用于计算机视觉任务的深度神经网络在越来越安全 - 严重和社会影响的应用中部署，激励需要在各种，天然存在的成像条件下关闭模型性能的差距。在包括对抗机器学习的多种上下文中尤为色难地使用的鲁棒性，然后指在自然诱导的图像损坏或改变下保持模型性能。我们进行系统审查，以识别，分析和总结当前定义以及对计算机愿景深度学习中的非对抗鲁棒性的进展。我们发现，该研究领域已经收到了相对于对抗机器学习的不成比例地注意力，但存在显着的稳健性差距，这些差距通常表现在性能下降中与对抗条件相似。为了在上下文中提供更透明的稳健性定义，我们引入了数据生成过程的结构因果模型，并将非对抗性鲁棒性解释为模型在损坏的图像上的行为，其对应于来自未纳入数据分布的低概率样本。然后，我们确定提高神经网络鲁棒性的关键架构，数据增强和优化策略。这种稳健性的这种因果观察表明，目前文献中的常见做法，关于鲁棒性策略和评估，对应于因果概念，例如软干预导致成像条件的决定性分布。通过我们的调查结果和分析，我们提供了对未来研究如何可能介意这种明显和显着的非对抗的鲁棒性差距的观点。

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。

We study how robust current ImageNet models are to distribution shifts arising from natural variations in datasets. Most research on robustness focuses on synthetic image perturbations (noise, simulated weather artifacts, adversarial examples, etc.), which leaves open how robustness on synthetic distribution shift relates to distribution shift arising in real data. Informed by an evaluation of 204 ImageNet models in 213 different test conditions, we find that there is often little to no transfer of robustness from current synthetic to natural distribution shift. Moreover, most current techniques provide no robustness to the natural distribution shifts in our testbed. The main exception is training on larger and more diverse datasets, which in multiple cases increases robustness, but is still far from closing the performance gaps. Our results indicate that distribution shifts arising in real data are currently an open research problem. We provide our testbed and data as a resource for future work at https://modestyachts.github.io/imagenet-testbed/.

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。

尽管对图像分类任务的表现令人印象深刻，但深网络仍然难以概括其数据的许多常见损坏。为解决此漏洞，事先作品主要专注于提高其培训管道的复杂性，以多样性的名义结合多种方法。然而，在这项工作中，我们逐步回来并遵循原则的方法来实现共同腐败的稳健性。我们提出了一个普遍的数据增强方案，包括最大熵图像变换的简单系列。我们展示了Prime优于现有技术的腐败鲁棒性，而其简单和即插即用性质使其能够与其他方法结合以进一步提升其稳健性。此外，我们分析了对综合腐败图像混合策略的重要性，并揭示了在共同腐败背景下产生的鲁棒性准确性权衡的重要性。最后，我们表明我们的方法的计算效率允许它在线和离线数据增强方案轻松使用。

机器学习目前对世界产生了巨大的影响，越来越多地影响机构实践并影响了社区。因此，至关重要的是，我们质疑该领域的模糊概念是价值中性或普遍有益的，并研究该领域正在发展的特定价值。在本文中，我们首先介绍了一种研究文档中编码的值的方法和注释方案，例如研究论文。采用该方案，我们分析了100个高度引用的机器学习论文，该论文在Premier机器学习会议，ICML和Neurips上发表。我们注释论文的关键特征，这些特征揭示了其价值观：他们选择项目的理由，这些项目的归因于他们提升的项目，对潜在的负面后果的考虑以及机构的隶属关系和资金来源。我们发现，很少有论文证明其项目如何与社会需求联系起来（15 \％），而讨论负潜力（1 \％）的讨论更少。通过逐行的内容分析，我们确定了59个在ML研究中得到提升的值，其中，我们发现论文最常根据绩效，概括，定量证据，效率，基于过去的绩效，定量证据，效率来证明和评估自己的合理性和评估工作和新颖。我们提供了广泛的文本证据，并在这些价值观的定义和操作中确定了关键主题。值得注意的是，我们发现系统的文本证据表明，这些最高价值是通过假设和含义来定义和应用的，通常支持权力的集中化。在本文中，我们发现这些高度引用的论文与科技公司和精英大学之间的关系越来越紧密。

超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实，即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中，我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道；确定最佳配置时，必须考虑其他指标或约束，从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现，因此通常在实践中被忽略。在这项工作中，我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识，并激励其在应用ML中的实用性。此外，我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性，考虑了诸如操作条件，预测时间，稀疏，公平，可解释性和鲁棒性之类的目标。

最近的自然语言处理（NLP）技术在基准数据集中实现了高性能，主要原因是由于深度学习性能的显着改善。研究界的进步导致了最先进的NLP任务的生产系统的巨大增强，例如虚拟助理，语音识别和情感分析。然而，随着对抗性攻击测试时，这种NLP系统仍然仍然失败。初始缺乏稳健性暴露于当前模型的语言理解能力中的令人不安的差距，当NLP系统部署在现实生活中时，会产生问题。在本文中，我们通过以各种维度的系统方式概述文献来展示了NLP稳健性研究的结构化概述。然后，我们深入了解稳健性的各种维度，跨技术，指标，嵌入和基准。最后，我们认为，鲁棒性应该是多维的，提供对当前研究的见解，确定文学中的差距，以建议值得追求这些差距的方向。

