基于GAN的对抗样本生成研究

深度卷积神经网络在图像分类、目标检测和人脸识别等任务上取得了较好性能,但其在面临对抗攻击时容易发生误判。为了提高卷积神经网络的安全性,针对图像分类中的定向对抗攻击问题,提出一种基于生成对抗网络的对抗样本生成方法。利用类别概率向量重排序函数和生成对抗网络,在待攻击神经网络内部结构未知的前提下对其作对抗攻击。实验结果显示,提出的方法在对样本的扰动不超过5%的前提下,定向对抗攻击的平均成功率较对抗变换网络提高了1.5%,生成对抗样本所需平均时间降低了20%。     

基于Rectified Adam和颜色不变性的对抗迁移攻击

深度神经网络在物体检测、图像分类、自然语言处理、语音识别等众多领域上得到广泛应用.然而,深度神经网络很容易受到对抗样本(即在原有样本上施加人眼无法察觉的微小扰动)的攻击,而且相同的扰动可以跨模型、甚至跨任务地欺骗多个分类器.对抗样本这种跨模型迁移特性,使得深度神经网络在实际生活的应用受到了很大限制.对抗样本对神经网络的威胁,激发了研究者对对抗攻击的研究兴趣.虽然研究者们已提出了不少对抗攻击方法,但是大多数这些方法(特别是黑盒攻击方法)的跨模型的攻击能力往往较差,尤其是对经过对抗训练、输入变换等的防御模型.为此,提出了一种提高对抗样本可迁移性的方法:RLI-CI-FGSM. RLI-CI-FGSM是一种基于迁移的攻击方法,在替代模型上,使用基于梯度的白盒攻击RLI-FGSM生成对抗样本,同时使用CIM扩充源模型,使RLI-FGSM能够同时攻击替代模型和扩充模型.具体而言,RLI-FGSM算法将Radam优化算法与迭代快速符号下降法相结合,并利用目标函数的二阶导信息来生成对抗样本,避免优化算法陷入较差的局部最优.基于深度神经网络具有一定的颜色变换不变性,CIM算法通过优化对颜色变换图像集合...     

面向中文文本倾向性分类的对抗样本生成方法

研究表明，在深度神经网络（DNN）的输入中添加小的扰动信息，能够使得DNN出现误判，这种攻击被称为对抗样本攻击.而对抗样本攻击也存在于基于DNN的中文文本的情感倾向性检测中，因此提出了一种面向中文文本的对抗样本生成方法WordHanding.该方法设计了新的词语重要性计算算法，并用同音词替换以生成对抗样本，用于在黑盒情况下实施对抗样本攻击.采用真实的数据集（京东购物评论和携程酒店评论），在长短记忆网络（LSTM）和卷积神经网络（CNN）这两种DNN模型上验证该方法的有效性.实验结果表明，生成的对抗样本能够很好地误导中文文本的倾向性检测系统.     

聚焦图像对抗攻击算法PS-MIFGSM

针对目前主流对抗攻击算法通过扰动全局图像特征导致攻击隐蔽性降低的问题,提出一种聚焦图像的无目标攻击算法——PS-MIFGSM。首先,通过Grad-CAM算法捕获卷积神经网络(CNN)在分类任务中对图像的重点关注区域;然后,使用MI-FGSM攻击分类网络,生成对抗扰动,并且将扰动作用于图像的重点关注区域,而图像的非关注区域保持不变,从而生成新的对抗样本。在实验部分,以三种图像分类模型Inception_v1、Resnet_v1和Vgg_16为基础,对比了PS-MIFGSM和MI-FGSM两种方法分别进行单模型攻击和集合模型攻击的效果。实验结果表明,PSMIFGSM能够在攻击成功率不变的同时,有效降低对抗样本与真实样本的差异大小。     

