The interpretation of deep learning models is a challenge due to their size, complexity, and often opaque internal state. In addition, many systems, such as image classifiers, operate on low-level features rather than high-level concepts. To address these challenges, we introduce Concept Activation Vectors (CAVs), which provide an interpretation of a neural net's internal state in terms of human-friendly concepts. The key idea is to view the high-dimensional internal state of a neural net as an aid, not an obstacle. We show how to use CAVs as part of a technique, Testing with CAVs (TCAV), that uses directional derivatives to quantify the degree to which a user-defined concept is important to a classification result-for example, how sensitive a prediction of zebra is to the presence of stripes. Using the domain of image classification as a testing ground, we describe how CAVs may be used to explore hypotheses and generate insights for a standard image classification network as well as a medical application.

在许多情况下，基于一些高级概念来解释人为的决定。在这项工作中，我们通过检查其内部代表或神经元对概念的激活来迈出神经网络的可解释性。一个概念的特征在于一组具有共同特征的样本。我们提出了一个框架来检查概念（或其否定）和任务类之间存在因果关系的存在。虽然以前的方法专注于概念对任务类的重要性，但我们进一步进一步介绍了四项措施来定量地确定因果关系的顺序。此外，我们提出了一种以基于概念的决策树的形式构建一种概念的层次结构，其可以阐明各种概念如何在神经网络内交互朝向预测输出类。通过实验，我们展示了提出方法在解释神经网络的概念与预测行为之间的因果关系中的有效性以及通过构建概念层次结构来确定不同概念之间的相互作用。

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。

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。

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。

理解和解释训练有素的模型对许多机器学习目标至关重要，例如改善鲁棒性，解决概念漂移和减轻偏见。但是，这通常是一个临时过程，涉及手动查看许多测试样本上的模型的错误，并猜测这些错误的预测的根本原因。在本文中，我们提出了一种系统的方法，概念性的反事实解释（CCE），解释了为什么分类器在人类理解的概念方面在特定的测试样本上犯了一个错误（例如，此斑马被错误地分类为狗，因为因为是因为是因为是狗的。微弱的条纹）。我们基于两个先前的想法：反事实解释和概念激活向量，并在众所周知的预读模型上验证我们的方法，表明它有意义地解释了模型的错误。此外，对于接受具有虚假相关性数据的数据训练的新模型，CCE准确地将虚假相关性确定为单个错误分类测试样本中模型错误的原因。在两个具有挑战性的医学应用程序中，CCE产生了有用的见解，并由临床医生确认，涉及该模型在现实世界中犯的偏见和错误。

我们提出了CX-TOM，简短于与理论的理论，一种新的可解释的AI（XAI）框架，用于解释深度卷积神经网络（CNN）制定的决定。与生成解释的XAI中的当前方法形成对比，我们将说明作为迭代通信过程，即对话框，机器和人类用户之间。更具体地说，我们的CX-TOM框架通过调解机器和人类用户的思想之间的差异，在对话中生成解释顺序。为此，我们使用思想理论（汤姆），帮助我们明确地建模人类的意图，通过人类的推断，通过机器推断出人类的思想。此外，大多数最先进的XAI框架提供了基于注意的（或热图）的解释。在我们的工作中，我们表明，这些注意力的解释不足以增加人类信任在潜在的CNN模型中。在CX-TOM中，我们使用命名为您定义的故障行的反事实解释：给定CNN分类模型M预测C_PRED的CNN分类模型M的输入图像I，错误线识别最小的语义级别特征（例如，斑马上的条纹，狗的耳朵），称为可解释的概念，需要从I添加或删除，以便将m的分类类别改变为另一个指定的c_alt。我们认为，由于CX-TOM解释的迭代，概念和反事本质，我们的框架对于专家和非专家用户来说是实用的，更加自然，以了解复杂的深度学习模式的内部运作。广泛的定量和定性实验验证了我们的假设，展示了我们的CX-TOM显着优于最先进的可解释的AI模型。

人工智能被出现为众多临床应用诊断和治疗决策的有用援助。由于可用数据和计算能力的快速增加，深度神经网络的性能与许多任务中的临床医生相同或更好。为了符合信任AI的原则，AI系统至关重要的是透明，强大，公平和确保责任。由于对决策过程的具体细节缺乏了解，目前的深神经系统被称为黑匣子。因此，需要确保在常规临床工作流中纳入常规神经网络之前的深度神经网络的可解释性。在这一叙述审查中，我们利用系统的关键字搜索和域专业知识来确定已经基于所产生的解释和技术相似性的类型的医学图像分析应用的深度学习模型来确定九种不同类型的可解释方法。此外，我们报告了评估各种可解释方法产生的解释的进展。最后，我们讨论了局限性，提供了利用可解释性方法和未来方向的指导，了解医学成像分析深度神经网络的解释性。

模型解释性的方法对于测试深度学习的公平性和健全性变得越来越重要。基于概念的可解释性技术使用了一系列人类解剖概念典范，以衡量概念对模型的内部输入表示的影响，这是这一研究中的重要线索。在这项工作中，我们表明，这些解释性方法可能会遭受对抗攻击的脆弱性，与他们要分析的模型相同。我们在两种著名的基于概念的可解释性方法上证明了这种现象：TCAV和刻面特征可视化。我们表明，通过仔细扰动正在研究的概念的示例，我们可以从根本上更改可解释性方法的输出。我们提出的攻击可以诱导积极的解释（对斑马进行分类时，圆点是模型的重要概念）或负面解释（条纹不是识别斑马图像的重要因素）。我们的工作强调了这样一个事实，即在安全至关重要的应用中，不仅需要机器学习管道，而且需要模型解释过程。

