论文检验线性表示假设:视觉 SAE 的可解释性有多高
Verifying the Linear Representation Hypothesis: How Interpretable Are Vision SAEs?
作者把 NLP 的 AIS 改到视觉 SAE,并在用户研究中看到 Gemma 与人工 AIS 相关(r=0.6202),同时标准指标彼此及与 AIS 都不强相关。
- 视觉 SAE 常只用重构误差、稀疏度和字典正交性等代理指标评估可解释性,作者认为这些指标是否对齐人类感知并未被检验。论文要验证线性表示假设(LRH)下的指标能否衡量视觉 SAE 概念是否可解释。
- 作者在 patch 级嵌入上训练 Vanilla、TopK 与 MP-SAE,用 LLaVa 1.5 为 4×4 网格写局部描述,再由 Gemma 先解释神经元、再预测激活,以预测与真实激活的 Pearson 相关作为 AIS,并用用户研究对照。
- Table 2 中各配置 R2 多在 0.89 以上,但 Mean AIS 最高 0.4332、Mean MS 最高 0.1060。Figure 3 中除 Sparsity–OOD(0.79)等少数对外,指标与 AIS 的相关未达作者设定的 ±0.6。Figure 2(a) 中 Gemma 与用户 AIS 的 r=0.6202(p=0.0237)。
- 作者指出跨模态描述可能丢失视觉信息、误差会沿描述—解释—模拟传递,低 AIS 不能只归因于 SAE;固定网格不含场景理解。用户相关基于 14 张非退化图、16 名用户。附录 H 只报告了 DINO+CUB 的层间 MS/AIS。
- 被测模型
- Vanilla SAETopK SAEMP-SAE
- 基准
- CUB-200-2011ImageNet100Caltech 101
- 指标
- Mean AISMean MSR2SparsityOOD ScoreCoherenceConnectivityPearson r
论文将原本在自然语言处理中与人类判断一致的 Autointerpretability Score(AIS)迁移到视觉任务,并通过专门的用户研究验证该方法,用以评估视觉 Sparse Autoencoders(SAEs)概念的可解释性。作者同时使用标准指标和改造后的 AIS 进行评测,发现现有 SAE 可解释性指标之间既不相互相关,也不与 AIS 相关,说明没有任何单一的无参考指标足以验证视觉 SAE 的可解释性。作者认为这些发现支持近期关于解释方法应采用更可验证、以真实标注为锚的设计与评估的呼吁。论文为 28 页、含 8 张图和 5 张表,处于审稿中的预印本状态。
深度解读
这篇论文试图解决什么问题?
视觉 SAE 的标准代理指标是否真能衡量概念与人类感知的对齐,尚缺可回查的检验。
视觉 SAE 的可解释性不能只靠稀疏度、重构或字典结构等代理指标来确认,需要能对照人类判断的度量。
- 场景:Mechanistic Interpretability 试图把 DNN 的计算子模块拆成可理解算法。作者引述的 线性表示假设(LRH) 认为,高维神经表示可分解为大量近似正交、且各自对齐人类可解释概念的方向;多义性(polysemanticity) 与 叠加(superposition) 使原生神经元基难以解释。
- 现有不足:作者称视觉 SAE 常只报重构误差、概念向量稀疏度或解码器正交性,很少做用户研究。NLP 已有与人类判断相关的 Autointerpretability Score(AIS)(Bills et al., 2023),作者称视觉 SAE 文献此前缺少同类度量。作者认为 LRH 的过完备、近正交与 K-稀疏至多是必要而非充分条件。
- 核心观察:作者认为,专门用来量化“与人类解释对齐”的指标,也未必与重构误差或字典正交性相关;概念对齐是多方面问题,单一无参考指标不够。
- 本文做法:把 AIS 改到视觉 SAE(patch 描述 + LLM 解释/模拟),用用户调查验证,并比较标准指标与 AIS 是否相关。贡献写为两点:给出可在本地运行的视觉 AIS 流程并做用户验证;报告这些指标互不相关。
有哪些相关研究?
