CVPR 2022:微笑识别也带性别歧视?浙大武大联合蚂蚁Adobe搞了个公平性提升框架
无须改变已部署模型
作者:董小威
武汉大学
AI模型存在偏见怎么办?
近年来,AI在多个领域展现出卓越的性能,给人类生活带来便捷和改善。
与此同时,不少AI系统被发现存在对特定群体的偏见或者歧视现象。
犯罪预测系统COMPAS在美国被广泛使用,通过预测再次犯罪的可能性来指导判刑。
研究者发现,相比于白人,黑人被预测为高暴力犯罪风险的可能性竟然高77%。这里就存在一个严肃的问题:犯罪与否难道能由肤色来决定?
我们经常使用的搜索引擎也普遍存在偏见。如果搜索“护士”的图片,返回的结果中大部分都是女性。
亚马逊的员工招聘系统,被曝出倾向于给男性打高分,给女性打低分。
为什么AI系统存在偏见?它是如何学会的?多半是数据教会了它。
例如,在亚马逊的雇员数据中,男性远多于女性,导致AI学到了性别和录用间的虚假关联,误以为男性更有资格被录用。
针对这一问题,研究者提出了多种公平性提升方案,但它们本质上都要修改已部署的深度学习模型。
“如果已部署上线的深度学习模型存在偏见,如何在不修改模型的情况下提升公平性呢?”浙江大学王志波教授提出了这个问题。
针对该问题,浙大王志波和任奎团队联合武汉大学、蚂蚁集团与Adobe公司,提出了一种基于对抗性扰动的深度学习模型公平性提升方案,在无须改变已部署模型的情况下提升系统的公平性。
该方案的基本思想是:通过自适应地对输入数据添加对抗性扰动,阻止模型提取出敏感属性相关信息,保留目标任务相关信息,从而使得模型公平地对待不同敏感属性的群体,给出公平的预测结果。
公平性提升方案FAAP
FAAP框架包含已部署的模型、扰动生成器和判别器三个部分:
首先,用扰动生成器对图像添加对抗性扰动,扰动后的图像会输入到部署模型的特征提取器,获得图像的隐空间表示,并分别输入到标签预测器和判别器。
接着衡量扰动后的图像中包含的敏感属性的信息,训练判别器从隐空间表示中预测敏感属性,并对判别器进行更新。
之后对扰动生成器进行更新,欺骗判别器,使扰动后的图像在隐空间表示中不包含敏感属性的信息,同时使标签预测器的预测结果准确。
对以上步骤进行迭代,获得最终的扰动生成器,作为数据预处理单元,为已有的AI系统提升公平性。
模型预测真的变公平了吗?
通过观察注意力显著图可以发现,有性别偏见的微笑识别模型,会关注于原始图像的头发区域,不可避免地使用性别相关特征进行预测。相比之下,该方案可以让模型更关注于图像嘴部区域,从而不受敏感属性的影响,做出公平的预测:
使用T-SNE处理模型特征空间的输出,可以发现,带有性别偏见的模型,在特征空间能分辨出原始图像中不同性别的样本,因而区别对待不同性别的人群。相比之下,该方案让具有不同敏感属性的样本在特征空间发生混淆,使得它们被模型公平对待:
该项研究首次考虑在不改变深度学习模型的前提下提升公平性,提出的方案更贴合真实应用场景。
对于一般的部署模型,在基本不影响准确率的情况下,该方案可以大幅提升公平性,例如,在公平性指标DP和DEO上平均能够获得27.5%和66.1%的提升。
目前,该研究成果的相关论文“Fairness-aware Adversarial Perturbation Towards Bias Mitigation for Deployed Deep Models”已被CVPR 2022录用。
论文地址:
https://arxiv.org/abs/2203.01584
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