利用图像压缩模型抵御对抗样本 by ch

Posted 2020-11-16 bupt213

论文链接：https://arxiv.org/abs/1811.12673

一.对抗样本

  对抗样本是指攻击者通过向真实样本中添加人眼不可见的噪声，导致深度学习模型发生预测错误的样本。比如对于一张猫的图片，分类器原本可以正确的识别。如果在图片中加入一些微小的干扰，这些干扰对于人眼来说是分辨出来的，人们依旧可以认出这是一个猫，但是分类器就有很大的可能将其识别成一只狗。

 

二.用图像压缩抵御对抗样本

  人们已经提出了许多抵御对抗样本的方法，如PixelDefend等。这些方法主要分为两类，第一类主要通过增强网络自身的抗干扰能力，比如在训练样本中加入对抗样本，或者把one-hot标签换成soft-targets，但是这样需要重新训练网络。第二类是在对抗图像输入分类器之前，将其转换为清晰的图像。但是这两类方法都存在一个问题，那就是需要用对抗样本进行训练，但是获取对抗样本本身就很麻烦，所以这篇论文提出了用图像压缩的方式来抵御对抗样本，这种模型只需要用clean image进行训练，并不需要对抗样本。

       这个模型的思路实质是也是上文提及的第二种方法，在对抗样本进入分类器之前对对抗样本进行净化，得到不含干扰的图像后再宋儒后续的分类器中。具体实现是利用了图像压缩中去除冗余的思想，因为图像压缩重在保存图像的主要信息，去除冗余信息，这样那些对抗干扰就会被作为冗余信息去除掉。而且模型的训练可以和分类器分开进行，并不会影响已经训练好的分类模型。

 

三.网络结构

 

  网络分为两个部分，第一个部分是压缩模型ComCNN，第二部分是重建模型ResCNN。每一个网络都又九个卷积层构成，采用conv+ELU的形式，网络的具体参宿如下图所示。

  输入图片的每一个像素都是由24bit表示，经过压缩网络后图像的每一个像素只用12bit表示，这样图片就只会保留图片的重要信息，而干扰就会被剔除。然后压缩后的图像再经过重建网络恢复，得到过滤后的干净图像，供后续分类模型使用。

四.损失函数

 

  模型在训练过程中同时优化两个网络，所以目标函数中同时包含了两个网络的损失函数,第一部分是重建网络的损失函数，是为了保证图像重建之后的质量，保证在经过压缩后依旧可以得到高质量的图像，com代表压缩网络，ψ代表高斯噪声。

 

       第二部分是压缩网络的损失函数，这里的损失函数和传统的压缩中的损失函数不太一样，传统的损失函数用的一般是信息熵作，这里用的是一个类似L2范数的销量大小来衡量，原文中的解释是让压缩网络得到的编码中尽可能多的位数为0。

 

五.实验结果

1.超参数的选择

  模型中有两个重要的超参数，分别是ψ和λ，这样个超参数是通过实验确定的，具体的实验结果如下：

 

 

  从实验结果可以看出，当ψ确定时，可以看到在一定范围内准确率随着λ的增加而增加，但是当λ达到一定数值后，再增大反而会使准确率下降。同理在λ固定的时候，变化规律也是先增大后减小，最后通过实验结果看出，最合适的超参数设置为λ=0.0001，ψ=20.0。

2.不同的使用方式

     当把模型加入到分类器中时，可以选择直接把抵御模型加在训练好的分类模型上，也可以选择加上抵御模型后在对判别模型进行训练。实验结果如下：

 

 

 

       从实验结果中可以看出，不论用哪种方式，加上抵御模型后模型的正确率大幅度的提升，而且进一步比较，可以看出加上抵御模型后再进行训练可以得到更好的结果，作者并没有给出解释，我觉得可能是因为经过压缩后的图像质量会相对变差，所以如果不经处理直接加在判别模型上，必然造成准确率下降。

3.与其他方式的比较

  可以看出该模型相比其他方法在抵御对抗样本方面有着很大的提升，但是在ImageNet这种相对复杂的数据集上，可以看出这种方法在面对无干扰的图片时，依旧会造成不小的性能下降。