NeurIPS 2023 | 港科大提出EAC："可解释一切"图像概念解释器

Segment Anything Model（SAM）首次被应用到了基于增强概念的可解释 AI 上。

你是否好奇当一个黑盒深度神经网络 (DNN) 预测下图的时候，图中哪个部分对于输出预测为「击球手」的帮助最大？

香港科技大学团队最新的 NeurIPS2023 研究成果给出了他们的答案。

• 论文：https://arxiv.org/abs/2305.10289

• 项目代码：https://github.com/Jerry00917/samshap

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继 Meta 的分割一切 (SAM) 后，港科大团队首次借助 SAM 实现了人类可解读的任意 DNN 模型图像概念解释器：Explain Any Concept (EAC)。

你往往会看到传统的 DNN 图像概念解释器会给出这样的解释 (SuperPixel-Based)：

但这类输出通常不能完整地将 DNN 对于输入图像里概念的理解表达给人类。

港科大团队首次将具有强大的概念抓取力的 SAM 和博弈论中夏普利公理 (Shapley Value) 结合起来，构建了端对端具有完整概念的模型解释器，并呈现了非常令人惊叹的结果！！ 

现在，用户只需要将任意 DNN 接入该解释器的 API，EAC 就可以精准地解释出图中哪些概念影响了模型最终的输出。

算法原理

如下图所示，解释一切 EAC 的算法流程图可大体分为三个阶段：1）SAM 概念抓取，2）利用 Per-Input Equivalence (PIE) 模拟目标 DNN 模型，3）通过计算出 PIE 的夏普利公理值得出近似原目标 DNN 的最终概念解释输出。

夏普利值实现

在博弈论中，夏普利公理的地位举足轻重。基于它，研究人员可以推算出图片里每一个概念对目标模型输出的贡献值，从而得知哪些概念对于模型预测的帮助最大。不过计算夏普利值所需要的时间复杂度为 O (2^N)，这对于几乎任何一个成熟的深度学习模型是灾难性的计算量。

本文为了解决这一问题提出了 Per-Input Equivalence （PIE）轻量型框架。PIE 希望通过一个 surrogate model f' 将原目标 DNN 模型 f 做局部拟合。

PIE 的完整表达式为。这里 f_fc 完全保留了原模型的全连接层，h 是一层线性权重用于模拟 f 的特征提取器，输入 b 为一维 one-hot 对一张目标图片里的概念集 C（由 SAM 生成）的编码。算法通过对 PIE 进行蒙特卡洛估算，就可得出 f^' 对于 f 的近似夏普利值。

文章指出 PIE 的运算十分轻量。在 COCO 标准测试集上，将目标模型设为 ResNet50，平均解释时间仅约为 8.1 秒 / 一张图片。

实验结果

通过给每张测试图逐一添加（Insertion）/ 删除（Deletion）最重要的概念 patch，这两项实验研究者可以直接评估任意解释器在解释目标 DNN 时的表现。

EAC 同时在「添加」和「删除」两项实验中实现了比较优秀的解释效果。

以下是 EAC 效果展示和 baseline 对比：

在文章的最后，团队表示有了 EAC 这项技术，医疗影像，智慧安防等重要的可信机器学习商用应用场景会变的更准确，更可靠。

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