機器學(xué)習(xí)尤其是深度學(xué)習(xí)很難調(diào)試與修正，而最近谷歌大腦 Ian Goodfellow 等研究者發(fā)布了一個名為 TensorFuzz 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) Debug 開源庫。他們將傳統(tǒng)軟件工程中由覆蓋性引導(dǎo)的模糊方法引入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并借助機器學(xué)習(xí)方法實現(xiàn) Debug 過程。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正逐漸影響人類生活環(huán)境，包括醫(yī)學(xué)診斷、自動駕駛、企業(yè)和司法決策過程、空中交通管制、以及電網(wǎng)控制。這些人類可以做到的事，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有可能做到。它可以拯救生命、為更多的人提供幫助。然而，在實現(xiàn)這些應(yīng)用之前，我們首先需要確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到底是不是可靠的，因此它的修正和調(diào)試方法恰恰是我們現(xiàn)在所缺失的。
眾所周知，由于各種原因，機器學(xué)習(xí)模型難以調(diào)試或解釋，一是從概念上難以說明用戶想要了解的模型信息，而且通過統(tǒng)計和計算也難以獲得指定問題的答案。這個特性導(dǎo)致最近的機器學(xué)習(xí)出現(xiàn)「復(fù)現(xiàn)危機」，因為我們很難對不好調(diào)試的技術(shù)做出可靠的實驗結(jié)論。
即使是與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的簡單問題也可能會有巨大的計算量，而且使用深度學(xué)習(xí)框架實現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可能和理論模型相去甚遠(yuǎn)，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常難以調(diào)試。例如，ReluPlex 可以形式上地驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些特性，但由于計算成本太高，無法擴展到實際模型中。此外，ReluPlex 通過將 ReLU 網(wǎng)絡(luò)描述為一個分段線性函數(shù)來進(jìn)行分析，它使用一個矩陣乘法都為線性的理論模型。但實際上，由于浮點算法的存在，計算機上的矩陣乘法并非線性的，機器學(xué)習(xí)算法可以學(xué)習(xí)利用這種特性進(jìn)行非線性運算。這并不是要批評 ReluPlex，而是想說明應(yīng)該需要更多與軟件直接交互地測試算法，以便更客觀地測試因為深度學(xué)習(xí)框架而偏離理論的模型。
在 Ian Goodfellow 等人的這項研究中，他們使用傳統(tǒng)軟件工程已有的技術(shù)，即由覆蓋性引導(dǎo)的模糊方法（coverage-guided fuzzing，CGF），并修正這種技術(shù)以用來測試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù) Goodfellow 等研究者在原論文中所述，該項工作的主要貢獻(xiàn)有以下幾點：
為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入 CGF 概念，并描述了快速近似最近鄰算法如何以通用的方式檢查覆蓋性。
為 CGF 技術(shù)構(gòu)建了一個名為 TensorFuzz 的開源庫。
使用 TensorFuzz 可在已訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搜索數(shù)值問題、在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和對應(yīng)經(jīng)量化處理的網(wǎng)絡(luò)間生成不一致性度量、在字符級語言模型中表現(xiàn)的不良行為。
下圖描述了整體的 Fuzzer 過程，它與普通計算機程序的 CGF 結(jié)構(gòu)非常相似，只不過它不與經(jīng)檢測的計算機程序交互，而是與 TensorFlow 的靜態(tài)計算圖進(jìn)行交互。
如上左圖所示，F(xiàn)uzzer 由 Seed 語料庫開始，它為計算圖提供至少一組輸入。研究者將這些輸入限制為有效的網(wǎng)絡(luò)輸入，例如對于圖像輸入，研究者可以限制輸入數(shù)據(jù)有正確的圖像尺寸和 RGB 通道數(shù)。在給定 Seed 語料庫后，輸入選擇器將從輸入語料庫中選擇不同的元素，例如輸入選擇器可以是以隨機的方法選擇輸入。
