在本文中，我们在神经网络的决策过程中提倡两个阶段。首先是现有的进纸推理框架，其中感知给定数据中的模式并与先前学习的模式相关联。第二阶段是一个较慢的反射阶段，我们要求网络通过考虑和评估所有可用选择来反思其前馈决策。一起，我们将这两个阶段称为内省学习。我们使用训练有素的神经网络的梯度来测量这种反射。简单的三层多层感知器被用作基于所有提取梯度特征预测的第二阶段。我们感知地从两个阶段可视化事后解释，以提供内省的视觉接地。对于识别的应用，我们表明内省网络在推广到噪声数据时，内省网络的稳健性更高，容易校准错误的42％。我们还说明了内省网络在下游任务中的价值，这些任务需要普遍性和校准，包括主动学习，分布外检测和不确定性估计。最后，我们将提议的机器内省为人类内省，以应用图像质量评估。

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。

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。

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

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

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。

检测分销（OOD）输入是安全部署现实世界中的机器学习模型的中央挑战。以前的方法通常依赖于从过度分辨率的重量空间衍生的评分，同时在很大程度上忽略了稀疏的作用。在本文中，我们揭示了重要的见解，即依赖对不重要的权重和单位可以直接归因于“ood检测的脆性”。为了减轻这个问题，我们提出了一个基于稀疏的oo ood检测框架被称为骰子。我们的关键思想是基于贡献的衡量标准进行排序，并选择性地使用最突出的重量来导出OOD检测的输出。我们提供了实证和理论洞察力，表征和解释了骰子改善的机制。通过修剪嘈杂的信号，骰子可否降低OOD数据的输出方差，从而导致输出分布和更强的ID数据可分离。骰子表现出色，与先前的最佳方法相比，将FPR95减少至多24.69％。

Novelty detection, i.e., identifying whether a given sample is drawn from outside the training distribution, is essential for reliable machine learning. To this end, there have been many attempts at learning a representation well-suited for novelty detection and designing a score based on such representation. In this paper, we propose a simple, yet effective method named contrasting shifted instances (CSI), inspired by the recent success on contrastive learning of visual representations. Specifically, in addition to contrasting a given sample with other instances as in conventional contrastive learning methods, our training scheme contrasts the sample with distributionally-shifted augmentations of itself. Based on this, we propose a new detection score that is specific to the proposed training scheme. Our experiments demonstrate the superiority of our method under various novelty detection scenarios, including unlabeled one-class, unlabeled multi-class and labeled multi-class settings, with various image benchmark datasets. Code and pre-trained models are available at https://github.com/alinlab/CSI.

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.

开放式识别使深度神经网络（DNN）能够识别未知类别的样本，同时在已知类别的样本上保持高分类精度。基于自动编码器（AE）和原型学习的现有方法在处理这项具有挑战性的任务方面具有巨大的潜力。在这项研究中，我们提出了一种新的方法，称为类别特定的语义重建（CSSR），该方法整合了AE和原型学习的力量。具体而言，CSSR用特定于类的AE表示的歧管替代了原型点。与传统的基于原型的方法不同，CSSR在单个AE歧管上的每个已知类模型，并通过AE的重建误差来测量类归属感。特定于类的AE被插入DNN主链的顶部，并重建DNN而不是原始图像所学的语义表示。通过端到端的学习，DNN和AES互相促进，以学习歧视性和代表性信息。在多个数据集上进行的实验结果表明，所提出的方法在封闭式和开放式识别中都达到了出色的性能，并且非常简单且灵活地将其纳入现有框架中。

背景。通常，深度神经网络（DNN）概括了从类似于训练集的分布的样本概括。然而，当测试样本从不同的分布中抽出时，DNNS的预测是脆性和不可靠的。这是在现实世界应用中部署的主要关注点，这种行为可能以相当大的成本，例如工业生产线，自治车辆或医疗保健应用。贡献。我们将DNN中的分布（OOD）检测出来作为统计假设检测问题。在我们所提出的框架内产生的测试将证据组合来自整个网络。与以前的检测启发式不同，此框架返回每个测试样本的$ p $ -value。有保证维护I型错误（T1E - 错误地识别OOD样本为ID）进行测试数据。此外，这允许在保持T1E的同时组合多个检测器。在此框架上建立，我们建议一种基于低阶统计数据的新型程序。我们的方法在不接受的EOD基准上的最新方法实现了比较或更好的结果，而无需再培训网络参数或假设测试分配的现有知识 - 并且以计算成本的一小部分。