相关工作分视觉 SAE 评测、序列模型上的自动可解释性,以及 LRH 的反例讨论。
作者按视觉 SAE、自动可解释性和 LRH 的边界来组织文献。
视觉 SAE 与评测
- 架构:Vanilla ReLU + L1 SAE(Bricken et al., 2023)被用到视觉 Transformer 嵌入(Stevens et al., 2025; Olson et al., 2025);其后有 JumpReLU(Rajamanoharan et al., 2025)、TopK(Gao et al., 2025; Bussmann et al., 2024)、Matryoshka(Bussmann et al., 2025)、Matching Pursuit(Costa et al., 2025)、Archetypal SAE(Fel et al., 2025)、Universal SAE(Thasarathan et al., 2025)。作者称早期多在 CLIP 等的 CLS 等全局特征上训练;Lim et al. (2025)、Stevens et al. (2025) 改为 patch 级。
- 间接代理:作者称 SAE 虽被当作 MI 工具,评测却常停在重构误差、稀疏度和字典正交性。Nauta & Seifert (2023) 把解释简单性当作诉求;Afroogh et al. (2026) 认为用稀疏换完整性会和过复杂解释一样损害信任。下游任务影响见 Stevens et al. (2025)、Han et al. (2025)、Lim et al. (2025)。
- 带参照的分数:Monosemanticity Score(Pach et al., 2026,含 human-in-the-loop)、相对 WordNet 的相似度(Olson et al., 2025)、Fel et al. (2025) 的 OOD Score、Coherence、Connectivity。Ding et al. (2025) 用 VLM 与分割掩码看 SAE 能否忠实重建视觉概念,并提出 Concept-SAE;Klotz et al. (2026) 在 CUB-200 与 COCO 的标注概念上评测。Haufe et al. (2026)、Afroogh et al. (2026)、Longo et al. (2024) 主张解释器要更形式化、并用真实解释监督。
序列模型上的 AIS
- NLP:Huben et al. (2024) 用 Bills et al. (2023) 的 AIS,在 Pythia-70M 与 OpenWebText 上比较 SAE 与 PCA、ICA,称 SAE 特征多义性更低,尤其在较早层。Paulo et al. (2025) 扩到 RedPajama-v2 上的多种 SAE,并提出更省计算的 AIS 改动。
- 蛋白质:Gujral et al. (2025) 把 TopK SAE 用于 ESM2 的蛋白与氨基酸表示,除 AIS 外还做 Gene Ontology 与 UniProt 注释对照。
视觉神经元自动描述与 LRH 边界
- 附录 A:Network Dissection(Bau et al., 2017)、MILAN(Hernandez et al., 2022)、CLIP-Dissect(Oikarinen & Weng, 2023)需要预标注概念或给出未定位的宽泛解释。作者把 MILAN、CLIP-Dissect 列为可替代的描述器,并提到 InstructBLIP、SAM 3、Bianchi et al. (2026) 的动态区域描述。
- LRH 反例:Hindupur et al. (2025)、Costa et al. (2025)、Wattenberg & Viégas (2024)、Park et al. (2024a)、Csordás et al. (2024)、Engels et al. (2024; 2025) 讨论概念并非线性可分、维度异构或相互影响。Bhalla et al. (2026) 主张分析概念流形。Li et al. (2025)、Korznikov et al. (2026)、Paulo & Belrose (2026)、Chanin & Garriga-Alonso (2026) 讨论 SAE 概念不稳定。
基线方法包括 PCA/ICA(Huben et al. 的线性基线,本文主实验未重跑)、Pach et al. (2026) 的图像级 MS、Huben et al. (2024) 与 Gujral et al. (2025) 的 AIS 文献参照,以及随机打乱 caption。基准/数据集为 CUB-200-2011、ImageNet100、Caltech 101;文献对照还提到 OpenWebText、RedPajama-v2、CUB-200、COCO。
作者把本文定位为:把 AIS 迁到视觉 patch SAE,并用用户调查和多指标相关矩阵检验“字典结构代理能否代替人类可解释性”。
论文如何解决这个问题?