一种融合对抗层的图像通用对抗扰动生成算法

随着深度神经网络的广泛应用,其安全性问题日益突出.研究图像对抗样本生成可以提升神经网络的安全性.针对现有通用对抗扰动算法攻击成功率不高的不足,提出一种在深度神经网络中融合对抗层的图像通用对抗扰动生成算法.首先,在神经网络中引入对抗层的概念,提出一种基于对抗层的图像对抗样本产生框架;随后,将多种典型的基于梯度的对抗攻击算法融入到对抗层框架,理论分析了所提框架的可行性和可扩展性;最后,在所提框架下,给出了一种基于RMSprop的通用对抗扰动产生算法.在多个图像数据集上训练了5种不同结构的深度神经网络分类模型,并将所提对抗层算法和4种典型的通用对抗扰动算法分别用于攻击这些分类模型,比较它们的愚弄率.对比实验表明,所提通用对抗扰动生成算法具有兼顾攻击成功率和攻击效率的优点,只需要1%的样本数据就可以获得较高的攻击成率.     

一种基于局部扰动的图像对抗样本生成方法

近年来, 随着人工智能的研究和发展, 深度学习被广泛应用。深度学习在自然语言处理、计算机视觉等多个领域表现出良好的效果。特别是计算机视觉方面, 在图像识别和图像分类中, 深度学习具备非常高的准确性。然而越来越多的研究表明, 深度神经网络存在着安全隐患, 其中就包括对抗样本攻击。对抗样本是一种人为加入特定扰动的数据样本, 这种特殊样本在传递给已训练好的模型时, 神经网络模型会输出与预期结果不同的结果。在安全性要求较高的场景下, 对抗样本显然会对采用深度神经网络的应用产生威胁。目前国内外对于对抗样本的研究主要集中在图片领域, 图像对抗样本就是在图片中加入特殊信息的图片数据, 使基于神经网络的图像分类模型做出错误的分类。已有的图像对抗样本方法主要采用全局扰动方法,即将这些扰动信息添加在整张图片上。相比于全局扰动, 局部扰动将生成的扰动信息添加到图片的非重点区域, 从而使得对抗样本隐蔽性更强, 更难被人眼发现。本文提出了一种生成局部扰动的图像对抗样本方法。该方法首先使用 Yolo 目标检测方法识别出图片中的重点位置区域, 然后以 MIFGSM 方法为基础, 结合 Curls 方法中提到的先梯度下降再梯度上升的思想,在非重点区域添加扰动信息, 从而生成局部扰动的对抗样本。实验结果表明, 在对抗扰动区域减小的情况下可以实现与全局扰动相同的攻击成功率。     

基于通用对抗扰动的图像验证码保护方法

卷积神经网络的发展使得图像验证码已经不再安全。基于卷积神经网络中存在的通用对抗扰动,提出了一种图像验证码的保护方法。提出了一种快速生成通用对抗扰动的算法,将方向相似的对抗扰动向量进行叠加以加快生成通用对抗扰动的速度。基于此算法设计了图像验证码的保护方案,将通用对抗扰动加入到验证码的图像中使其无法被卷积神经网络模型识别。在ImageNet数据集上进行的仿真实验结果表明,该方案比现有工作DeepCAPTCHA具有更低的破解率,能有效保护图像验证码不被主流的卷积神经网络模型破解。     

基于图像翻转变换的对抗样本生成方法

面对对抗样本的攻击,深度神经网络是脆弱的。对抗样本是在原始输入图像上添加人眼几乎不可见的噪声生成的,从而使深度神经网络误分类并带来安全威胁。因此在深度神经网络部署前,对抗性攻击是评估模型鲁棒性的重要方法。然而,在黑盒情况下,对抗样本的攻击成功率还有待提高,即对抗样本的可迁移性有待提升。针对上述情况,提出基于图像翻转变换的对抗样本生成方法——FT-MI-FGSM（Flipping Transformation Momentum Iterative Fast Gradient Sign Method）。首先,从数据增强的角度出发,在对抗样本生成过程的每次迭代中,对原始输入图像随机翻转变换;然后,计算变换后图像的梯度;最后,根据梯度生成对抗样本以减轻对抗样本生成过程中的过拟合,并提升对抗样本的可迁移性。此外,通过使用攻击集成模型的方法,进一步提高对抗样本的可迁移性。在ImageNet数据集上验证了所提方法的有效性。相较于I-FGSM（Iterative Fast Gradient Sign Method）和MI-FGSM（Momentum I-FGSM）,在攻击集成模型设置下,FT-MI-FGSM在对抗训练网络上的平均黑盒攻击成功率分别提升了26.0和8.4个百分点。     