随着深度神经网络的兴起，解释这些网络预测的挑战已经越来越识别。虽然存在许多用于解释深度神经网络的决策的方法，但目前没有关于如何评估它们的共识。另一方面，鲁棒性是深度学习研究的热门话题;但是，在最近，几乎没有谈论解释性。在本教程中，我们首先呈现基于梯度的可解释性方法。这些技术使用梯度信号来分配对输入特征的决定的负担。后来，我们讨论如何为其鲁棒性和对抗性的鲁棒性在具有有意义的解释中扮演的作用来评估基于梯度的方法。我们还讨论了基于梯度的方法的局限性。最后，我们提出了在选择解释性方法之前应检查的最佳实践和属性。我们结束了未来在稳健性和解释性融合的地区研究的研究。

We investigate whether three types of post hoc model explanations--feature attribution, concept activation, and training point ranking--are effective for detecting a model's reliance on spurious signals in the training data. Specifically, we consider the scenario where the spurious signal to be detected is unknown, at test-time, to the user of the explanation method. We design an empirical methodology that uses semi-synthetic datasets along with pre-specified spurious artifacts to obtain models that verifiably rely on these spurious training signals. We then provide a suite of metrics that assess an explanation method's reliability for spurious signal detection under various conditions. We find that the post hoc explanation methods tested are ineffective when the spurious artifact is unknown at test-time especially for non-visible artifacts like a background blur. Further, we find that feature attribution methods are susceptible to erroneously indicating dependence on spurious signals even when the model being explained does not rely on spurious artifacts. This finding casts doubt on the utility of these approaches, in the hands of a practitioner, for detecting a model's reliance on spurious signals.

这项调查回顾了对基于视觉的自动驾驶系统进行行为克隆训练的解释性方法。解释性的概念具有多个方面，并且需要解释性的驾驶强度是一种安全至关重要的应用。从几个研究领域收集贡献，即计算机视觉，深度学习，自动驾驶，可解释的AI（X-AI），这项调查可以解决几点。首先，它讨论了从自动驾驶系统中获得更多可解释性和解释性的定义，上下文和动机，以及该应用程序特定的挑战。其次，以事后方式为黑盒自动驾驶系统提供解释的方法是全面组织和详细的。第三，详细介绍和讨论了旨在通过设计构建更容易解释的自动驾驶系统的方法。最后，确定并检查了剩余的开放挑战和潜在的未来研究方向。

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.

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。

当前的解释应用于音乐数据的深度学习系统的方法可在低级功能空间中，例如，通过突出钢琴卷中的频谱图或时机垃圾箱中的潜在相关时间频率箱。这可能很难理解，尤其是对于没有技术知识的音乐学家而言。为了解决这个问题，我们专注于基于高级音乐概念的更具人为友好的解释。我们的研究针对经过训练的系统（事后解释）并探讨了两种方法：一种受监督的方法，用户可以定义音乐概念并测试它是否与系统相关；以及无监督的内容，其中包含相关概念的音乐摘录将自动选择并给予用户进行解释。我们在现有的符号作曲家分类系统上展示了这两种技术，展示其潜力并突出其内在局限性。

机器学习（ml）越来越多地用于通知高赌注决策。作为复杂的ML模型（例如，深神经网络）通常被认为是黑匣子，已经开发了丰富的程序，以阐明其内在的工作和他们预测来的方式，定义“可解释的AI”（ xai）。显着性方法根据“重要性”的某种尺寸等级等级。由于特征重要性的正式定义是缺乏的，因此难以验证这些方法。已经证明，一些显着性方法可以突出显示与预测目标（抑制变量）没有统计关联的特征。为了避免由于这种行为而误解，我们提出了这种关联的实际存在作为特征重要性的必要条件和客观初步定义。我们仔细制作了一个地面真实的数据集，其中所有统计依赖性都是明确的和线性的，作为研究抑制变量问题的基准。我们评估了关于我们的客观定义的常见解释方法，包括LRP，DTD，Patternet，图案化，石灰，锚，Shap和基于置换的方法。我们表明，大多数这些方法无法区分此设置中的抑制器的重要功能。

破译神经网络内部运作的关键是了解模型学到了什么。发现学习特征的有前途的方法基于分析激活值，当前技术重点是分析高激活值，以在神经元水平上揭示有趣的特征。但是，分析高激活值限制了图层级概念发现。我们提出了一种方法，该方法将考虑整个激活分布。通过在神经网络层的高维活化空间内提取相似的激活曲线，我们发现了类似处理的输入组。这些输入组代表神经激活模式（午睡），可用于可视化和解释学习的层概念。我们释放一个框架，可以从预训练的模型中提取小睡，并提供可视觉内省工具，可用于分析午睡。我们通过各种网络测试了我们的方法，并展示了它如何补充现有的分析神经网络激活值的方法。

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.

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-

深度学习的显着成功引起了人们对医学成像诊断的应用的兴趣。尽管最新的深度学习模型在分类不同类型的医学数据方面已经达到了人类水平的准确性，但这些模型在临床工作流程中几乎不采用，这主要是由于缺乏解释性。深度学习模型的黑盒子性提出了制定策略来解释这些模型的决策过程的必要性，从而导致了可解释的人工智能（XAI）主题的创建。在这种情况下，我们对应用于医学成像诊断的XAI进行了详尽的调查，包括视觉，基于示例和基于概念的解释方法。此外，这项工作回顾了现有的医学成像数据集和现有的指标，以评估解释的质量。此外，我们还包括一组基于报告生成的方法的性能比较。最后，还讨论了将XAI应用于医学成像以及有关该主题的未来研究指示的主要挑战。