在采用行动之前知道是否接受或拒绝预测和建议。在这篇综述中，我们专注于DL模型在医疗保健中的可解释性。我们首先引入深入解释性的方法，并作为该领域的未来研究人员或临床从业者的方法参考。除了这些方法的细节之外，我们还包括对这些方法的优缺点以及它们中的每个场景都适合的讨论，因此感兴趣的读者可以知道如何比较和选择它们供使用。此外，我们讨论了这些方法，最初用于解决一般域问题，已经适应并应用于医疗保健问题以及如何帮助医生更好地理解这些数据驱动技术。总的来说，我们希望这项调查可以帮助研究人员和从业者在人工智能（AI）和临床领域了解我们为提高其DL模型的可解释性并相应地选择最佳方法。

Explainable AI transforms opaque decision strategies of ML models into explanations that are interpretable by the user, for example, identifying the contribution of each input feature to the prediction at hand. Such explanations, however, entangle the potentially multiple factors that enter into the overall complex decision strategy. We propose to disentangle explanations by finding relevant subspaces in activation space that can be mapped to more abstract human-understandable concepts and enable a joint attribution on concepts and input features. To automatically extract the desired representation, we propose new subspace analysis formulations that extend the principle of PCA and subspace analysis to explanations. These novel analyses, which we call principal relevant component analysis (PRCA) and disentangled relevant subspace analysis (DRSA), optimize relevance of projected activations rather than the more traditional variance or kurtosis. This enables a much stronger focus on subspaces that are truly relevant for the prediction and the explanation, in particular, ignoring activations or concepts to which the prediction model is invariant. Our approach is general enough to work alongside common attribution techniques such as Shapley Value, Integrated Gradients, or LRP. Our proposed methods show to be practically useful and compare favorably to the state of the art as demonstrated on benchmarks and three use cases.

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。

Saliency methods compute heat maps that highlight portions of an input that were most {\em important} for the label assigned to it by a deep net. Evaluations of saliency methods convert this heat map into a new {\em masked input} by retaining the $k$ highest-ranked pixels of the original input and replacing the rest with \textquotedblleft uninformative\textquotedblright\ pixels, and checking if the net's output is mostly unchanged. This is usually seen as an {\em explanation} of the output, but the current paper highlights reasons why this inference of causality may be suspect. Inspired by logic concepts of {\em completeness \& soundness}, it observes that the above type of evaluation focuses on completeness of the explanation, but ignores soundness. New evaluation metrics are introduced to capture both notions, while staying in an {\em intrinsic} framework -- i.e., using the dataset and the net, but no separately trained nets, human evaluations, etc. A simple saliency method is described that matches or outperforms prior methods in the evaluations. Experiments also suggest new intrinsic justifications, based on soundness, for popular heuristic tricks such as TV regularization and upsampling.

当代预测模型很难解释，因为他们的深网利用了输入要素之间的许多复杂关系。这项工作通过测量相关特征对网络相对于输入的功能熵的贡献，提出了模型可解释性的理论框架。我们依赖于对数 - 索波列夫的不等式，该不平等是通过功能性渔民信息与数据的协方差界定功能熵的。这提供了一种衡量特征子集对决策功能的信息贡献的原则方法。通过广泛的实验，我们表明我们的方法超过了基于图像，文本和音频等各种数据信号的现有基于基于可解释性抽样的方法。

本文提出了一种基于Hilbert-Schmidt独立标准（HSIC）的新有效的黑盒归因方法，这是一种基于再现核Hilbert Spaces（RKHS）的依赖度量。 HSIC测量了基于分布的内核的输入图像区域之间的依赖性和模型的输出。因此，它提供了由RKHS表示功能丰富的解释。可以非常有效地估计HSIC，与其他黑盒归因方法相比，大大降低了计算成本。我们的实验表明，HSIC的速度比以前的最佳黑盒归因方法快8倍，同时忠实。确实，我们改进或匹配了黑盒和白框归因方法的最新方法，用于具有各种最近的模型体系结构的Imagenet上的几个保真度指标。重要的是，我们表明这些进步可以被转化为有效而忠实地解释诸如Yolov4之类的对象检测模型。最后，我们通过提出一种新的内核来扩展传统的归因方法，从而实现基于HSIC的重要性分数的正交分解，从而使我们不仅可以评估每个图像贴片的重要性，还可以评估其成对相互作用的重要性。