对抗攻击威胁基于卷积神经网络的网络流量分类

深度学习算法被广泛地应用于网络流量分类,具有较好的分类效果,应用卷积神经网络不仅能大幅提高网络流量分类的准确性,还能简化其分类过程.然而,神经网络面临着对抗攻击等安全威胁,这些安全威胁对基于神经网络的网络流量分类的影响有待进一步的研究和验证.文中提出了基于卷积神经网络的网络流量分类的对抗攻击方法,通过对由网络流量转换成的深度学习输入图像添加人眼难以识别的扰动,使得卷积神经网络对网络流量产生错误的分类.同时,针对这种攻击方法,文中也提出了基于混合对抗训练的防御措施,将对抗攻击形成的对抗流量样本和原始流量样本混合训练以增强分类模型的鲁棒性.文中采用公开数据集进行实验,实验结果表明,所提对抗攻击方法能导致基于卷积神经网络的网络流量分类方法的准确率急剧下降,通过混合对抗训练则能够有效地抵御对抗攻击,从而提高模型的鲁棒性.     

基于生成式对抗网络的通用性对抗扰动生成方法

深度神经网络在图像分类应用中具有很高的准确率,然而,当在原始图像中添加微小的对抗扰动后,深度神经网络的分类准确率会显著下降。研究表明,对于一个分类器和数据集存在一种通用性对抗扰动,其可对大部分原始图像产生攻击效果。文章设计了一种通过生成式对抗网络来制作通用性对抗扰动的方法。通过生成式对抗网络的训练,生成器可制作出通用性对抗扰动,将该扰动添加到原始图像中制作对抗样本,从而达到攻击的目的。文章在CIFAR-10数据集上进行了无目标攻击、目标攻击和迁移性攻击实验。实验表明,生成式对抗网络生成的通用性对抗扰动可在较低范数约束下达到89%的攻击成功率,且利用训练后的生成器可在短时间内制作出大量的对抗样本,利于深度神经网络的鲁棒性研究。     

基于孪生结构的对抗样本攻击动态防御方法

神经网络模型已被广泛应用于多个研究领域,但神经网络模型本身存在易受到对抗样本攻击的缺点,如在图像分类中,只需在原始图片中添加微小的对抗扰动生成对抗样本,就可以轻易欺骗神经网络分类模型,这给许多领域的应用安全带来严重的威胁。因此,研究如何提高神经网络分类模型对对抗样本攻击的防御能力成为深度学习安全领域的研究热点。目前常用的对抗样本攻击防御方法往往只侧重于提高模型对对抗样本分类的鲁棒性,或者只侧重于检测拦截对抗样本,而对抗训练需要收集大量对抗样本,且难以防御新类型的对抗样本攻击,对于使用额外的分类器去检测对抗样本的方法,则存在着易受到二次攻击等缺点。针对这些问题,提出一种基于孪生神经网络结构的对抗样本攻击动态防御方法,利用孪生结构可比较两个输入相似性的特点,从孪生神经网络两侧的预测差异着手,检测图片在动态滤波前后是否存在不同的攻击效果,从而筛选出带有动态扰动的对抗样本。实验结果表明,在没有收集特定种类的对抗样本进行训练的情况下,该方法对多种对抗样本攻击取得了良好的通用防御效果,其中在FGSM对抗样本测试集上的防御准确率达到95.35%,在DeepFool和JSMA对抗样本测试集上的防御准确率达到93.52%和93.73%,且镜像防御模块中的动态滤波器能够有效地平滑对抗扰动、防御二次攻击,提高了方法的整体安全性。     

