自动语音辨识对抗攻击和防御技术综述

语音辨识技术是人机交互的重要方式。随着深度学习的不断发展,基于深度学习的自动语音辨识系统也取得了重要进展。然而,经过精心设计的音频对抗样本可以使得基于神经网络的自动语音辨识系统产生错误,给基于语音辨识系统的应用带来安全风险。为了提升基于神经网络的自动语音辨识系统的安全性,需要对音频对抗样本的攻击和防御进行研究。基于此,分析总结对抗样本生成和防御技术的研究现状,介绍自动语音辨识系统对抗样本攻击和防御技术面临的挑战和解决思路。     

基于噪声破坏和波形重建的声纹对抗样本防御方法

语音是人类最重要的交流方式之一。语音信号中除了文本内容外,还包含了说话人的身份、种族、年龄、性别和情感等丰富的信息,其中说话人身份的识别也被称为声纹识别,是一种生物特征识别技术。声纹具有获取方便、容易保存、使用简单等特点,而深度学习技术的进步也极大地促进了识别准确率的提升,因此,声纹识别已被应用于智慧金融、智能家居、语音助手和司法调查等领域。另一方面,针对深度学习模型的对抗样本攻击受到了广泛关注,在输入信号中添加不可感知的微小扰动即可导致模型预测结果错误。对抗样本的出现对基于深度学习的声纹识别也将造成巨大的安全威胁。现有声纹对抗样本防御方法会不同程度地影响正常样本的识别,并且局限于特定的攻击方法或识别模型,鲁棒性较差。为了使对抗防御能够兼顾纠正错误输出和准确识别正常样本两个方面,本文提出一种“破坏+重建”的两阶段对抗样本防御方法。第一阶段,在对抗样本中添加具有一定信噪比幅度限制的高斯白噪声,破坏对抗扰动的结构进而消除样本的对抗性。第二阶段,利用提出的名为SCAT-Wave-U-Net的语音增强模型重建原始语音样本,通过在Wave-U-Net模型结构中引入Transformer全局多头自...     

语音对抗攻击与防御方法综述

人工智能的不断发展,使得人与机器的交互变得至关重要。语音是人与智能通讯设备之间通信的重要手段,在近几年飞速发展,说话人识别、情感识别、语音识别得到广泛地普及与应用。特别的,随着深度学习的兴起,基于深度学习的语音技术使机器理解语音内容、识别说话人方面达到近似人的水平,无论是效率还是准确度都得到了前所未有的提升。例如手机语音助手、利用语音控制智能家电、银行业务,以及来远程验证用户防止诈骗等。但是正是因为语音的广泛普及,它的安全问题受到了公众的关注,研究表明,用于语音任务的深度神经网络(Deep neural network, DNN)容易受到对抗性攻击。即攻击者可以通过向原始语音中添加难以察觉的扰动,欺骗DNN模型,生成的对抗样本人耳听不出区别,但是会被模型预测错误,这种现象最初出现在视觉领域,目前引起了音频领域的研究兴趣。基于此,本文对近年来语音领域的对抗攻击、防御方法相关的研究和文献进行了详细地总结。首先我们按照应用场景对语音任务进行了划分,介绍了主流任务及其发展背景。其次我们解释了语音对抗攻击的定义,并根据其应用场景对数字攻击与物理攻击分别进行了介绍。然后我们又按照对抗防御,对抗检测...     

面向语音识别系统的对抗样本攻击及防御综述

自动语音识别系统(ASR)能将输入语音转换为对应的文本,其性能因深度学习技术的发展得到了显著提高.然而,通过在输入语音中添加微小扰动而生成的对抗样本,可以使人类毫无察觉的同时让ASR系统产生不可预测的,甚至是攻击性的指令.这种新型的对抗样本攻击给基于深度学习的ASR系统带来了诸多安全隐患.本文对语音对抗样本作了系统性的...     

基于边界值不变量的对抗样本检测方法

目前,深度学习成为计算机领域研究与应用最广泛的技术之一,在图像识别、语音、自动驾驶、文本翻译等方面都取得良好的应用成果。但人们逐渐发现深度神经网络容易受到微小扰动图片的影响,导致分类出现错误,这类攻击手段被称为对抗样本。对抗样本的出现可能会给安全敏感的应用领域带来灾难性的后果。现有的防御手段大多需要对抗样本本身作为训练集,这种对抗样本相关的防御手段是无法应对未知对抗样本攻击的。借鉴传统软件安全中的边界检查思想,提出了一种基于边界值不变量的对抗样本检测防御方法,该方法通过拟合分布来寻找深度神经网络中的不变量,且训练集的选取与对抗样本无关。实验结果表明,在 LeNet、vgg19 模型和 Mnist、Cifar10 数据集上,与其他对抗检测方法相比,提出的方法可有效检测目前的常见对抗样本攻击,并且具有低误报率。     

