基于稀疏扰动的对抗样本生成方法

近年来,深度神经网络(deep neural network, DNN)在图像领域取得了巨大的进展.然而研究表明, DNN容易受到对抗样本的干扰,表现出较差的鲁棒性.通过生成对抗样本攻击DNN,可以对DNN的鲁棒性进行评估,进而采取相应的防御方法提高DNN的鲁棒性.现有对抗样本生成方法依旧存在生成扰动稀疏性不足、扰动幅度过大等缺陷.提出一种基于稀疏扰动的对抗样本生成方法——SparseAG (sparse perturbation based adversarial example generation),该方法针对图像样本能够生成较为稀疏并且幅度较小的扰动.具体来讲, SparseAG方法首先基于损失函数关于输入图像的梯度值迭代地选择扰动点来生成初始对抗样本,每一次迭代按照梯度值由大到小的顺序确定新增扰动点的候选集,选择使损失函数值最小的扰动添加到图像中.其次,针对初始扰动方案,通过一种扰动优化策略来提高对抗样本的稀疏性和真实性,基于每个扰动的重要性来改进扰动以跳出局部最优,并进一步减少冗余扰动以及冗余扰动幅度.选取CIFAR-10数据集以及ImageNet数据集,在目标攻击以及非目...     

基于积分损失的对抗样本生成算法

随着计算机性能的飞速提升和数据量的爆炸式增长,深度学习在越来越多的领域取得了惊人的成果。然而,研究者们发现深度网络也存在对抗攻击。在图像分类领域,攻击者可以通过向原始的图片上加入人为设计的微小的扰动,来使得深度神经网络分类器给出错误的分类,而这种扰动对于人类来说是不可见的,加入了扰动之后的图片就是对抗样本。基于梯度攻击的对抗样本生成算法(projected gradient descent, PGD)是目前有效的攻击算法,但是这类算法容易产生过拟合。该文提出了积分损失快速梯度符号法,利用积分损失来衡量输入对于损失函数的重要性程度,规避梯度更新方向上可能陷入局部最优值的情况,不仅进一步提升了对抗样本的攻击成功率,而且也增加了对抗样本的迁移性。实验结果证明了所提方法的有效性,可以作为测试防御模型的一个基准。     

基于可攻击空间假设的陷阱式集成对抗防御网络

如今,深度神经网络在各个领域取得了广泛的应用.然而研究表明,深度神经网络容易受到对抗样本的攻击,严重威胁着深度神经网络的应用和发展.现有的对抗防御方法大多需要以牺牲部分原始分类精度为代价,且强依赖于已有生成的对抗样本所提供的信息,无法兼顾防御的效力与效率.因此基于流形学习,从特征空间的角度提出可攻击空间对抗样本成因假设,并据此提出一种陷阱式集成对抗防御网络Trap-Net. Trap-Net在原始模型的基础上向训练数据添加陷阱类数据,使用陷阱式平滑损失函数建立目标数据类别与陷阱数据类别间的诱导关系以生成陷阱式网络.针对原始分类精度损失问题,利用集成学习的方式集成多个陷阱式网络以在不损失原始分类精度的同时,扩大陷阱类标签于特征空间所定义的靶标可攻击空间.最终, Trap-Net通过探测输入数据是否命中靶标可攻击空间以判断数据是否为对抗样本.基于MNIST、K-MNIST、F-MNIST、CIFAR-10和CIFAR-100数据集的实验表明, Trap-Net可在不损失干净样本分类精确度的同时具有很强的对抗样本防御泛化性,且实验结果验证可攻击空间对抗成因假设.在低扰动的白盒攻击场景中, T...     

颜色模型扰动的语义对抗样本生成方法

卷积神经网络是一种具有强大特征提取能力的深度神经网络,其在众多领域得到了广泛应用。但是,研究表明卷积神经网络易受对抗样本攻击。不同于传统的以梯度迭代生成对抗扰动的方法,提出了一种基于颜色模型的语义对抗样本生成方法,利用人类视觉和卷积模型在识别物体中表现出的形状偏好特性,通过颜色模型的扰动变换来生成对抗样本。在样本生成过程中其不需要目标模型的网络参数、损失函数或者相关结构信息,仅依靠颜色模型的变换和通道信息的随机扰动,所以这是一种可以完成黑盒攻击的对抗样本。     

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。     

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.     

用于白盒目标攻击的GAN对抗样本生成

深度神经网络易受对抗样本攻击的影响并产生错误输出,传统的生成对抗样本的方法都是从优化角度生成对抗样本.文中提出基于生成对抗网络(GAN)的对抗样本生成方法,使用GAN进行白盒目标攻击,训练好的生成器对输入样本产生扰动,生成对抗样本.使用四种损失函数约束生成对抗样本的质量并提高攻击成功率.在MNIST、CIFAR-10、ImageNet数据集上的大量实验验证文中方法的有效性,文中方法的攻击成功率较高.     

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...     