生成对抗网络及其在图像生成中的应用研究综述

生成对抗网络(GAN)是无监督学习领域最近几年快速发展的一个研究方向,其主要特点是能够以一种间接的方式对一个未知分布进行建模.在计算机视觉研究领域中,生成对抗网络有着广泛的应用,特别是在图像生成方面,与其他的生成模型相比,生成对抗网络不仅可以避免复杂的计算,而且生成的图像质量也更好.因此,本文将对生成对抗网络及其在图像生成中的研究进展做一个小结和分析:本文首先从模型的架构、目标函数的设计、生成对抗网络在训练中存在的问题、以及如何处理模式崩溃问题等角度对生成对抗网络进行一个详细地总结和归纳;其次介绍生成对抗网络在图像生成中的两种方法;随后对一些典型的、用来评估生成图像质量和多样性的方法进行小结,并且对基于图像生成的应用进行详细分析;最后对生成对抗网络和图像生成进行总结,同时对其发展趋势进行一个展望.     

基于决策的目标检测器黑盒对抗攻击方法

深度神经网络在目标检测领域有大量的应用已经落地,然而由于深度神经网络本身存在不可解释性等技术上的不足,导致其容易受到外界的干扰而失效,充分研究对抗攻击方法有助于挖掘深度神经网络易失效的原因以提升其鲁棒性。目前大多数对抗攻击方法都需要使用模型的梯度信息或模型输出的置信度信息,而工业界应用的目标检测器通常不会完全公开其内部信息和置信度信息,导致现有的白盒攻击方法不再适用。为了提升工业目标检测器的鲁棒性,提出一种基于决策的目标检测器黑盒对抗攻击方法,其特点是不需要使用模型的梯度信息和置信度信息,仅利用目标检测器输出的检测框位置信息,策略是从使目标检测器定位错误的角度进行攻击,通过沿着对抗边界进行迭代搜索的方法寻找最优对抗样本从而实现高效的攻击。实验结果表明所提出的方法使典型目标检测器Faster R-CNN在VOC2012数据集上的mAR从0.636降低到0.131,mAP从0.801降低到0.071,有效降低了目标检测器的检测能力,成功实现了针对目标检测器的黑盒攻击。     

基于特征分布差异的对抗样本检测

诸多神经网络模型已被证明极易遭受对抗样本攻击。对抗样本则是攻击者为模型所恶意构建的输入,通过对原始样本输入添加轻微的扰动,导致其极易被机器学习模型错误分类。这些对抗样本会对日常生活中的高要求和关键应用的安全构成严重威胁,如自动驾驶、监控系统和生物识别验证等应用。研究表明在模型的训练期间,检测对抗样本方式相比通过增强模型来预防对抗样本攻击更为有效,且训练期间神经网络模型的中间隐层可以捕获并抽象样本信息,使对抗样本与干净样本更容易被模型所区分。因此,本文针对神经网络模型中的不同隐藏层,其对抗样本输入和原始自然输入的隐层表示进行统计特征差异进行研究。本文研究表明,统计差异可以在不同层之间进行区别。本文通过确定最有效层识别对抗样本和原始自然训练数据集统计特征之间的差异,并采用异常值检测方法,设计一种基于特征分布的对抗样本检测框架。该框架可以分为广义对抗样本检测方法和条件对抗样本检测方法,前者通过在每个隐层中提取学习到的训练数据表示,得到统计特征后,计算测试集的异常值分数,后者则通过深层神经网络模型对测试数据的预测结果比较,得到对应训练数据的统计特征。本文所计算的统计特征包括到原点的范数距离L2和样本协方差矩阵的顶奇异向量的相关性。实验结果显示了两种检测方法均可以利用隐层信息检测出对抗样本,且对由不同攻击产生的对抗样本均具有较好的检测效果,证明了本文所提的检测框架在检测对抗样本中的有效性。     

