显着性方法是一种流行的特征归因说明方法，旨在通过识别输入图像中的“重要”像素来捕获模型的预测推理。但是，由于缺乏获得地面模型推理的访问，这些方法的开发和采用受到阻碍，从而阻止了准确的评估。在这项工作中，我们设计了一个合成的基准测试框架SMERF，该框架使我们能够在控制模型推理的复杂性的同时进行基于基础真相的评估。在实验上，SMERF揭示了现有的显着性方法的重大局限性，因此代表了开发新显着性方法的有用工具。

特征归因方法在可解释的机器学习中受欢迎。这些方法计算每个输入特征的归属来表示其重要性，但没有关于“归因”的定义的共识，导致许多竞争方法，缺乏地面真理归因，特别是缺乏地面真实的归因。为了解决这个问题，我们提出了一个数据集修改程序来诱导如此的实践。使用此过程，我们评估三种常见方法：显着性图，理由和注意。我们确定了几种缺陷，向越来越多的证据质疑这些方法在野外数据集上应用这些方法的正确性和可靠性来添加新的视角。我们进一步讨论可能的补救途径，并在部署之前推荐以对地面真理进行测试的新归因方法。代码可在https://github.com/yilunzhou/feature --attribution-evaluation

Post-hoc analysis is a popular category in eXplainable artificial intelligence (XAI) study. In particular, methods that generate heatmaps have been used to explain the deep neural network (DNN), a black-box model. Heatmaps can be appealing due to the intuitive and visual ways to understand them but assessing their qualities might not be straightforward. Different ways to assess heatmaps' quality have their own merits and shortcomings. This paper introduces a synthetic dataset that can be generated adhoc along with the ground-truth heatmaps for more objective quantitative assessment. Each sample data is an image of a cell with easily recognized features that are distinguished from localization ground-truth mask, hence facilitating a more transparent assessment of different XAI methods. Comparison and recommendations are made, shortcomings are clarified along with suggestions for future research directions to handle the finer details of select post-hoc analysis methods. Furthermore, mabCAM is introduced as the heatmap generation method compatible with our ground-truth heatmaps. The framework is easily generalizable and uses only standard deep learning components.

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。

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.

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。

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.

弱监督的对象本地化（WSOL）在过去几年中获得了普及，以便培训具有图像级标签的本地化模型。由于Soliminal WSOL类激活映射（CAM），该领域的重点是如何扩展注意区域更广泛地覆盖物体并更好地本地化。但是，这些策略依赖于验证超参数和模型选择的完全本地化监督，这是原则上禁止WSOL设置。在本文中，我们认为WSOL任务仅用图像级标签均不含糊，并提出了一种新的评估协议，其中全面监督仅限于仅与测试集没有重叠的小型举出的设置。我们观察到，根据我们的协议，五种最新的WSOL方法没有对CAM基线进行重大改进。此外，我们报告说，现有的WSOL方法尚未达到几次学习基准，其中验证时间的全面监督用于模型培训。根据我们的调查结果，我们讨论了WSOL的​​一些未来方向。

Current learning machines have successfully solved hard application problems, reaching high accuracy and displaying seemingly "intelligent" behavior. Here we apply recent techniques for explaining decisions of state-of-the-art learning machines and analyze various tasks from computer vision and arcade games. This showcases a spectrum of problem-solving behaviors ranging from naive and short-sighted, to wellinformed and strategic. We observe that standard performance evaluation metrics can be oblivious to distinguishing these diverse problem solving behaviors. Furthermore, we propose our semi-automated Spectral Relevance Analysis that provides a practically effective way of characterizing and validating the behavior of nonlinear learning machines. This helps to assess whether a learned model indeed delivers reliably for the problem that it was conceived for. Furthermore, our work intends to add a voice of caution to the ongoing excitement about machine intelligence and pledges to evaluate and judge some of these recent successes in a more nuanced manner.

无法解释的黑框模型创建场景，使异常引起有害响应，从而造成不可接受的风险。这些风险促使可解释的人工智能（XAI）领域通过评估黑盒神经网络中的局部解释性来改善信任。不幸的是，基本真理对于模型的决定不可用，因此评估仅限于定性评估。此外，可解释性可能导致有关模型或错误信任感的不准确结论。我们建议通过探索Black-Box模型的潜在特征空间来从用户信任的有利位置提高XAI。我们提出了一种使用典型的几弹网络的Protoshotxai方法，该方法探索了不同类别的非线性特征之间的对比歧管。用户通过扰动查询示例的输入功能并记录任何类的示例子集的响应来探索多种多样。我们的方法是第一个可以将其扩展到很少的网络的本地解释的XAI模型。我们将ProtoShotxai与MNIST，Omniglot和Imagenet的最新XAI方法进行了比较，以进行定量和定性，Protoshotxai为模型探索提供了更大的灵活性。最后，Protoshotxai还展示了对抗样品的新颖解释和检测。

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。

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.

