一、前言
本文章作为学习2023年《李宏毅机器学习课程》的笔记，感谢台湾大学李宏毅教授的课程，respect！！！
二、大纲
- Why we need Explainable ML？
- Interpretable v.s. Powerful
- Goal of Explainable ML
- Explainable ML
三、Why we need Explainable ML？
一直以来，我们都在学机器学习，最简单的就是图像分类，但是机器（模型）为什么能够work？大家都说它是个黑箱子，它是不是欠我们一个理由呢？
会不会是一种巧合，模型只是巧合地猜对了答案，而不是真的智能呢？如果是在无人车驾驶、医学诊断等领域应用上，那更应该得给出人们可以接受的理由！
所以，这次课就来讨论讨论AI可解释性问题。
四、Interpretable v.s. Powerful
1、简单的模型好解释，但不够powerful。举例而言：线性模型我们可以清楚知道哪些权重是重要的，但不够powerful。
2、复杂的模型powerful，但不好解释。举例而言，深度学习神经网络很难解释，但确实会比线性模型更加powerful。
今天而言，我们人类只是"神识"还没那么强大到能够看透神经网络，但也更不应该说看不透就不用它！
那有没有模型，兼具可解释性和强大能力呢？比如decision tree？
确实决策树很强大，但使用过程，往往也不是只用一棵，而是一片森林（随机森林），也不见得好解释。
五、Goal of Explainable ML
那对于深度学习神经网络可解释这件事，我们的目标就一定要完完全全搞到它的详细原理吗？人脑这么多神经元错综复杂做出决策，我们不也是相信大脑的决策吗，所以其实我们就是想得到在关注的case上一个有说服力的理由而已！
六、Explainable ML
为了得到上述的理由，我们从对象层面进行划分：
- 外物（Local Explanation）
- 本身（Global Explanation）
1、Local Explanation
所谓的外物是相对于模型本身而言，即从输入层面来看。
2、Global Explanation
本身即指模型本身。
如下图所示：
1、Local Explanation
接下来就仔细研究下Local Explanation。
对于分类器而言，从输入的图片来看，模型真的知道输入的图片是什么类别吗？
- which component is critical？
有一种做法是：把输入的图片每次遮住一点，看模型输出的变化情况，如下图：
说明：把输入是猫的图片，一个pixel一个pixel地遮住，看分类器分类结果变化，输出哪些是重要的像素，就能推断模型是否知道哪些特征是重要的。
- Saliency Map
另外一种做法是在梯度上做文章，基本思想就是把每个pixel加上一点杂讯，看对loss的影响如何，说白了就是敏不敏感（有没有捅到模型的胳肢窝），越敏感反应就越强烈，图上表现就越白，如下图：
基于这种方法，大家觉得有点毛毛躁噪的，于是多做几次加杂讯的动作，并把结果平均起来，这就是SmoothGrad。
但还有一个局限性，意思就是说你要是一直捅胳肢窝，捅多了也就不敏感了呀，举了个大象鼻子长度和是大象的关系：
所以这里有人提出了另一种方法，叫IG（Integrated gradient）。
- How a network processes the input data
这种方法就是直接把输入数据在模型里面是啥样，可视化看看。
1、Visualization
可以是纯纯的把每一层的特征可视化出来瞅瞅：
2、Probing
也可以是像探针一样把某一层的特征丢进去诊断器中看看输出结果。前提是你有一个好的诊断器。诊断器根据具体任务设定，可以是分类器啥的...
2、Global Explanation
基本思想就是走入模型的内心，看其所想。
我们知道图像识别中CNN有很多的卷积核filter，其实就是用来侦测特征的，如果相应的特征输入，侦测该特征的卷积核所对应的权重就会越大。
反过来推导，假设此时此刻某个卷积核权重很大，那应该对应什么样的图片输入呢？（你动了我的心，那你应该是啥样的）
上图就是在求最大化卷积核特征所对应的输入图片。最大化问题，用gradient ascent。
以MNIST为例，如下图：
上图确实是求出来输入图片长啥样，但你可别期待和数字长得一样，明显就是经过拆解的，还是可以看出是在检测笔画笔顺。
如果你从输出结果反向求是输入，那可能求得输入就是一堆杂讯：
其实这就是机器心中所想，但人类还是傻眼了，看不懂呀，所以需要做个转换映射，让求得的输入图片要越像数字越好，那这件事情怎么做呢，就是加入限制条件约束它（强迫它）。
还有一种方法就是用GAN！