給定有效的輸入，Mutator 會對輸入做一些修改，這種修改可能只是簡單地翻轉(zhuǎn)圖像像素，同樣也可以是在修改總量的某些約束下對圖像進(jìn)行修改。Mutator 輸出的修改數(shù)據(jù)隨后可以輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，TensorFuzz 需要從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抽取出兩種信息，即抽取一組元數(shù)據(jù)數(shù)組以計算目標(biāo)函數(shù)，抽取一組覆蓋性數(shù)組以計算實際覆蓋性。計算覆蓋性后，如果 Mutator 修改的數(shù)據(jù)需要執(zhí)行覆蓋，則將它添加到輸入語料庫中，如果計算的目標(biāo)函數(shù)滿足條件，則可以添加到測試案例列表中。
如上右圖為 Fuzzer 主體過程的偽代碼，在滿足迭代數(shù)的情況下，從輸入語料庫中抽取樣本為 parent，并使用 Mutate() 函數(shù)對該樣本做修改以產(chǎn)生新的樣本 data。樣本 data 隨后輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過 Fetch() 函數(shù)從該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抽取覆蓋性 cov 和元數(shù)據(jù) meta 兩個向量。接下來只需要通過 IsNewCoverage() 和 Objective() 兩個函數(shù)判斷 cov 和 meta 兩個向量是不是滿足條件，滿足的話就能分別將 data 樣本加入到輸入語料庫和測試案例列表。
以上只是 Fuzzer 主體過程的一般描述，Chooser、Mutator 以及 Fetcher 的具體結(jié)構(gòu)與算法讀者可詳細(xì)查閱原論文。
論文：TensorFuzz: Debugging Neural Networks with Coverage-Guided Fuzzing
論文地址：https://arxiv.org/pdf/1807.10875.pdf
眾所周知，機器學(xué)習(xí)模型的解釋和調(diào)試非常困難，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更是如此。在本文中，我們?yōu)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)引入了自動化軟件測試技術(shù)，該技術(shù)非常適合發(fā)掘僅在少量輸入下出現(xiàn)的錯誤。具體而言，我們?yōu)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了由覆蓋引導(dǎo)的模糊（coverage-guided fuzzing，CGF）方法。在 CGF 中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的隨機變化由覆蓋性度量（coverage metric）引導(dǎo)，以滿足用戶指定的約束。我們描述了快速近似最近鄰算法如何為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供這種覆蓋性度量方法，并討論了 CGF 在以下目標(biāo)中的應(yīng)用：在已訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中搜索數(shù)值誤差、在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和對應(yīng)經(jīng)量化處理的網(wǎng)絡(luò)間生成不一致性度量、在字符級語言模型中表現(xiàn)不良行為。最后，我們發(fā)布了一個名為 TensorFuzz 的開源庫，它實現(xiàn)了本論文所描述的技術(shù)。
4 實驗結(jié)果
我們簡要展示了 CGF 技術(shù)的一些應(yīng)用以證實它的通用性質(zhì)。
4.1 CGF 可以高效地找到已訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值錯誤
由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用浮點數(shù)運算，它們對于訓(xùn)練期間及評估過程中的數(shù)值錯誤很敏感。眾所周知，這些問題是很難調(diào)試的，部分原因是它們可能僅由一小部分很少遇到的輸入所觸發(fā)。這正是 CGF 能發(fā)揮作用的一個案例。我們專注于尋找導(dǎo)致非數(shù)（not-a-number，NaN）值的輸入。并總結(jié)出如下結(jié)論：
找出數(shù)值錯誤很重要。數(shù)值錯誤，尤其是那些導(dǎo)致 NaN 的數(shù)值錯誤，假如在現(xiàn)實應(yīng)用中首次遇到這些錯誤，重要系統(tǒng)將做出嚴(yán)重的危險行為。CGF 可以用于在部署系統(tǒng)之前找到大量的錯誤，并減少錯誤在危險環(huán)境中造成的風(fēng)險。