不变性于广泛的图像损坏，例如翘曲，噪声或颜色移位，是在计算机视觉中建立强大模型的一个重要方面。最近，已经提出了几种新的数据增强，从而显着提高了Imagenet-C的性能，这是这种腐败的基准。但是，对数据增强和测试时间损坏之间的关系仍然缺乏基本的理解。为此，我们开发了图像变换的一个特征空间，然后在增强和损坏之间使用该空间中的新措施，称为最小示例距离，以演示相似性和性能之间的强相关性。然后，当测试时间损坏被对来自Imagenet-C中的测试时间损坏被采样时，我们调查最近的数据增强并观察腐败鲁棒性的重大退化。我们的结果表明，通过对感知同类增强的培训来提高测试错误，数据增强可能不会超出现有的基准。我们希望我们的结果和工具将允许更强大的进展，以提高对图像损坏的稳健性。我们在https://github.com/facebookresearch/augmentation - 窗子提供代码。

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.

经过认证的稳健性保证衡量模型对测试时间攻击的稳健性，并且可以评估模型对现实世界中部署的准备情况。在这项工作中，我们批判性地研究了对基于随机平滑的认证方法的对抗鲁棒性如何在遇到配送外（OOD）数据的最先进的鲁棒模型时改变。我们的分析显示了这些模型的先前未知的漏洞，以低频OOD数据，例如与天气相关的损坏，使这些模型不适合在野外部署。为了缓解这个问题，我们提出了一种新的数据增强方案，Fourimix，产生增强以改善训练数据的光谱覆盖范围。此外，我们提出了一种新规范器，鼓励增强数据的噪声扰动的一致预测，以提高平滑模型的质量。我们发现Fouriermix增强有助于消除可认真强大的模型的频谱偏差，使其能够在一系列ood基准上实现明显更好的稳健性保证。我们的评估还在突出模型的光谱偏差时揭示了当前的OOD基准。为此，我们提出了一个全面的基准套件，其中包含来自光谱域中不同区域的损坏。对拟议套件上流行的增强方法培训的模型的评估突出了它们的光谱偏差，并建立了富硫克斯训练型模型在实现整个频谱上变化下的更好认证的鲁棒性担保的优势。

Machine learning models rely on various assumptions to attain high accuracy. One of the preliminary assumptions of these models is the independent and identical distribution, which suggests that the train and test data are sampled from the same distribution. However, this assumption seldom holds in the real world due to distribution shifts. As a result models that rely on this assumption exhibit poor generalization capabilities. Over the recent years, dedicated efforts have been made to improve the generalization capabilities of these models collectively known as -- \textit{domain generalization methods}. The primary idea behind these methods is to identify stable features or mechanisms that remain invariant across the different distributions. Many generalization approaches employ causal theories to describe invariance since causality and invariance are inextricably intertwined. However, current surveys deal with the causality-aware domain generalization methods on a very high-level. Furthermore, we argue that it is possible to categorize the methods based on how causality is leveraged in that method and in which part of the model pipeline is it used. To this end, we categorize the causal domain generalization methods into three categories, namely, (i) Invariance via Causal Data Augmentation methods which are applied during the data pre-processing stage, (ii) Invariance via Causal representation learning methods that are utilized during the representation learning stage, and (iii) Invariance via Transferring Causal mechanisms methods that are applied during the classification stage of the pipeline. Furthermore, this survey includes in-depth insights into benchmark datasets and code repositories for domain generalization methods. We conclude the survey with insights and discussions on future directions.

Deep learning has triggered the current rise of artificial intelligence and is the workhorse of today's machine intelligence. Numerous success stories have rapidly spread all over science, industry and society, but its limitations have only recently come into focus. In this perspective we seek to distil how many of deep learning's problem can be seen as different symptoms of the same underlying problem: shortcut learning. Shortcuts are decision rules that perform well on standard benchmarks but fail to transfer to more challenging testing conditions, such as real-world scenarios. Related issues are known in Comparative Psychology, Education and Linguistics, suggesting that shortcut learning may be a common characteristic of learning systems, biological and artificial alike. Based on these observations, we develop a set of recommendations for model interpretation and benchmarking, highlighting recent advances in machine learning to improve robustness and transferability from the lab to real-world applications. This is the preprint version of an article that has been published by Nature Machine Intelligence

近年来，计算机视觉社区中最受欢迎的技术之一就是深度学习技术。作为一种数据驱动的技术，深层模型需要大量准确标记的培训数据，这在许多现实世界中通常是无法访问的。数据空间解决方案是数据增强（DA），可以人为地从原始样本中生成新图像。图像增强策略可能因数据集而有所不同，因为不同的数据类型可能需要不同的增强以促进模型培训。但是，DA策略的设计主要由具有领域知识的人类专家决定，这被认为是高度主观和错误的。为了减轻此类问题，一个新颖的方向是使用自动数据增强（AUTODA）技术自动从给定数据集中学习图像增强策略。 Autoda模型的目的是找到可以最大化模型性能提高的最佳DA策略。这项调查从图像分类的角度讨论了Autoda技术出现的根本原因。我们确定标准自动赛车模型的三个关键组件：搜索空间，搜索算法和评估功能。根据他们的架构，我们提供了现有图像AUTODA方法的系统分类法。本文介绍了Autoda领域的主要作品，讨论了他们的利弊，并提出了一些潜在的方向以进行未来的改进。