在 patch 嵌入上训练 SAE,用网格描述加 LLM 解释/模拟得到 AIS,再和字典指标对照。
整体思路是:在 patch 级嵌入上训练 SAE,把高激活 patch 写成文字,让同一 LLM 先归纳概念再预测激活,用 Pearson 相关作为 AIS,并与重构和字典结构指标一起看。
问题设定与 LRH
- 对象:图像统一为 224×224×3。嵌入器 ε 把图像分成 s 个 patch,嵌入维数为 p;全体 patch 嵌入为 E。SAE 把每个 patch 映到 m 维稀疏码,通常 m > p。作者沿 Lim et al. (2025) 在 patch 而非整图嵌入上训练,理由是后面要算 AIS。
- 编解码:式 (1) 为 zj = σ(Wenc(ej − bpre) + benc),bpre 通常取训练集几何中位数。式 (2) 为 êj = Wdec zj + bpre。字典 D 是 Wdec 的转置,每行是一个 atom。图像级嵌入用 CLS 或 patch 平均;图像级码对 patch 做 max-pool。
- LRH 三条假设(Costa et al., 2025 的表述):过完备 m ≫ p;近正交,不同 atom 内积不超过 δ 且单位范数;K-稀疏,非零个数 ≤ K ≪ m。作者认为满足这三条并不保证分解对齐人类概念。
AIS 流程
- 训练:只保留编码器生成稀疏码 z。
- 描述:图像切成网格,由描述模型给每个格子写局部说明。作者称这是从语言 AIS 迁到视觉时的新步骤,因为常见视觉 SAE 训在整图嵌入上,对不齐 token 级定位。
- 解释:对相关神经元子集 K*(筛选见附录 D),取按 patch 平均激活最高的 10 张图;解释器看其中 5 张的“描述 + 归一化激活”。激活按 Bills et al. (2023) 映到 0–10 的整数,负值记 0,该神经元最大值记 10。
- 模拟:同一或另一个 LLM 根据已得解释,看另外 5 张高激活图和 5 张随机图的 patch 描述(Huben et al., 2024 的 top-random),预测每个 patch 的激活。
- 分数:单神经元 AIS 是预测激活与真实激活的 Pearson 相关;对 K* 取平均得 Mean AIS。
数据、模型与超参
- 数据:CUB-200-2011,5794 张,用数据集自带划分;ImageNet 的 100 类子集,每类约 200 张,记为 ImageNet100;Caltech 101,4572 张。后两者用固定种子、分层 0.5/0.5 划分训练与验证。作者称实验是单物体、以物体为中心的数据。
- 嵌入器:DINOv2、ViT、SigLIP。SAE:Vanilla、TopK、MP-SAE。描述器:LLaVa 1.5,网格定为 4×4;描述 token 上限 100,提示要求只写可见的纹理、形状和颜色。解释器/模拟器:Gemma 3 与 Gemma 4,主实验用同一模型担任两职。
- 附录 B:沿 overcomplete 库。扩展因子 8,故 m = 8p。DINO 的 p=768、s=256,潜变量 6144;ViT 的 p=1024、s=196,潜变量 8192;SigLIP 的 p=1152、s=256,潜变量 9216。Vanilla 的 L1 系数为 1e-3;TopK 取 K=0.2·m;MP-SAE 用 50 个 pursuit step,阈值 1e-3。输入先减几何中位数再除标准差。优化器 AdamW,学习率 5e-4,100 epoch,batch 1024,验证集上选重构损失最低的检查点。
其他指标与成功判定
- 附录 C:R2 是在 SAE 输入上的重构分数,越高越好。Sparsity 按 Fel (2024) 与式 (4) 实际衡量密度,越高越密。OOD Score、Coherence、Connectivity 越低越好,定义来自 Fel et al. (2025)。MS(Pach et al., 2026)在图像级码上计算,越高越好。
- 附录 D:先按平均图像级激活保留前 10% 神经元,再去掉与类标签相关低于 0.1 的神经元。主表对筛选后的 top 200 算 Mean AIS 与 Mean MS;Table 3 的 Gemma 规模实验改为 top 100。
- 用户研究(附录 G):16 名机器学习方向参与者。任务用 CUB 上的 MP-SAE + DINO,神经元为 2174(Gemma 解释为 branches)和 9948(water)。每人先看 5 张高激活图及 0–2 的 patch 分数并写解释,再在 5 张新的高激活图加 5 张随机图上预测分数。人类 AIS 与 LLM AIS 都在 [0, 2] 上计算,以便和离散的人类打分对齐。全零真实激活的图被标成退化情形。
论文做了哪些实验?