CGF 可以快速找到數(shù)值錯誤。通過 CGF，我們可以簡單地添加檢查數(shù)值選項到元數(shù)據(jù)中，并運行我們的 fuzzer。為了測試這個假設(shè)，我們訓(xùn)練了一個全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分類 MNIST[26] 數(shù)字。我們故意使用了一個實現(xiàn)效果比較差的交叉熵?fù)p失函數(shù)，以增加數(shù)值錯誤出現(xiàn)的可能性。我們用 100 的 mini-batch 大小訓(xùn)練了 35000 個迭代步，直到達(dá)到 98% 的驗證準(zhǔn)確率。然后我們檢查到，不存在導(dǎo)致數(shù)值錯誤的 MNIST 數(shù)據(jù)集元素。盡管如此，TensorFuzz 卻在多個隨機初始化中快速找到了 NaN，如圖 2 所示。
基于梯度的搜索技術(shù)可能無法幫助尋找數(shù)值錯誤。CGF 的一個潛在缺陷是，基于梯度的搜索技術(shù)可能比隨機搜索技術(shù)更加高效。然而，我們并不清楚如何明確基于梯度搜索的目標(biāo)。目前不存在度量模型的真值輸出和 NaN 值相似性的直接方法。
隨機搜索在尋找某些數(shù)值錯誤方面是極度低效的。為了證實隨機搜索不夠高效且覆蓋引導(dǎo)對于提高效率很有必要，我們對比了隨機搜索方法。我們實現(xiàn)了一個基線隨機搜索算法，并用 10 個不同的隨機初始化在語料庫的 10 萬個樣本上運行了該算法。基線算法在所有實驗中未找到一個非限定元素。
圖 2：我們訓(xùn)練了一個包含某些不穩(wěn)定數(shù)值運算的 MNIST 分類器。然后我們在 MNIST 數(shù)據(jù)集的隨機種子上運行 fuzzer10 次。fuzzer 在每次運行中都找到了一個非限定元素。而隨機搜索未能找到一個非限定元素。左圖：運行過程中（共運行 10 次）fuzzer 的累積語料庫大小。右圖：由 fuzzer 找到的滿足條件的圖像示例。
4.2 CGF 解決模型和量化版本不一致的問題
量化（quantization）[18] 是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重被保存，且在執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的時候使用更少計算內(nèi)存位數(shù)來表示數(shù)值的過程。量化常被用來減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算成本或大小。它還被廣泛用于在手機的安卓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) API 或 TFLite 上，以及在自定制機器學(xué)習(xí)硬件（例如谷歌的 Tensor Processing Unit[20]）上運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理。
尋找由量化導(dǎo)致的錯誤非常重要：當(dāng)然，如果量化顯著減少了模型準(zhǔn)確率，那量化就沒有什么意義了。給定一個量化模型，如果能檢查出多少量化減少了準(zhǔn)確率最好。
僅檢查已有的數(shù)據(jù)只能找到很少的錯誤：作為基線實驗，我們訓(xùn)練了一個使用 32 位浮點數(shù)的 MNIST 分類器（這一次沒有故意引入數(shù)值錯誤）。然后把所有權(quán)重和激活值修剪為 16 位。之后，我們對比了 32 位和 16 位模型在 MNIST 測試集上的預(yù)測，沒有找到任何不一致性。
CGF 可以快速在數(shù)據(jù)周圍的小區(qū)域中找到很多錯誤：然后運行 fuzzer，變化限制在種子圖像周圍的半徑為 0.4 的無限范數(shù)球中，其中僅使用了 32 位模型作為覆蓋的激活值。我們將輸入限制在種子圖像附近，因為這些輸入幾乎都有明確的類別語義。模型的兩個版本在域外的垃圾數(shù)據(jù)（沒有真實類別）上出現(xiàn)不一致性并沒有什么意義。通過這些設(shè)置，fuzzer 可以生成 70% 樣本的不一致性。因此，CGF 允許我們尋找在測試時出現(xiàn)的真實錯誤，如圖 3 所示。
隨機搜索在給定和 CGF 相同的變化數(shù)量下無法找到新的錯誤：如 4.1 節(jié)所述，我們試驗了一個基線隨機搜索方法以表明覆蓋引導(dǎo)在這種設(shè)置下特別有用。隨機搜索基線在給定和 fuzzer 相同的變化數(shù)量下無法找到新的任何不一致性。
圖 3：我們訓(xùn)練了一個 32 位浮點數(shù)的 MNIST 分類器，然后將對應(yīng)的 TensorFlow 圖修剪為 16 位浮點數(shù)圖，原始的和修剪后的圖都在 MNIST 測試集的全部 10000 個元素上執(zhí)行相同的預(yù)測，但 fuzzer 可以找到大約 70% 的測試圖像中半徑為 0.4 的無窮范數(shù)球中的不一致性。左圖：fuzzer 的累積語料庫大小隨運行次數(shù)（共 10 次）的變化。那些一路朝右的曲線對應(yīng)失敗的模糊化（fuzzing）運行。右圖：由 fuzzer 找到的被 32 位和 16 位神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類為不同類別的圖像。