面向目标检测的对抗样本综述

目标检测是一种广泛应用于工业控制和航空航天等安全攸关场景的重要技术。随着深度学习在目标检测领域的应用,检测精度得到较大提升,但由于深度学习固有的脆弱性,使得基于深度学习的目标检测技术的可靠性和安全性面临新的挑战。本文对面向目标检测的对抗样本生成及防御的研究分析和总结,致力于为增强目标检测模型的鲁棒性和提出更好的防御策略提供思路。首先,介绍对抗样本的概念、产生原因以及目标检测领域对抗样本生成常用的评价指标和数据集。然后,根据对抗样本生成的扰动范围将攻击分为全局扰动攻击和局部扰动攻击,并在此分类基础上,分别从攻击的目标检测器类型、损失函数设计等方面对目标检测的对抗样本生成方法进行分析和总结,通过实验对比了几种典型目标检测对抗攻击方法的性能,同时比较了这几种方法的跨模型迁移攻击能力。此外,本文对目前目标检测领域常用的对抗防御策略进行了分析和归纳。最后,总结了目标检测领域对抗样本的生成及防御面临的挑战,并对未来发展方向做出展望。     

计算机视觉对抗攻击与防御方法分析

大量的研究表明,由深度学习构成的计算机视觉模型容易遭受对抗样本的攻击。攻击者通过在样本中加入一些细微的扰动,可使深度学习模型出现判断错误,从而引发严重后果。本文主要总结了计算机视觉中对抗攻击手段与主动防御措施,分类与比较了一些典型方法。最后,结合对抗样本生成和防御技术发展的现状,提出了该领域的挑战和展望。     

分布式深度学习隐私与安全攻击研究进展与挑战

不同于集中式深度学习模式,分布式深度学习摆脱了模型训练过程中数据必须中心化的限制,实现了数据的本地操作,允许各方参与者在不交换数据的情况下进行协作,显著降低了用户隐私泄露风险,从技术层面可以打破数据孤岛,显著提升深度学习的效果,能够广泛应用于智慧医疗、智慧金融、智慧零售和智慧交通等领域.但生成对抗式网络攻击、成员推理攻击和后门攻击等典型攻击揭露了分布式深度学习依然存在严重隐私漏洞和安全威胁.首先对比分析了联合学习、联邦学习和分割学习3种主流的分布式深度学习模式特征及其存在的核心问题.其次,从隐私攻击角度,全面阐述了分布式深度学习所面临的各类隐私攻击,并归纳和分析了现有隐私攻击防御手段.同时,从安全攻击角度,深入剖析了数据投毒攻击、对抗样本攻击和后门攻击3种安全攻击方法的攻击过程和内在安全威胁,并从敌手能力、防御原理和防御效果等方面对现有安全攻击防御技术进行了度量.最后,从隐私与安全攻击角度,对分布式深度学习未来的研究方向进行了讨论和展望.     

文本后门攻击与防御综述

深度神经网络的安全性和鲁棒性是深度学习领域的研究热点.以往工作主要从对抗攻击角度揭示神经网络的脆弱性,即通过构建对抗样本来破坏模型性能并探究如何进行防御.但随着预训练模型的广泛应用,出现了一种针对神经网络尤其是预训练模型的新型攻击方式——后门攻击.后门攻击向神经网络注入隐藏的后门,使其在处理包含触发器（攻击者预先定义的图案或文本等）的带毒样本时会产生攻击者指定的输出.目前文本领域已有大量对抗攻击与防御的研究,但对后门攻击与防御的研究尚不充分,缺乏系统性的综述.全面介绍文本领域后门攻击和防御技术.首先,介绍文本领域后门攻击基本流程,并从不同角度对文本领域后门攻击和防御方法进行分类,介绍代表性工作并分析其优缺点;之后,列举常用数据集以及评价指标,将后门攻击与对抗攻击、数据投毒2种相关安全威胁进行比较;最后,讨论文本领域后门攻击和防御面临的挑战,展望该新兴领域的未来研究方向.     

针对深度学习模型的对抗性攻击与防御

以深度学习为主要代表的人工智能技术正在悄然改变人们的生产生活方式,但深度学习模型的部署也带来了一定的安全隐患.研究针对深度学习模型的攻防分析基础理论与关键技术,对深刻理解模型内在脆弱性、全面保障智能系统安全性、广泛部署人工智能应用具有重要意义.拟从对抗的角度出发,探讨针对深度学习模型的攻击与防御技术进展和未来挑战.首先介绍了深度学习生命周期不同阶段所面临的安全威胁.然后从对抗性攻击生成机理分析、对抗性攻击生成、对抗攻击的防御策略设计、对抗性攻击与防御框架构建4个方面对现有工作进行系统的总结和归纳.还讨论了现有研究的局限性并提出了针对深度学习模型攻防的基本框架.最后讨论了针对深度学习模型的对抗性攻击与防御未来的研究方向和面临的技术挑战.     