主实验覆盖 3 类 SAE、3 个嵌入器、3 个数据集;高 R2 与低 AIS/MS 同时出现,指标相关弱。
实验设置
- 被测组合:嵌入器 DINOv2、ViT、SigLIP;SAE 为 Vanilla、TopK、MP-SAE;数据为 CUB-200-2011(5794)、ImageNet100(100 类、每类约 200)、Caltech 101(4572)。解释与模拟主结果用 Gemma;Table 3 比较 Gemma3/4 的 2B–26B。描述器用 LLaVa 1.5。
- 指标:Sparsity(越高越密)、R2(↑)、OOD Score(↓)、Coherence(↓)、Connectivity(↓)、Mean MS(↑)、Mean AIS(↑)。主表 AIS/MS 在筛选后的 top 200 特征上;Table 3 为 top 100。相关矩阵用 Table 2 的配置,作者把 |r|≥0.6 当作高相关(Akoglu, 2018)。
- 对照:随机打乱 patch caption(Gemma4-12b);文献 AIS 参照为 Huben et al. (2024) 的 GPT-4/3.5(约 0.15,150 个特征)和 Gujral et al. (2025) 的 Claude 3.5(蛋白约 0.66、氨基酸约 0.63,200 个特征)。MS 与 Pach et al. (2026) 图像级 SAE 的大致区间 [0.1, 0.6] 对照。
- 用户研究:16 人、2 个 MP-SAE 神经元、每神经元 20 张模拟图中的分数;Figure 2(a) 去掉 6 张全零图后剩 14 张。论文未报告主实验的随机重复次数。
主结果
Table 2 的 Mean AIS 与 Mean MS(R2 均高,Connectivity 多数为 1.0000):
表格较宽,可左右滑动
SAE × 嵌入器 数据集 Mean AIS Mean MS R2 Vanilla × DINO CUB / IN100 / Caltech 0.3493 / 0.2801 / 0.2049 0.0500 / 0.0059 / 0.0124 0.9706 / 0.9254 / 0.9511 Vanilla × ViT CUB / IN100 / Caltech 0.1621 / 0.2105 / 0.1510 0.1060 / 0.0808 / 0.0825 0.9629 / 0.9296 / 0.9322 Vanilla × SigLIP CUB / IN100 / Caltech 0.3518 / 0.3545 / 0.2522 0.0146 / 0.0033 / 0.0068 0.9901 / 0.9777 / 0.9736 TopK × DINO CUB / IN100 / Caltech 0.1619 / 0.0820 / 0.0636 0.0221 / 0.0026 / 0.0051 0.9596 / 0.9180 / 0.9135 TopK × ViT CUB / IN100 / Caltech 0.0226 / 0.0505 / 0.0477 0.0580 / 0.0489 / 0.0450 0.9521 / 0.9188 / 0.9034 TopK × SigLIP CUB / IN100 / Caltech 0.1458 / 0.0587 / 0.0779 0.0089 / 0.0023 / 0.0046 0.9894 / 0.9728 / 0.9660 MP × DINO CUB / IN100 / Caltech 0.3476 / 0.4332 / 0.3763 0.0090 / 0.0010 / 0.0021 0.9858 / 0.9792 / 0.9798 MP × ViT CUB / IN100 / Caltech 0.2817 / 0.4222 / 0.3834 0.0152 / 0.0101 / 0.0106 0.9265 / 0.8909 / 0.9047 MP × SigLIP CUB / IN100 / Caltech 0.2750 / 0.3213 / 0.2764 0.0028 / 0.0004 / 0.0011 0.9749 / 0.9564 / 0.9494 表中 IN100 即 ImageNet100。Table 2 共 27 行,上表按嵌入器合并了三个数据集,数字均来自该表。Sparsity:Vanilla 约 0.498–0.502,TopK 约 0.197–0.200,MP 均为 0.0081。OOD 从 0.5944(MP×DINO×ImageNet100)到 0.8662(Vanilla×SigLIP×CUB)。Vanilla 的 Coherence 为 0.2111 或 0.3146;TopK 与 MP 多在 0.75–1.00。Connectivity 除 TopK×SigLIP 的 0.5584、0.8312、0.9738 和 TopK×ViT×CUB 的 0.9972 外均为 1.0000。