Transfer-based Adversarial Attack with Rectified Adam and Color Invariance

Deep Neural Networks (DNNs) have been widely used in object detection, image classification, natural language processing, speech recognition, and other fields. Nevertheless, DNNs are vulnerable to adversarial examples which are formed by adding imperceptible perturbations to original samples. Moreover, the same perturbation can deceive multiple classifiers across models and even across tasks. The cross-model transfer characteristics of adversarial examples limit the application of DNNs in real life, and the threat of adversarial examples to DNNs has stimulated researchers'' interest in adversarial attacks. Recently, researchers have proposed several adversarial attack methods, but most of these methods (especially the black-box attack) have poor cross-model attack ability for defense models with adversarial training or input transformation in particular. Therefore, this study proposes a method to improve the transferability of adversarial examples, namely, RLI-CI-FGSM. RLI-CI-FGSM is a transfer-based attack method, which employs the gradient-based white-box attack RLI-FGSM to generate adversarial examples on the substitution model and adopts CIM to expand the source model so that RLI-FGSM can attack both the substitution model and the extended model at the same time. Specifically, RLI-FGSM integrates the RAdam optimization algorithm into the Iterative Fast Gradient Sign Method (I-FGSM) and makes use of the second-derivative information of the objective function to generate adversarial examples, which prevents the optimization algorithm from falling into a poor local optimum. Based on the color invariance property of DNNs, CIM optimizes the perturbations of image sets with color transformation to generate adversarial examples that can be transferred and are less sensitive to the attacked white-box model. Experimental results show that the proposed method has a high success rate on both normal and adversarial network models.     

局部可视对抗扰动生成方法

深度神经网络极易受到局部可视对抗扰动的攻击.文中以生成对抗网络为基础,提出局部可视对抗扰动生成方法.首先,指定被攻击的分类网络作为判别器,并在训练过程中固定参数不变.再构建生成器模型,通过优化欺骗损失、多样性损失和距离损失,使生成器产生局部可视对抗扰动,并叠加在不同输入样本的任意位置上攻击分类网络.最后,提出类别比较法,分析局部可视对抗扰动的有效性.在公开的图像分类数据集上实验表明,文中方法攻击效果较好.     

基于平移随机变换的对抗样本生成方法

基于深度神经网络的图像分类模型能够以达到甚至高于人眼的识别度识别图像,但是因模型自身结构的脆弱性,导致其容易受对抗样本的攻击。现有的对抗样本生成方法具有较高的白盒攻击率,而在黑盒条件下对抗样本的攻击成功率较低。将数据增强技术引入到对抗样本生成过程中,提出基于平移随机变换的对抗样本生成方法。通过构建概率模型对原始图像进行随机平移变换,并将变换后的图像用于生成对抗样本,有效缓解对抗样本生成过程中的过拟合现象。在此基础上,采用集成模型攻击的方式生成可迁移性更强的对抗样本,从而提高黑盒攻击成功率。在ImageNet数据集上进行单模型和集成模型攻击的实验结果表明,该方法的黑盒攻击成功率高达80.1%,与迭代快速梯度符号方法和动量迭代快速梯度符号方法相比,该方法的白盒攻击成功率虽然略有降低,但仍保持在97.8%以上。     

基于深度强化学习的黑盒对抗攻击算法

针对图像识别领域中的黑盒对抗攻击问题,基于强化学习中DDQN框架和Dueling网络结构提出一种黑盒对抗攻击算法。智能体通过模仿人类调整图像的方式生成对抗样本,与受攻击模型交互获得误分类结果,计算干净样本和对抗样本的结构相似性后获得奖励。攻击过程中仅获得了受攻击模型的标签输出信息。实验结果显示,攻击在CIFAR10和CIFAR100数据集上训练的4个深度神经网络模型的成功率均超过90%,生成的对抗样本质量与白盒攻击算法FGSM相近且成功率更有优势。