卷积神经网络（CNN）最近由于捕获非线性系统行为并提取预测性时空模式而引起了地球科学的极大关注。然而，鉴于其黑盒的性质以及预测性的重要性，可解释的人工智能方法（XAI）已成为解释CNN决策策略的一种手段。在这里，我们建立了一些最受欢迎的XAI方法的比较，并研究了它们在解释CNN的地球科学应用决策方面的保真度。我们的目标是提高对这些方法的理论局限性的认识，并深入了解相对优势和缺点，以帮助指导最佳实践。所考虑的XAI方法首先应用于理想化的归因基准，在该基准中，该网络解释的基础真实是先验，以帮助客观地评估其性能。其次，我们将XAI应用于与气候相关的预测设置，即解释CNN，该CNN经过训练，可以预测气候模拟每日快照中的大气河流数量。我们的结果突出了XAI方法的几个重要问题（例如，梯度破碎，无法区分归因的迹象，对零输入的无知），这些迹象以前在我们的领域被忽略了，如果不谨慎地考虑，可能会导致扭曲的图片CNN决策策略。我们设想，我们的分析将激发对XAI保真度的进一步调查，并将有助于在地球科学中谨慎地实施XAI，这可能导致进一步剥削CNN和深入学习预测问题。

本文介绍了置信度优化（CO）分数，以直接测量热插拔/显着图的贡献到模型的分类性能。可说明的人工智能（XAI）社区中使用的常见热映射生成方法通过我们称之为增强解释（AX）来测试。我们在这些热爱方法的CO分配中找到了一个惊人的\ Texit {Gap}。间隙可能用作深度神经网络（DNN）预测的正确性的新颖指标。我们进一步介绍了生成的AX（GAX）方法以产生能够获得高CO分数的显着图。使用迷人，我们也定性展示了DNN架构的不行性。

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。

已经提出了多种解释性方法和理论评价分数。然而，尚不清楚：（1）这些方法有多有用的现实情景和（2）理论措施如何预测人类实际使用方法的有用性。为了填补这一差距，我们在规模中进行了人类的心理物理学实验，以评估人类参与者（n = 1,150）以利用代表性归因方法学习预测不同图像分类器的决定的能力。我们的结果表明，用于得分的理论措施可解释方法的反映在现实世界方案中的个人归因方法的实际实用性不佳。此外，个人归因方法帮助人类参与者预测分类器的决策的程度在分类任务和数据集中广泛变化。总体而言，我们的结果突出了该领域的根本挑战 - 建议致力于开发更好的解释方法和部署人以人为本的评估方法。我们将制定框架的代码可用于缓解新颖解释性方法的系统评估。

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.

机器学习模型通常使用诸如“依靠人的存在来检测网球拍”的虚假模式，这不概括。在这项工作中，我们介绍了一个端到端的管道，用于识别和减轻图像分类器的虚假模式。我们首先找到“模型对网球拍预测的模式，如果我们隐藏人民的时间似的63％。”然后，如果模式是虚幻的，我们通过新颖的数据增强来减轻它。我们展示了这种方法识别了一种多样化的杂散模式，并且它通过产生一个模型来减轻它们，这些模型在虚假图案对虚假模式对分布偏移不有用和更鲁棒的分布上进行更准确。

显着的方法已被广泛用于突出模型预测中的重要输入功能。大多数现有方法在修改的渐变函数上使用BackPropagation来生成显着性图。因此，嘈杂的渐变可能会导致不忠的特征属性。在本文中，我们解决了这个问题，并为神经网络引入了一个{\ IT显着指导训练}程序，以减少预测中使用的嘈杂渐变，同时保留了模型的预测性能。我们的显着指导训练程序迭代地掩盖小型和潜在的嘈杂渐变的功能，同时最大化模型输出的相似性，对于屏蔽和揭示的输入。我们将显着的指导培训程序从计算机视觉，自然语言处理和时间序列中的各种合成和实际数据集应用于各种神经结构，包括经常性神经网络，卷积网络和变压器。通过定性和定量评估，我们表明，在保留其预测性能的同时，显着的导向培训程序显着提高了各个领域的模型解释性。

使用深度学习模型从组织学数据中诊断癌症提出了一些挑战。这些图像中关注区域（ROI）的癌症分级和定位通常依赖于图像和像素级标签，后者需要昂贵的注释过程。深度弱监督的对象定位（WSOL）方法为深度学习模型的低成本培训提供了不同的策略。仅使用图像级注释，可以训练这些方法以对图像进行分类，并为ROI定位进行分类类激活图（CAM）。本文综述了WSOL的​​最先进的DL方法。我们提出了一种分类法，根据模型中的信息流，将这些方法分为自下而上和自上而下的方法。尽管后者的进展有限，但最近的自下而上方法目前通过深层WSOL方法推动了很多进展。早期作品的重点是设计不同的空间合并功能。但是，这些方法达到了有限的定位准确性，并揭示了一个主要限制 - 凸轮的不足激活导致了高假阴性定位。随后的工作旨在减轻此问题并恢复完整的对象。评估和比较了两个具有挑战性的组织学数据集的分类和本地化准确性，对我们的分类学方法进行了评估和比较。总体而言，结果表明定位性能差，特别是对于最初设计用于处理自然图像的通用方法。旨在解决组织学数据挑战的方法产生了良好的结果。但是，所有方法都遭受高假阳性/阴性定位的影响。在组织学中应用深WSOL方法的应用是四个关键的挑战 - 凸轮的激活下/过度激活，对阈值的敏感性和模型选择。