Knowledge Elicitation in Deep Learning Models

Embora o aprendizado profundo (mais conhecido como deep learning) tenha se tornado uma ferramenta popular na solução de problemas modernos em vários domínios, ele apresenta um desafio significativo - a interpretabilidade. Esta tese percorre um cenário de elicitação de conhecimento em modelos de deep learning, lançando luz sobre a visualização de características, mapas de saliência e técnicas de destilação. Estas técnicas foram aplicadas a duas arquiteturas: redes neurais convolucionais (CNNs) e um modelo de pacote (Google Vision). A nossa investigação forneceu informações valiosas sobre a sua eficácia na elicitação e interpretação do conhecimento codificado. Embora tenham demonstrado potencial, também foram observadas limitações, sugerindo espaço para mais desenvolvimento neste campo. Este trabalho não só realça a necessidade de modelos de deep learning mais transparentes e explicáveis, como também impulsiona o desenvolvimento de técnicas para extrair conhecimento. Trata-se de garantir uma implementação responsável e enfatizar a importância da transparência e compreensão no aprendizado de máquina. Além de avaliar os métodos existentes, esta tese explora também o potencial de combinar múltiplas técnicas para melhorar a interpretabilidade dos modelos de deep learning. Uma mistura de visualização de características, mapas de saliência e técnicas de destilação de modelos foi usada de uma maneira complementar para extrair e interpretar o conhecimento das arquiteturas escolhidas. Os resultados experimentais destacam a utilidade desta abordagem combinada, revelando uma compreensão mais abrangente dos processos de tomada de decisão dos modelos. Além disso, propomos um novo modelo para a elicitação sistemática de conhecimento em deep learning, que integra de forma coesa estes métodos. Este quadro demonstra o valor de uma abordagem holística para a interpretabilidade do modelo, em vez de se basear num único método. Por fim, discutimos as implicações éticas do nosso trabalho. À medida que os modelos de deep learning continuam a permear vários setores, desde a saúde até às finanças, garantir que as suas decisões são explicáveis e justificadas torna-se cada vez mais crucial. A nossa investigação sublinha esta importância, preparando o terreno para a criação de sistemas de inteligência artificial mais transparentes e responsáveis no futuro.Though a buzzword in modern problem-solving across various domains, deep learning presents a significant challenge - interpretability. This thesis journeys through a landscape of knowledge elicitation in deep learning models, shedding light on feature visualization, saliency maps, and model distillation techniques. These techniques were applied to two deep learning architectures: convolutional neural networks (CNNs) and a black box package model (Google Vision). Our investigation provided valuable insights into their effectiveness in eliciting and interpreting the encoded knowledge. While they demonstrated potential, limitations were also observed, suggesting room for further development in this field. This work does not just highlight the need for more transparent, more explainable deep learning models, it gives a gentle nudge to developing innovative techniques to extract knowledge. It is all about ensuring responsible deployment and emphasizing the importance of transparency and comprehension in machine learning. In addition to evaluating existing methods, this thesis also explores the potential for combining multiple techniques to enhance the interpretability of deep learning models. A blend of feature visualization, saliency maps, and model distillation techniques was used in a complementary manner to extract and interpret the knowledge from our chosen architectures. Experimental results highlight the utility of this combined approach, revealing a more comprehensive understanding of the models' decision-making processes. Furthermore, we propose a novel framework for systematic knowledge elicitation in deep learning, which cohesively integrates these methods. This framework showcases the value of a holistic approach toward model interpretability rather than relying on a single method. Lastly, we discuss the ethical implications of our work. As deep learning models continue to permeate various sectors, from healthcare to finance, ensuring their decisions are explainable and justified becomes increasingly crucial. Our research underscores this importance, laying the groundwork for creating more transparent, accountable AI systems in the future