小样本点云深度学习库_合成鲁棒的对抗样本来欺骗深度学习分类器

本期一诺sec关注深度学习系统安全问题，推荐一篇来自ICML 2018会议论文Synthesizing Robust Adversarial Examples。论文链接http://proceedings.mlr.press/v80/athalye18b.html。

深度模型对于对抗样本具有高度的脆弱性，这已经是得到大家印证的事实。自从2016年以来，对深度学习模型的对抗样本攻击和防护的研究工作越来越多，光挂在Axiv上等待评审或发表的论文不下百篇。研究者中不乏生成对抗网络(GAN)之父Ian Goodfellow、Dawn Song等机器学习和安全领域的大佬。这篇来自ICML 2018上的工作：“Synthesizing Robust Adversarial Examples”，作者分别是Anish Athalye，Logan Engstrom，Andrew Ilyas和Kevin Kwok，来自MIT和LabSix。

一、论文的引入

所谓对抗样本，就是对深度学习器产生对抗输入的样本：例如对一个图像，添加一些细小的扰动使得分类器误分类，但是人肉眼却不能看出这些扰动，这样的样本就是对抗样本。对抗样本攻击就是针对深度学习器生成或者合成靠谱的(误分类成功率高的)对抗样本。研究对抗样本的合成是非常有意义的：一方面找到了对抗样本就验证了深度学习器的脆弱性，找到了他的死穴，可以搞些破坏；另一方面为如何防护对抗样本攻击提供了攻击场景和攻击模型。论文作者之一Anish Athalye在接受QZ采访时表示，现在有很多使用机器学习的欺诈检测系统，如果能故意修改输入，让系统无法检测出欺诈交易，那么就可能造成财务损失。

以图像分类为例，大部分生成对抗样本的工作都是直接在已有的图像上添加噪声，然后直接送给分类器或者打印出来通过摄像头送给分类器。有工作证明[1]，这样产生的对抗样本是不够鲁棒的，也就是说对物理世界分类器的攻击不管用！原因是什么呢？作者认为，物理世界中的摄像头是通过多种视角(viewpoint)来采集物体的图像，并且受到光照、摄像头本身的噪声等自然因素的影响，使得很多方法生成的对抗样本在经过这些影响(相当于小的变换)之后，失去了对抗的属性。

针对物理世界深度分类器进行鲁棒的对抗样本攻击的工作很少，已有的两个工作也是合成2D的对抗样本，本质上是通过原始图像上的仿射变换来“近似”多视角。但是，对物理世界摄像头看到的3D物体，要想保持合成样本的对抗属性，必须经过更复杂的变换：例如3维旋转。

针对上述挑战，该论文提出了一种通用框架，叫变换期望EOT(Expectation Over Transformation)，这个框架可以在变换的整个分布上面保持对抗属性。基于这个框架，该论文专门讨论3D对抗样本的生成方法。最后，作者们真的用3D打印机打印了合成的3D对抗样本，并成功欺骗了一些深度学习器，证明了这种方式确实靠谱！

二、模型介绍

先来看看原来的对抗样本合成方式。在深度分类器的白盒假设下(分类器的预测分布和梯度都可以拿到)，尝试利用原始样本来构造对抗样本，可以通过在距离原始图像为的球上，最大化目标类别的条件分布的对数似然函数：

这种方法构造的对抗样本已经被证实在物理世界的实验中是失败的。本文提出的变换期望EOT方法的主要思想是将物理世界的影响考虑到优化过程中去，而不是仅仅考虑样本。EOT假设变换函数采样自一个已知的分布(包括随机旋转、平移、加噪等，甚至包括纹理的3D渲染),期望通过变换作用之后，对抗样本和原始样本之间的距离的期望仍然比较小。在这个约束下，去最大化对数似然函数的期望，即：

具体优化方法采用的是随机梯度下降法，在每一次迭代中独立的采样变换来近似得到期望值的梯度。

紧接着，作者讨论了在EOT框架下合成2D和3D对抗样本的具体方法。打印一个合成的2D对抗样本并采集其图像的过程，等价于一系列随机变换,并且这种变换很容易求导，因此2D场景的问题很容易解决。为了合成3D对抗样本，论文提取现有3D物体的纹理(色谱)作为，然后选择一个变换函数，最后再渲染这个3D物体。变换函数包括渲染、光照、旋转、平移以及视角映射等。问题是EOT需要是可微的，当然这中渲染也可以通过来代替。在优化的过程中采用了LAB颜色空间中的距离来代替欧式距离，同时采用拉格朗日松弛形式，最终的优化目标是：

三、实验和评价

论文分别针对2D和3D对抗样本合成做了实验。攻击的目标是TensorFlow中的深度分类器Inception-V3，该分类器在ImageNet数据集上top-1的精确度是78%。评价指标采用的是对抗度(adversariality)，即在测试集上生成的对抗样本有多少成功欺骗了InceptionV3分类器。

第一个结果是合成2D对抗样本。我们从上图可以看到，合成样本的平均对抗度达到了96.4%，效果还是非常不错的。例如，下图中第二行是生成的对应第一行的对抗样本，成功的让InceptionV3认为是食虫鸟，而不是波斯猫。

接下来是3D的情况。下图可以看到3D对抗样本也能达到83.4%的平均对抗度，虽然比2D有所下降但还是不错的。但是这个结果是通过合成的3D对抗样本，再渲染成2D图像送给分类器的。

如何说明物理世界的场景中本文提出的方法有效呢？最有意思的亮点来了：作者选取了两类物体(乌龟和篮球)，采用3D打印机分别打印了一些不加噪声的原始3D物体，以及一部分合成的对抗性的3D物体，然后通过多视角分别提取100张照片送给InceptionV3分类器。结果发现InceptionV3对原始3D物体识别率是100%，但是对对抗样本攻击成功的对抗性还是很大的，特别是对乌龟类对抗性达到了82%，具体结果看下表。

(图中红色方框都是攻击成功的情景，InceptionV3将“乌龟”错误的分到了“步枪”类。)

四、总结

论文提出了一种通用的对抗样本合成框架，可以有效的应对虚拟世界到物理世界中各种因素的影响，达到了欺骗物理世界中深度学习分类器的目的。当然，笔者认为论文还是有很多局限性的，论文作者也做了一些讨论，例如要想使构造的对抗样本更鲁棒，就需要一个更大的给定变换分布，否则就不太管用了；但是另一方面，定变换分布越大，构造的样本与原始样本的差距越大，越难构造出“让人感觉不到”的对抗样本。总之，本论文不失为一篇针对物理模型的对抗样本攻击的佳作。

参考文献

[1] Lu, J., Sibai, H., Fabry, E., and Forsyth, D. No need to worry about adversarial examples in object detection in autonomous vehicles. 2017. URL https://arxiv. org/abs/1707.03501.

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