论文解读 | NeurIPS2023：「解释一切」图像概念解释器

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讲者简介

孙奥：

香港科技大学软件安全实验室在读博士，研究兴趣为可解释性人工智能和可信机器学习，主要是从Post-hoc，逻辑和概念的角度分析神经网络的机理

Title

「解释一切」图像概念解释器

Content

内容简介

可解释AI(XAI)是提高人类对深度神经网络(DNN)理解给定黑盒内部的重要主题。对于计算机视觉任务，主流的基于像素的XAI方法通过识别重要像素来解释DNN决策，新兴的基于概念的XAI探索用概念形成解释。然而，像素通常很难解释和敏感XAI方法的不精确性，而先前工作中的“概念”需要人工注释或仅限于预定义的概念集。另一方面，由大规模预训练驱动， Segment Anything Model(SAM)已被证明是执行精确和全面的实例分割的强大且可扩展的框架，从而能够从给定的图像中自动准备概念集。本文首次探索了使用SAM来增强基于概念的XAI。我们提出了一种有效的灵活的基于概念的解释方法，即解释任何概念(EAC)，它用任何概念解释DNN决策。虽然SAM非常有效并提供“开箱即用”实例分割，但在集成到事实上的XAI方法中时成本很高。因此，我们提出了一种轻量级的每个输入等效(PIE)方案，从而能够使用代理模型进行有效的解释。我们对两个流行数据集（ImageNet和COCO）的评估说明了EAC相对于常用XAI方法具有更好的性能。

个人主页：
https://jerry00917.github.io

论文链接：
https://openreview.net/pdf?id=X6TBBsz9qi

代码链接：
https://github.com/Jerry00917/samshap

Background

随着深度学习模型的崛起，越来越多的网络被提出，像Resnet、DenseNet等的黑箱模型越来越普遍，并且网络预测的准确率很高，但是其中的可解释性问题仍然是一个难题。

如下图，之前的工作中大致可以分为两类。第一类是SuperPixel-based LIME，它使用超像素来创建图像的局部表示，然后使用LIME来解释与这些超像素相关的机器学习模型的预测结果。这种方法的目标是提高解释性，帮助我们更好地理解模型是如何基于图像的局部特征做出预测的。通过关注图像的关键局部区域，我们可以更清晰地了解模型的决策过程。

第二类是Grad-based GradCam，它指的是使用梯度信息来生成GradCam 图，从而可视化深度学习模型对于给定输入图像中哪些区域产生了影响。这有助于我们理解模型是如何基于输入图像的不同部分作出决策的，特别是关于特定类别的决策。这种方法使我们能够直观地看到模型在图像中关注的重要区域，有助于提高模型的解释性。

Motivation

对于第一种方法，如果超像素的尺寸过大，可能会导致不准确但更“完整”，更易于人类理解的输出；反之，对于第二种方法，如果超像素的尺寸过小，可能会导致不准确的输出，但更容易理解。这两种方法的解释都不够人性化，所以，作者希望能够实现一种对人类友好的，也能够高精度预测的方法。

Approach

本文中，作者提出了一种通用且灵活的基于概念的解释方法，即Explain Any Concept（EAC），它可以用任何概念解释模型预测。该方法分为三个阶段：第一阶段，Segmented Image，使用模型SAM将输入图像划分为一组视觉概念；第二阶段，训练一个每个输入等效的（PIE）代理模型来近似目标DNN的行为；第三阶段，使用代理模型通过第一阶段获得的概念有效地解释模型预测。

值得注意的是，在EAC的第二阶段，作者使用Shapley值来识别有助于目标模型预测的关键概念。然而，尽管Shapley值很有效，但是由于其指数复杂性，计算成本很高。所以，作者提出了(PIE)的方案来降低目标模型的复杂性，这可以显著降低Shapely值的计算成本。

Post-hoc Model Explanation: EAC

如下图是所提方法的效果图，它规避了SuperPixel-based LIME和Grad-based GradCam的缺点，可以将最完整、最准确的内容解释出来，对人类也是十分友好的。

Comparison

下图中展示了几个案例，证明了EAC在解释模型预测方面的有效性。我们可以观察到，EAC在解释其他测试用例中的模型预测方面显著优于其他方法。EAC生成了更多“格式良好的”概念级别的解释，而这些解释在下图的案例中都是人类可理解的。例如，在第一种情况下，EAC正确地突出了“训练”作为概念级别的解释，而前三个基线方法会产生一些可忽略的像素、图像的片段（第4、第5和第6个基线）或整个图像（第7个基线）。对比图显著说明了EAC在理解性方面的优势。