众所周知，端到端的神经NLP体系结构很难理解，这引起了近年来为解释性建模的许多努力。模型解释的基本原则是忠诚，即，解释应准确地代表模型预测背后的推理过程。这项调查首先讨论了忠诚的定义和评估及其对解释性的意义。然后，我们通过将方法分为五类来介绍忠实解释的最新进展：相似性方法，模型内部结构的分析，基于反向传播的方法，反事实干预和自我解释模型。每个类别将通过其代表性研究，优势和缺点来说明。最后，我们从它们的共同美德和局限性方面讨论了上述所有方法，并反思未来的工作方向忠实的解释性。对于有兴趣研究可解释性的研究人员，这项调查将为该领域提供可访问且全面的概述，为进一步探索提供基础。对于希望更好地了解自己的模型的用户，该调查将是一项介绍性手册，帮助选择最合适的解释方法。

变形金刚已成为计算机视觉中的默认架构，但是了解驱动其预测的原因仍然是一个具有挑战性的问题。当前的解释方法依赖于注意值或输入梯度，但是这些方法对模型的依赖性有限。Shapley值在理论上提供了一种替代方案，但是它们的计算成本使它们对于大型高维模型不切实际。在这项工作中，我们旨在使Shapley价值观对视觉变压器（VIT）实用。为此，我们首先利用一种注意力掩盖方法来评估VIT的部分信息，然后我们开发了一种通过单独的，学习的解释器模型来生成Shapley价值解释的程序。我们的实验将沙普利值与许多基线方法（例如，注意推出，Gradcam，LRP）进行了比较，我们发现我们的方法提供了比任何现有的VIT方法更准确的解释。

随着现代复杂的神经网络不断破坏记录并解决更严重的问题，它们的预测也变得越来越少。目前缺乏解释性通常会破坏敏感设置中精确的机器学习工具的部署。在这项工作中，我们提出了一种基于Shapley系数的层次扩展的图像分类的模型 - 不足的解释方法 - 层次结构（H-SHAP）（H-SHAP） - 解决了当前方法的某些局限性。与其他基于沙普利的解释方法不同，H-shap是可扩展的，并且可以计算而无需近似。在某些分布假设下，例如在多个实例学习中常见的假设，H-shap检索了确切的Shapley系数，并具有指数改善的计算复杂性。我们将我们的分层方法与基于Shapley的流行基于Shapley和基于Shapley的方法进行比较，而基于Shapley的方法，医学成像方案以及一般的计算机视觉问题，表明H-Shap在准确性和运行时都超过了最先进的状态。代码和实验已公开可用。

缺失或缺乏输入功能，是许多模型调试工具的基础概念。但是，在计算机视觉中，不能简单地从图像中删除像素。因此，一种倾向于诉诸启发式方法，例如涂黑像素，这反过来又可能引入调试过程中的偏见。我们研究了这样的偏见，特别是展示了基于变压器的架构如何使遗失性更自然地实施，哪些侧架来侧翼这些问题并提高了实践中模型调试的可靠性。我们的代码可从https://github.com/madrylab/missingness获得

Explainability has been widely stated as a cornerstone of the responsible and trustworthy use of machine learning models. With the ubiquitous use of Deep Neural Network (DNN) models expanding to risk-sensitive and safety-critical domains, many methods have been proposed to explain the decisions of these models. Recent years have also seen concerted efforts that have shown how such explanations can be distorted (attacked) by minor input perturbations. While there have been many surveys that review explainability methods themselves, there has been no effort hitherto to assimilate the different methods and metrics proposed to study the robustness of explanations of DNN models. In this work, we present a comprehensive survey of methods that study, understand, attack, and defend explanations of DNN models. We also present a detailed review of different metrics used to evaluate explanation methods, as well as describe attributional attack and defense methods. We conclude with lessons and take-aways for the community towards ensuring robust explanations of DNN model predictions.

了解神经网络的决策过程很难。解释的一种重要方法是将其决定归因于关键特征。尽管提出了许多算法，但其中大多数仅改善了模型的忠诚。但是，真实的环境包含许多随机噪声，这可能会导致解释中的波动。更严重的是，最近的作品表明，解释算法容易受到对抗性攻击的影响。所有这些使解释很难在实际情况下信任。为了弥合这一差距，我们提出了一种模型 - 不稳定方法\ emph {特征归因}（METFA）的中位数测试，以量化不确定性并提高使用理论保证的解释算法的稳定性。 METFA具有以下两个函数：（1）检查一个特征是显着重要还是不重要，并生成METFA相关的映射以可视化结果； （2）计算特征归因评分的置信区间，并生成一个平滑的图表以提高解释的稳定性。实验表明，METFA提高了解释的视觉质量，并在保持忠诚的同时大大减少了不稳定。为了定量评估不同噪音设置下解释的忠诚，我们进一步提出了几个强大的忠诚指标。实验结果表明，METFA平滑的解释可以显着提高稳健的忠诚。此外，我们使用两种方案来显示METFA在应用程序中的潜力。首先，当应用于SOTA解释方法来定位语义分割模型的上下文偏见时，METFA很重要的解释使用较小的区域来维持99 \％+忠实。其次，当通过不同的以解释为导向的攻击进行测试时，METFA可以帮助捍卫香草，以及自适应的对抗性攻击，以防止解释。