- 作者解读:高 R2 并不带来可解释性;AIS 与 MS 都未超过 0.5,MS 处于 4×10−4 到 1.06×10−1,低于 Pach et al. 在相近扩展因子、最终嵌入上的大约 [0.1, 0.6]。作者称本文视觉 AIS 高于 Huben et al. 的文本 SAE,低于 Gujral et al. 的蛋白质 SAE。
- 稀疏度:MP-SAE 的 Sparsity(密度)为 0.0081,AIS 仍与其他 SAE 同量级。作者用来重复第 2 节的说法:简单性与完整性之间的平衡难以用单一数字描述。
- Connectivity:多数为 1,作者称之为 SAE 概念仍然多义的一条证据。
指标相关
Figure 3 给出 Table 2 上的相关:R2 与各指标为 0.12、0.03、−0.10、−0.31、−0.18、0.22;Sparsity 与 OOD 0.79、与 Coherence −0.91、与 Connectivity 0.05、与 MS 0.48、与 AIS −0.18;OOD 与 Coherence −0.86、与 MS 0.51、与 AIS 0.04;Coherence 与 AIS −0.16;Connectivity 与 AIS 0.23;MS 与 AIS −0.33。作者称除 Sparsity–OOD、Sparsity–Coherence、OOD–Coherence 外,相关不超过中等;后两组的符号与 LRH 所期望的“稀疏且低相干、OOD 与 Coherence 同向”相反。MS、AIS 彼此及与其他指标都未达到作者设定的高相关。
用户研究与 LLM 规模
- 人类对照:Figure 2(a) 上 Gemma 与参与者的 image-level AIS 相关 r=0.6202,p=0.0237,95% 区间 [0.133, 0.866](Fisher z)。作者称样本小,估计不精确,但仍认为基于描述的 AIS 与人类感知相近。Table 1:神经元 2174 的 AIS LLM 0.6644、用户均值 0.5082±0.1480;神经元 9948 为 0.8800 与 0.6263±0.3091。6 张全零图中 LLM 认对 4 张;16 人里 7 人认对全部或几乎全部。作者称这支持模拟器不会在概念缺失处编造激活。
- Gemma 规模(Table 3,Vanilla+DINO+CUB,top 100):随机打乱 caption 的 Gemma4-12b 为 −0.0136。Gemma4-2b 0.2012,Gemma3-4b 0.2327,Gemma4-4b 0.3278,Gemma3-12b 0.3313,Gemma4-12b 0.3539,Gemma4-26b 0.3269。作者称 4B 可接近 3 倍或 6 倍参数量的模型;12B 及以下在本地跑,26B 经云端 API。Figure 6 统计 Gemma 解释里最高频的 20 个词,作者称多为笼统词。
其他消融与分析
- 附录 E / Table 4:Mean AIS 的 bootstrap 95% 区间很宽,例如 Vanilla×DINO×CUB 为 [0.1225, 0.5684];部分 TopK 的标准差大于均值,如 TopK×ViT×CUB 的 0.0226±0.3125。
- 附录 F:按数据集看最高频概念。CUB 上 branches 占最高频词的 14.76%,water 6.80%,sky 6.11%;ImageNet100 为 sky 7.35%、grass 6.65%、water 6.09%;Caltech 为 sky 11.22%、branches 10.15%、grass 6.48%。作者称 SAE 经常学到背景而不是前景物体。
- 附录 H / Table 5(仅 DINO+CUB,Gemma4-12b):Vanilla SAE 的 MS/AIS 在最终层为 0.0500/0.3493,第 8 层 0.0447/0.2968,第 5 层 0.0552/0.3965,第 2 层 0.0605/0.2994。无 SAE 的原始嵌入 MS 更高(0.0602–0.0612)、AIS 更低(0.2376–0.2971)。无 SAE 时越早的层 NaN 越多:最终层 2、第 8 层 127、第 5 层 167、第 2 层 181,作者核实均来自 (0,0) 激活对。
- 附录 D 的筛选把参与 AIS 的神经元限制在与类标签相关的子集;论文未把“未筛选的全部神经元”作为主结果报告。
有什么可以进一步探索的点?
