【李宏毅机器学习】Explainable AI

note：

• local explanation的任务是判断出这图片为啥是XX；global explanation的任务是model能够学习到XX是长啥样的（这里说的是XX识别）。
• explanable AI典型的2种方法是敏感性分析（Sensitivity Analysis）和基于梯度的方法（Gradient-based Methods）。
  • 敏感性分析：出发点就是看你的模型对于哪个数据实例非常敏感。例如一个分类器，如果我们删除掉一个数据点，模型的决策边界有了剧烈的变化，那么我们就说这个数据点事非常敏感的（对识别结果重要的feature）。LIME这篇文章就是基于这样的思想，对于特定的数据点进行各个特征的扰动，从而给出分类器局部的解释，即局部来看，什么特征是最影响分类器的决策的。同样的还有Koh提出的Influential function，用来解释数据点对SVM的影响程度。
  • 基于梯度的方法：看输入的哪一部分更影响决策。对于一个图片识别模型来说，这种方法就体现在一个saliency map上。也就是将图片的每个像素通过梯度变化的比较，来显示图片的哪些像素是分类器作为分类的依据。

一、可解释机器学习

像在一些医疗诊断、决策任务中，AI模型更需要可解释性，但是explanable AI不完全是理解ML如何工作.

二、Local Explanation（局部可解释性）

2.1 基本思想

input的多个component中（比如图片中的一个pixel像素就是一个component；passage中的一个word单词就是一个component），哪个component在识别图片中起更关键的作用。在Local explanation中一般通过对component进行修改or移除等操作，对比影响的效果进行判断哪个component作用更大。

2.2 移除组成要素（遮挡法）

如下图，用灰色方块对每个部分进行遮挡，然后进行预测（效果即下方的图片，蓝色区域表明该区域对识别结果作用更大）。

2.3 改变组成要素（基于Gradient）

saliency map显著图：每个值对目标值求偏微分，导数越大的区域越明亮，用这种gradient方式（loss变化量/偏置量）判断哪些feature更重要。

Saliency Map(显著图)：图中亮度越大，代表数值越大。也就是说表示了模型是真的获得了狗的信息才判断这是一条狗，而不是根据环境或者其他对象来判断的。

2.4 Limitation of Gradient based Approaches(基于梯度方式的限制）

2.3中，大象鼻子不断长，长到一定程度肯定会停止生长，如果继续用2.3这种导数求法就是梯度为0（梯度饱和），但是不代表该feature不重要。

2.5 Attack Interpretation

三、Global Explanation（全局可解释性）

从dl model中拿出某一层的输出，通过降维至二维平面，比如下图，输出一个语音信号，从第8层中提取出输出再降维到二维平面，可看到句子相同但读者不同的向量会聚类在一起。

3.1 反向寻找理想输入

CNN的一个filter卷积核对input picture处理得到feature map。可以反向寻找最佳input，如下左下方的图片就过拟合了。

3.2 添加正则化项

3.3 利用image generator 进行正则化

• 首先训练一个image generator（通过GAN，VAE等生成模型），其输入一个低维度的向量z（不同的z代表不同的种类），输出一张图片 x ，记为X=G（z）。
• 将x进行图片分类可以得到y。在之前方法中，想要得到机器眼中y的样子，就是计算X*=argmax Yi，现在增加了图像生成器，就可以转变为计算Z*=argmax Yi 。
• 将上面的图片生成器和分类器串在一起，就变成一个很深的神经网络。输入就是z，输出就是y。（分类器是之前已经训练好的）
• 将找到的z*再带入到image generator，得到的图片就是我们想求的。（这就解释了机器认为cat长什么样）

四、用模型解释模型

4.1 Using linear model

用一个解释性强的model“模仿”难解释的model（在训练时输入相同的样本，让模仿模型的输出接近黑色模型，即解释性差的model的输出）。但是线性模型过于简单，新提出了LIME。

4.2 Local Interpretable Model-Agnostic Explanations (LIME)

使用Linear Model拟合Neural Network

• 定位：确定需要解释的data point(下图5个蓝点中最中间的蓝点)
• 取样：在上一步确定的data point周围sample获得更多的data point(下图5个蓝点)
  • sample的范围需要根据情况调整，一般范围小则拟合得更准确
  • sample的方法不同，结果也会不同
• 拟合：使用Linear Model模拟上一步确定的data point及其对应的Neural Network输出
• 解释：对Linear Model进行解释，进而解释Neural Network的局部

Reference

[1] 李宏毅21版视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1JA411c7VT
[2] 李宏毅ML官方地址：http://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/courses.html
[3] 可信图学习综述：A Survey of Trustworthy Graph Learning:
Reliability, Explainability, and Privacy Protection.2022
[4] 简单梳理一下机器学习可解释性（Interpretability）
[5] 6个可解释AI (XAI)的Python框架推荐
[6] 复杂模型可解释性方法——LIME