In this paper we establish rigorous benchmarks for image classifier robustness. Our first benchmark, IMAGENET-C, standardizes and expands the corruption robustness topic, while showing which classifiers are preferable in safety-critical applications. Then we propose a new dataset called IMAGENET-P which enables researchers to benchmark a classifier's robustness to common perturbations. Unlike recent robustness research, this benchmark evaluates performance on common corruptions and perturbations not worst-case adversarial perturbations. We find that there are negligible changes in relative corruption robustness from AlexNet classifiers to ResNet classifiers. Afterward we discover ways to enhance corruption and perturbation robustness. We even find that a bypassed adversarial defense provides substantial common perturbation robustness. Together our benchmarks may aid future work toward networks that robustly generalize.

因果关系是理解世界的科学努力的基本组成部分。不幸的是，在心理学和社会科学中，因果关系仍然是禁忌。由于越来越多的建议采用因果方法进行研究的重要性，我们重新制定了心理学研究方法的典型方法，以使不可避免的因果理论与其余的研究渠道协调。我们提出了一个新的过程，该过程始于从因果发现和机器学习的融合中纳入技术的发展，验证和透明的理论形式规范。然后，我们提出将完全指定的理论模型的复杂性降低到与给定目标假设相关的基本子模型中的方法。从这里，我们确定利息量是否可以从数据中估算出来，如果是的，则建议使用半参数机器学习方法来估计因果关系。总体目标是介绍新的研究管道，该管道可以（a）促进与测试因果理论的愿望兼容的科学询问（b）鼓励我们的理论透明代表作为明确的数学对象，（c）将我们的统计模型绑定到我们的统计模型中该理论的特定属性，因此减少了理论到模型间隙通常引起的规范不足问题，以及（d）产生因果关系和可重复性的结果和估计。通过具有现实世界数据的教学示例来证明该过程，我们以摘要和讨论来结论。

一个令人着迷的假设是，人类和动物的智力可以通过一些原则（而不是启发式方法的百科全书清单）来解释。如果这个假设是正确的，我们可以更容易地理解自己的智能并建造智能机器。就像物理学一样，原理本身不足以预测大脑等复杂系统的行为，并且可能需要大量计算来模拟人类式的智力。这一假设将表明，研究人类和动物所剥削的归纳偏见可以帮助阐明这些原则，并为AI研究和神经科学理论提供灵感。深度学习已经利用了几种关键的归纳偏见，这项工作考虑了更大的清单，重点是关注高级和顺序有意识的处理的工作。阐明这些特定原则的目的是，它们有可能帮助我们建立从人类的能力中受益于灵活分布和系统概括的能力的AI系统，目前，这是一个领域艺术机器学习和人类智力。

State-of-the-art computer vision systems are trained to predict a fixed set of predetermined object categories. This restricted form of supervision limits their generality and usability since additional labeled data is needed to specify any other visual concept. Learning directly from raw text about images is a promising alternative which leverages a much broader source of supervision. We demonstrate that the simple pre-training task of predicting which caption goes with which image is an efficient and scalable way to learn SOTA image representations from scratch on a dataset of 400 million (image, text) pairs collected from the internet. After pre-training, natural language is used to reference learned visual concepts (or describe new ones) enabling zero-shot transfer of the model to downstream tasks. We study the performance of this approach by benchmarking on over 30 different existing computer vision datasets, spanning tasks such as OCR, action recognition in videos, geo-localization, and many types of fine-grained object classification. The model transfers non-trivially to most tasks and is often competitive with a fully supervised baseline without the need for any dataset specific training. For instance, we match the accuracy of the original ResNet-50 on ImageNet zero-shot without needing to use any of the 1.28 million training examples it was trained on. We release our code and pre-trained model weights at https://github.com/OpenAI/CLIP.

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。

现代神经网络Excel在图像分类中，但它们仍然容易受到常见图像损坏，如模糊，斑点噪音或雾。最近的方法关注这个问题，例如Augmix和Deepaulment，引入了在预期运行的防御，以期望图像损坏分布。相比之下，$ \ ell_p $ -norm界限扰动的文献侧重于针对最坏情况损坏的防御。在这项工作中，我们通过提出防范内人来调和两种方法，这是一种优化图像到图像模型的参数来产生对外损坏的增强图像的技术。我们理论上激发了我们的方法，并为其理想化版本的一致性以及大纲领提供了足够的条件。我们的分类机器在预期对CiFar-10-C进行的常见图像腐败基准上提高了最先进的，并改善了CIFAR-10和ImageNet上的$ \ ell_p $ -norm有界扰动的最坏情况性能。