作者认为低 AIS 不能只归咎于 SAE,固定网格和跨模态描述都会带入误差。
作者指出的局限与后续方向
- 跨模态有损(第 5 节 Vision AIS Limitations):图像嵌入经文字描述再交给 LLM,作者认为可能丢掉视觉信息;Figure 6 里解释用词偏笼统,会影响到模拟分数。
- 误差来源分不清(同节):描述器、解释器和模拟器都会影响 AIS。作者写明,因此并不完全清楚低 AIS 能在多大程度上只归因于 SAE 概念难解释。
- 固定网格(同节):4×4 网格被用来对应序列 AIS 的切分,但不包含场景理解。作者提出可改用把切块和描述合成一步的动态不规则区域,或让较新的 VLM 直接看图,不再经过描述。
- 小样本相关(第 5 节用户研究):Figure 2(a) 的正相关“估计得相当不精确”,作者把原因归于样本量小。
- 没有通用 SAE(第 6 节):作者认为不存在一种 SAE 设计能在各种数据和模型上都给出有用解释;需要把任务领域知识和基于现实的指标织进训练与评测。并称还需要超出标准 LRH 假设、更深入的效率与可解释性研究。
- 解释方法的更大议程(第 6 节):作者支持更形式化的解释方法、对 XAI 指标的进一步理解、解释中的噪声与不确定性、对解释器的监督与真实数据,以及按任务和受众定制(引 Haufe et al., 2026; Afroogh et al., 2026; Biessmann & Refiano, 2021; Longo et al., 2024)。
实验覆盖范围
- 主表:3 种 SAE × 3 个嵌入器 × 3 个数据集,共 27 个配置;AIS/MS 在附录 D 筛选后的 top 200 特征上计算,Table 3 为 top 100。
- 用户研究:16 名参与者、2 个神经元(MP-SAE + DINO + CUB)、激活分档为 0–2;Figure 2(a) 使用 14 张非退化图。
- LLM:Table 3 报告 Gemma3-4b、Gemma3-12b 与 Gemma4 的 2b、4b、12b、26b;解释器与模拟器为同一模型。描述器固定为 LLaVa 1.5、网格 4×4。
- 层间对照:附录 H 只给出 DINO 嵌入、CUB、Vanilla SAE 与无 SAE 原始嵌入在最终层及第 8、5、2 层的 MS 与 AIS。
- 论文未报告主实验的重复次数,也未报告每个配置的 SAE 训练随机种子数量;外部 AIS 数字来自不同特征数(150 或 200)和最终层嵌入,作者在 Table 3 中单独列出。
总结一下论文的主要内容
视觉 SAE 重构很好,但 AIS、MS 与字典指标互不对齐,单一代理不足以核验 LRH。
这篇工作把 NLP 的 AIS 改到视觉 SAE,用来检查 LRH 的结构代理是否等于人类可解释性。
- 问题:SAE 被用来把叠加的多义特征拆成稀疏方向,但视觉评测常停在重构、稀疏和字典正交,作者认为这些条件即使满足,也没有保证概念对齐人类感知。
- 方法:在 DINOv2、ViT、SigLIP 的 patch 嵌入上训练 Vanilla、TopK 和 MP-SAE(扩展因子 8)。LLaVa 1.5 以 4×4 网格写局部描述;Gemma 根据 5 张高激活图归纳概念,再在 5 张高激活图加 5 张随机图上预测激活。AIS 是预测与真实 patch 激活的 Pearson 相关。
- 主结果:Table 2 的 27 个配置里 R2 从 0.8909 到 0.9901,Mean AIS 从 0.0226(TopK×ViT×CUB)到 0.4332(MP×DINO×ImageNet100),Mean MS 最高 0.1060。Connectivity 大多为 1.0000。Figure 3 中 Sparsity 与 OOD 相关 0.79,Sparsity 与 Coherence 为 −0.91,MS 与 AIS 为 −0.33。
- 验证:16 人调查中,Gemma 与用户 AIS 的 r=0.6202(14 张图,p=0.0237)。两个神经元上 LLM 的 AIS(0.6644、0.8800)高于用户均值。打乱 caption 后 Gemma4-12b 的 Mean AIS 为 −0.0136;同设置下 Gemma4-12b 为 0.3539,Gemma4-4b 为 0.3278。
- 结论:作者认为没有任何单一、无真实参照的指标足以核验视觉 SAE 是否可解释,并主张用更可检验、锚定真实概念的方式设计与评估解释方法;低 AIS 也不能排除描述和 LLM 环节引入的误差。