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。

常规监督学习或分类的主要假设是，测试样本是从与训练样本相同的分布中得出的，该样本称为封闭设置学习或分类。在许多实际情况下，事实并非如此，因为测试数据中有未知数或看不见的类样本，这称为“开放式”方案，需要检测到未知数。该问题称为开放式识别问题，在安全至关重要的应用中很重要。我们建议通过学习成对相似性来检测未知数（或看不见的类样本）。提出的方法分为两个步骤。它首先使用培训中出现的所见类学习了一个封闭的集体分类器，然后学习如何将看到的类与伪单人（自动生成的看不见的类样本）进行比较。伪无表情的一代是通过对可见或训练样品进行分配转换增加而进行的。我们称我们的方法OPG（基于伪看不见的数据生成开放式识别）。实验评估表明，基于相似性的功能可以成功区分基准数据集中的未见特征，以进行开放式识别。

随着神经网络分类器部署在现实世界应用中，它们可以可靠地检测到它们的故障至关重要。一个实际解决方案是为每个预测分配置信度分数，然后使用这些分数来过滤可能的错误分类。然而，现有的置信度量尚未充分可靠地对此作用。本文介绍了一种新的框架，可以产生用于检测错误分类错误的定量度量。此框架红色在基本分类器的顶部构建错误检测器，并估计使用高斯过程的检测分数的不确定性。在125 UCI数据集上具有其他错误检测方法的实验比较证明了这种方法是有效的。在两个概率基础分类器上进一步实现以及视觉任务中的两个大型深度学习架构进一步证实了该方法是坚固且可扩展的。第三，用分布外和对抗样本的红色的实证分析表明，该方法不仅可以检测错误，还可以使用，而且可以了解它们来自哪里。因此，红色可以使用未来更广泛地提高神经网络分类器的可信度。

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

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.

The choice of activation functions and their motivation is a long-standing issue within the neural network community. Neuronal representations within artificial neural networks are commonly understood as logits, representing the log-odds score of presence of features within the stimulus. We derive logit-space operators equivalent to probabilistic Boolean logic-gates AND, OR, and XNOR for independent probabilities. Such theories are important to formalize more complex dendritic operations in real neurons, and these operations can be used as activation functions within a neural network, introducing probabilistic Boolean-logic as the core operation of the neural network. Since these functions involve taking multiple exponents and logarithms, they are computationally expensive and not well suited to be directly used within neural networks. Consequently, we construct efficient approximations named $\text{AND}_\text{AIL}$ (the AND operator Approximate for Independent Logits), $\text{OR}_\text{AIL}$, and $\text{XNOR}_\text{AIL}$, which utilize only comparison and addition operations, have well-behaved gradients, and can be deployed as activation functions in neural networks. Like MaxOut, $\text{AND}_\text{AIL}$ and $\text{OR}_\text{AIL}$ are generalizations of ReLU to two-dimensions. While our primary aim is to formalize dendritic computations within a logit-space probabilistic-Boolean framework, we deploy these new activation functions, both in isolation and in conjunction to demonstrate their effectiveness on a variety of tasks including image classification, transfer learning, abstract reasoning, and compositional zero-shot learning.

机器学习模型的培训和部署之间的分离意味着，在培训期间，并非所有部署中遇到的场景都可以预期，因此仅依靠培训的进步都有其限制。分布（OOD）检测是一个重要领域，强调模型处理看不见情况的能力：模型知道何时不知道吗？现有的OOD检测方法要么引起额外的训练步骤，其他数据或对训练的网络进行非平凡的修改。相比之下，在这项工作中，我们提出了一种非常简单的事后，即时激活塑形方法，灰分，其中大部分（例如90％）的样本激活在后层中被删除，然后删除休息（例如10％）简化或轻微调整。该塑形在推理时间应用，不需要根据培训数据计算出的任何统计数据。实验表明，这种简单的治疗可以增强分布和分布样本的区别，从而允许在ImageNet上进行最新的OOD检测，并且不会显着恶化分布的准确性。我们与论文一起释放了两个呼吁解释和验证的呼吁，他们相信集体权力进一步验证和理解这一发现。可以在：https：//andrijazz.github.io/ash上找到电话，视频和代码

由于其实际重要性，在提高神经网络安全部署方面的实际重要性，最近经济分配（OOD）检测最近受到了很大的关注。其中一个主要挑战是模型往往会对OOD数据产生高度自信的预测，这在ood检测中破坏了驾驶原理，即该模型应该仅对分布式样品充满信心。在这项工作中，我们提出了反应 - 一种简单有效的技术，用于减少对数据数据的模型过度限制。我们的方法是通过关于神经网络内部激活的新型分析，其为OOD分布显示出高度独特的签名模式。我们的方法可以有效地拓展到不同的网络架构和不同的OOD检测分数。我们经验证明，反应在全面的基准数据集套件上实现了竞争检测性能，并为我们的方法进行了理论解释。与以前的最佳方法相比，在ImageNet基准测试中，反应将假阳性率（FPR95）降低25.05％。