对于使用高性能机器学习算法通常不透明的决策，人们越来越担心。用特定于领域的术语对推理过程的解释对于在医疗保健等风险敏感领域中采用至关重要。我们认为，机器学习算法应该可以通过设计来解释，并且表达这些解释的语言应与域和任务有关。因此，我们将模型的预测基于数据的用户定义和特定于任务的二进制函数，每个都对最终用户有明确的解释。然后，我们最大程度地减少了在任何给定输入上准确预测所需的预期查询数。由于解决方案通常是棘手的，因此在事先工作之后，我们根据信息增益顺序选择查询。但是，与以前的工作相反，我们不必假设查询在有条件地独立。取而代之的是，我们利用随机生成模型（VAE）和MCMC算法（未经调整的Langevin）来选择基于先前的查询 - 答案的输入的最有用的查询。这使得在线确定要解决预测歧义所需的任何深度的查询链。最后，关于视觉和NLP任务的实验证明了我们的方法的功效及其优越性比事后解释的优势。

可解释的人工智能（XAI）的新兴领域旨在为当今强大但不透明的深度学习模型带来透明度。尽管本地XAI方法以归因图的形式解释了个体预测，从而确定了重要特征的发生位置（但没有提供有关其代表的信息），但全局解释技术可视化模型通常学会的编码的概念。因此，两种方法仅提供部分见解，并留下将模型推理解释的负担。只有少数当代技术旨在将本地和全球XAI背后的原则结合起来，以获取更多信息的解释。但是，这些方法通常仅限于特定的模型体系结构，或对培训制度或数据和标签可用性施加其他要求，这实际上使事后应用程序成为任意预训练的模型。在这项工作中，我们介绍了概念相关性传播方法（CRP）方法，该方法结合了XAI的本地和全球观点，因此允许回答“何处”和“ where”和“什么”问题，而没有其他约束。我们进一步介绍了相关性最大化的原则，以根据模型对模型的有用性找到代表性的示例。因此，我们提高了对激活最大化及其局限性的共同实践的依赖。我们证明了我们方法在各种环境中的能力，展示了概念相关性传播和相关性最大化导致了更加可解释的解释，并通过概念图表，概念组成分析和概念集合和概念子区和概念子区和概念子集和定量研究对模型的表示和推理提供了深刻的见解。它们在细粒度决策中的作用。

研究人员提出了多种模型解释方法，但目前尚不清楚大多数方法如何相关或何时一种方法比另一种方法更可取。我们研究了文献，发现许多方法都是基于通过删除来解释的共同原理 - 本质上是测量从模型中删除一组特征的影响。这些方法在几个方面有所不同，因此我们为基于删除的解释开发了一个沿三个维度表征每个方法的框架：1）该方法如何删除特征，2）该方法解释的模型行为以及3）方法如何汇总每个方法功能的影响。我们的框架统一了26种现有方法，其中包括几种最广泛使用的方法（Shap，Lime，有意义的扰动，排列测试）。揭露这些方法之间的基本相似性使用户能够推荐使用哪种工具，并为正在进行的模型解释性研究提出了有希望的方向。

As the societal impact of Deep Neural Networks (DNNs) grows, the goals for advancing DNNs become more complex and diverse, ranging from improving a conventional model accuracy metric to infusing advanced human virtues such as fairness, accountability, transparency (FaccT), and unbiasedness. Recently, techniques in Explainable Artificial Intelligence (XAI) are attracting considerable attention, and have tremendously helped Machine Learning (ML) engineers in understanding AI models. However, at the same time, we started to witness the emerging need beyond XAI among AI communities; based on the insights learned from XAI, how can we better empower ML engineers in steering their DNNs so that the model's reasonableness and performance can be improved as intended? This article provides a timely and extensive literature overview of the field Explanation-Guided Learning (EGL), a domain of techniques that steer the DNNs' reasoning process by adding regularization, supervision, or intervention on model explanations. In doing so, we first provide a formal definition of EGL and its general learning paradigm. Secondly, an overview of the key factors for EGL evaluation, as well as summarization and categorization of existing evaluation procedures and metrics for EGL are provided. Finally, the current and potential future application areas and directions of EGL are discussed, and an extensive experimental study is presented aiming at providing comprehensive comparative studies among existing EGL models in various popular application domains, such as Computer Vision (CV) and Natural Language Processing (NLP) domains.

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。