语音对抗样本的攻击与防御综述

语音是人机交互的重要载体,语音中既包含语义信息,还包含性别、年龄、情感等附属信息.深度学习的发展使得各类语音处理任务的性能得到了显著提升,智能语音处理的产品已应用于移动终端、车载设备以及智能家居等场景.语音信息被准确地识别是人与设备实现可信交互的重要基础,语音传递过程中的安全问题也受到了广泛关注.对抗样本攻击是最近几年...     

针对黑盒智能语音软件的对抗样本生成方法

随着深度学习技术的成熟, 智能语音识别软件获得了广泛的应用, 存在于智能软件内部的各种深度神经网络发挥了关键性的作用. 然而, 最近的研究表明: 含有微小扰动的对抗样本会对深度神经网络的安全性和鲁棒性构成极大威胁. 研究人员通常将生成的对抗样本作为测试用例输入到智能语音识别软件中, 观察对抗样本是否会让软件产生错误判断...     

面向深度学习模型的对抗攻击与防御方法综述

深度学习作为人工智能技术的重要组成部分,被广泛应用于计算机视觉和自然语言处理等领域.尽管深度学习在图像分类和目标检测等任务中取得了较好性能,但是对抗攻击的存在对深度学习模型的安全应用构成了潜在威胁,进而影响了模型的安全性.在简述对抗样本的概念及其产生原因的基础上,分析对抗攻击的主要攻击方式及目标,研究具有代表性的经典对...     

云边端全场景下深度学习模型对抗攻击和防御

在万物互联的智能时代,以深度学习为代表的人工智能技术正全方位改变人类的生产和生活方式.与此同时,云边端计算架构的成熟和发展使得边缘计算正在日益走向智能时代的舞台中央,轻量化模型在计算资源受限的嵌入式和物联网设备大规模部署和运行.然而,随着人工智能技术蓬勃发展,其算法的鲁棒脆弱性及易受对抗攻击等特点也给人工智能系统的广泛应用带来了极大的安全隐患.针对此问题,国内外学术界和工业界已经开展了人工智能安全的相关研究,其中针对深度学习的对抗攻御研究已成为了当前的研究热点.因此,聚焦于云边端全场景下的人工智能技术安全问题,分别整理归纳了针对大型神经网络和轻量化神经网络的对抗攻防技术,对相关理论与研究方法进行了系统性的综述研究.首先,介绍了多种主流的对抗攻击生成方法.其次,从鲁棒先验视角出发,将现有对抗防御工作分为基于对抗训练的防御、基于正则化的对抗防御以及基于模型结构的对抗防御三大类.同时,对现有的研究工作进行了系统总结和科学归纳,分析了当前研究的优势和不足.最后,探讨了在云边端全场景下深度学习模型对抗攻击和防御研究当前所面临的挑战以及未来潜在的研究方向.     

面向自然语言处理的深度学习对抗样本综述

深度学习模型被证明存在脆弱性并容易遭到对抗样本的攻击,但目前对于对抗样本的研究主要集中在计算机视觉领域而忽略了自然语言处理模型的安全问题.针对自然语言处理领域同样面临对抗样本的风险,在阐明对抗样本相关概念的基础上,文中首先对基于深度学习的自然语言处理模型的复杂结构、难以探知的训练过程和朴素的基本原理等脆弱性成因进行分析...     

基于图像重构的MNIST对抗样本防御算法

随着深度学习的应用普及,其安全问题越来越受重视,对抗样本是在原有图像中添加较小的扰动,即可造成深度学习模型对图像进行错误分类,这严重影响深度学习技术的发展。针对该问题,分析现有对抗样本的攻击形式和危害,由于现有防御算法存在缺点,提出一种基于图像重构的对抗样本防御方法,以达到有效防御对抗样本的目的。该防御方法以MNIST为测试数据集,核心思路是图像重构,包括中心方差最小化和图像缝合优化,中心方差最小化只针对图像中心区域进行处理;图像缝合优化将重叠区域纳入补丁块选取的考量,并以补丁块的1/2大小作为重叠区域。使用FGSM、BIM、DeepFool以及C&W攻击方式生成对抗样本来测试两种方式的防御性能,并与现有的3种图像重构防御方式（裁剪与缩放、位深度压缩和JPEG压缩）效果对比。实验结果表明,所提中心方差最小化和图像缝合优化算法,对现有常见对抗样本的攻击起到了较好的防御效果。图像缝合优化对4种攻击算法生成的样本分类正确率都达到了75%以上,中心方差最小化的防御效果在70%左右。而用作对比的3种图像重构算法则对不同攻击算法的防御效果不稳定,整体分类正确率不足60%。所提中心方差最小化...