[论文笔记]Decoupling Direction and Norm for Efficient Gradient-Based L2 Adversarial Attacks and Defenses

本文提出DDN,一种高效基于梯度的L2对抗性攻击方法,通过对扰动方向和范数解耦,在低L2范数下成功攻击目标网络。在多个数据集上,DDN在untargeted和targeted攻击中表现优秀,迭代次数远少于CW,且在对抗训练后模型性能优于Madry defense。

Decoupling Direction and Norm for Efficient Gradient-Based L2 Adversarial Attacks and Defenses(2019 CVPR Oral)

文章简介:
本文提出了一种有效的基于梯度的攻击方法DDN,通过对图像中添加的对抗性扰动的方向和范数进行解耦,从而在L2范数较低的情况下成功攻击目标网络。在2018 NIPS Adversarial Vision Challenge(black-box)中,本文方法在untargeted attacks中排名第一,在targeted attack和robust models中排名第3。

  • 相关工作的缺点:

    • CW是目前最有效的white-box攻击,并且只有较小的L2 noise,但是该方法的缺点是速度慢(用的是line-search),经常需要迭代上千次。(DDN需要的迭代次数比C&W大约少100倍)
    • one-step攻击方法虽然速度快,但是用他们训练不能提高模型在white-box条件下的鲁棒性
  • Dataset:

    • mnist
    • cifar-10
    • imagenet datasets
  • 特点:

    • 使用DDN进行对抗训练后的模型能够outperform Madry defense(state-of-the-art)
    • gradient-based attacks that optimize the L2 norm of the distortion
    • white-box(本文讨论的范围,但也可以进行black-box attack)、untargeted attack & targeted attack
  • 生成效果:

  • 算法介绍:

    • 在算法优化过程中不需要对L2 norm进行惩罚,可以在一定程度上解放在过往方法中对超参数C的选择(CCC为L2 norm的系数),本文是通过将对抗性扰动δ\deltaδ投影到原图xxxϵ−sphere\epsilon-sphereϵsphere来进行限制。然后L2 norm就修改为了binary decision(如果sample xkx_kxk(第k步)不是对抗的,则第k+1步的扰动会增加否则减少)
    • 算法中为了解决梯度范数变化较大的问题,作者在进行方向更新前先对其进行归一化
    • m=1m=1m=1时,为untargeted attack,其目的是增大true label的loss;当m=−1m=-1m=1时,为targeted attack,注意到现在的y是target label,所以我们要减小target label的loss。
  • 结果对比:

  1. untargeted attack
    • 对于MNIST和CIFAR-10,DDN与C&W和DeepFool性能差不多,当C&W的迭代次数
    • 对于ImageNet,DDN只需要迭代300步就能达到100%的成功攻击率,并且有更好的Mean L2 norm。DeepFool虽然Mean L2 norm与DDN比较接近,但成功攻击率未能达到100%。
  1. targeted attack
    • (这里只列举ImageNet结果)可以发现,达到100%的成功攻击率,DDN所需要的迭代次数更少,并且不管在Average case还是Least Likely case,DDN的mean L2 norm都比较小。

如果觉得我有地方讲的不好的或者有错误的欢迎给我留言,谢谢大家阅读(点个赞我可是会很开心的哦)~

### 解耦表示与分类器的实现细节 在论文 *Decoupling Representation and Classifier for Long-Tailed Recognition* 中,作者提出了一种解耦特征表示和分类器的训练策略,以应对长尾数据分布带来的类别不平衡问题。论文的实现细节主要围绕两个阶段展开:**联合训练阶段** 和 **解耦训练阶段**。 #### 联合训练阶段(Joint Training) 在联合训练阶段,网络的特征提取器(backbone)和分类器(classifier)同时进行训练。此阶段的目标是学习一个能够区分各类别的通用特征表示,同时训练一个初步的分类器。训练过程中使用了不同的采样策略,包括: - **实例平衡采样(Instance-balanced sampling)**:对所有样本均匀采样。 - **类别平衡采样(Class-balanced sampling)**:对每个类别采样相同数量的样本。 - **平方根采样(Square root sampling)**:每个类别的采样概率与其样本数的平方根成正比。 - **渐进平衡采样(Progressive-balanced sampling)**:先使用实例平衡采样,再切换到类别平衡采样。 损失函数使用的是标准的交叉熵损失(Cross-Entropy Loss),即: ```python criterion = nn.CrossEntropyLoss() ``` 在 PyTorch 中,联合训练的代码结构大致如下: ```python for epoch in range(joint_epochs): for images, labels in train_loader: features = backbone(images) outputs = classifier(features) loss = criterion(outputs, labels) optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step() ``` #### 解耦训练阶段(Decoupled Training) 在解耦训练阶段,特征提取器被冻结,仅对分类器进行微调。该阶段的目的是通过调整分类器来适应长尾数据分布,而不影响已经学习到的特征表示。 ##### 1. **类别均值分类器(NCM:Nearest Class Mean)** 在该策略中,首先计算每个类别的特征均值,然后在测试阶段使用最近邻方法(如欧氏距离或余弦相似度)进行分类。 ```python # 计算每个类别的特征均值 class_means = compute_class_means(backbone, train_loader) # 测试阶段使用最近邻分类 def predict(feature): distances = [torch.norm(feature - mean) for mean in class_means] return torch.argmin(distances) ``` ##### 2. **τ-归一化分类器(τ-normalized classifier)** τ-归一化分类器通过归一化分类器权重来调整决策边界,缓解类别不平衡问题。归一化后的权重计算如下: $$ \tilde{w_i} = \frac{w_i}{||w_i||^{\tau}} $$ 其中 $\tau$ 是一个可调参数,通常设置为 1,即 L2 归一化。 在 PyTorch 中,τ-归一化可以通过以下方式实现: ```python def apply_tau_normalization(classifier, tau=1.0): with torch.no_grad(): weights = classifier.weight norm = torch.norm(weights, dim=1, keepdim=True) normalized_weights = weights / (norm ** tau) classifier.weight.copy_(normalized_weights) ``` 随后,使用类别均等采样重新训练分类器,通常不使用偏置项: ```python for epoch in range(decoupled_epochs): for images, labels in class_balanced_loader: features = backbone(images).detach() # 冻结特征提取器 outputs = classifier(features) loss = criterion(outputs, labels) optimizer_decoupled.zero_grad() loss.backward() optimizer_decoupled.step() ``` ##### 3. **LWS(Learnable Weight Scaling)** LWS 是 τ-归一化的扩展,其中缩放因子 $f_i$ 是可学习参数。该方法通过在解耦阶段学习每个类别的缩放因子来优化分类器的决策边界。 ```python # 定义可学习的缩放因子 scaling_factors = nn.Parameter(torch.ones(num_classes)) # 在损失反向传播时,仅更新 scaling_factors optimizer_lws = torch.optim.SGD([scaling_factors], lr=lw_lr) for epoch in range(lws_epochs): for images, labels in class_balanced_loader: features = backbone(images).detach() logits = classifier(features) scaled_logits = logits * scaling_factors.unsqueeze(0) loss = criterion(scaled_logits, labels) optimizer_lws.zero_grad() loss.backward() optimizer_lws.step() ``` #### 代码结构总结 整个训练流程可以分为以下几个步骤: 1. **联合训练特征提取器和分类器**,使用不同的采样策略。 2. **冻结特征提取器**,进入解耦阶段。 3. **使用类别均等采样重新训练分类器**,采用 τ-归一化或 LWS 策略。 4. **在测试集上评估模型性能**,使用 NCM、τ-归一化或 LWS 分类器。 --- ###
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