一种基于进化策略和注意力机制的黑盒对抗攻击算法

深度神经网络在许多计算机视觉任务中都取得了优异的结果,并在不同领域中得到了广泛应用.然而研究发现,在面临对抗样本攻击时,深度神经网络表现得较为脆弱,严重威胁着各类系统的安全性.在现有的对抗样本攻击中,由于黑盒攻击具有模型不可知性质和查询限制等约束,更接近实际的攻击场景.但现有的黑盒攻击方法存在攻击效率较低与隐蔽性弱的缺陷,因此提出了一种基于进化策略的黑盒对抗攻击方法.该方法充分考虑了攻击过程中梯度更新方向的分布关系,自适应学习较优的搜索路径,提升攻击的效率.在成功攻击的基础上,结合注意力机制,基于类间激活热力图将扰动向量分组和压缩优化,减少在黑盒攻击过程中积累的冗余扰动,增强优化后的对抗样本的不可感知性.通过与其他4种最新的黑盒对抗攻击方法（AutoZOOM、QL-attack、FD-attak、D-based attack）在7种深度神经网络上进行对比,验证了该方法的有效性与鲁棒性.     

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.     

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.     

基于梯度结构的图神经网络对抗攻击

图神经网络在半监督节点分类任务中取得了显著的性能. 研究表明, 图神经网络容易受到干扰, 因此目前已有研究涉及图神经网络的对抗鲁棒性. 然而, 基于梯度的攻击不能保证最优的扰动. 提出了一种基于梯度和结构的对抗性攻击方法, 增强了基于梯度的扰动. 该方法首先利用训练损失的一阶优化生成候选扰动集, 然后对候选集进行相似性评估, 根据评估结果排序并选择固定预算的修改以实现攻击. 通过在5个数据集上进行半监督节点分类任务来评估所提出的攻击方法. 实验结果表明, 在仅执行少量扰动的情况下, 节点分类精度显著下降, 明显优于现有攻击方法.     

Improving transferability of adversarial examples with powerful affine-shear transformation attack

Image classification models based on deep neural networks have made great improvements on various tasks, but they are still vulnerable to adversarial examples that could increase the possibility of misclassification. Various methods are proposed to generate adversarial examples under white-box attack circumstances that have achieved a high success rate. However, most existing adversarial attacks only achieve poor transferability when attacking other unknown models with the black-box scenario settings. In this paper, we propose a new method that generates adversarial examples based on affine-shear transformation from the perspective of deep model input layers and maximizes the loss function during each iteration. This method could improve the transferability and the input diversity of adversarial examples, and we also optimize the above adversarial examples generation process with Nesterov accelerated gradient. Extensive experiments on ImageNet Dataset indicate that our proposed method could exhibit higher transferability and achieve higher attack success rates on both single model settings and ensemble-model settings. It can also combine with other gradient-based methods and image transformation-based methods to further build more powerful attacks.     

基于腐蚀批归一化层的对抗攻击算法

目前在对抗样本生成研究领域,基于梯度的攻击方法由于生成速度快和资源消耗低而得到广泛应用。然而,现有大多数基于梯度的攻击方法所得对抗样本的黑盒攻击成功率并不高。最强基于梯度的攻击方法在攻击6个先进防御黑盒模型时的平均成功率只有78.2%。为此,提出一种基于腐蚀深度神经网络架构中批归一化层的对抗攻击算法来改进现有基于梯度的攻击方法,以实现所得对抗样本的黑盒攻击成功率进一步提升。在一个ImageNet兼容数据集上做了大量实验,实验结果表明所提出的算法在单模型攻击和集成模型攻击中均能与现有基于梯度的攻击方法有效组合,实现在几乎不增加额外计算开销条件下增强对抗样本的攻击性能。此外,所提算法还使得最强基于梯度的攻击方法针对6个先进防御黑盒模型的平均攻击成功率提升了9.0个百分点。     

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。     

基于可学习攻击步长的联合对抗训练方法

对抗训练（adversarial training,AT）是抵御对抗攻击的有力手段。然而,目前现有的方法在训练效率和对抗鲁棒性之间往往难以平衡。部分方法提高训练效率但降低对抗鲁棒性,而其他方法则相反。为了找到最佳平衡点,提出了一种基于可学习攻击步长的联合对抗训练方法（FGSM-LASS）。该方法包括预测模型和目标模型,其中,预测模型为每个样本预测攻击步长,替代FGSM算法的固定大小攻击步长。接着,将目标模型参数和原始样本输入改进的FGSM算法,生成对抗样本。最后,采用联合训练策略,共同训练预测和目标模型。在与最新五种方法比较时,FGSM-LASS在速度上比鲁棒性最优的LAS-AT快6倍,而鲁棒性仅下降1%;与速度相近的ATAS相比,鲁棒性提升3%。实验结果证明,FGSM-LASS在训练速度和对抗鲁棒性之间的权衡表现优于现有方法。     

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.     

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.     

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...