Adversarial training, in which a network is trained on adversarial examples, is one of the few defenses against adversarial attacks that withstands strong attacks. Unfortunately, the high cost of generating strong adversarial examples makes standard adversarial training impractical on large-scale problems like ImageNet. We present an algorithm that eliminates the overhead cost of generating adversarial examples by recycling the gradient information computed when updating model parameters.Our "free" adversarial training algorithm achieves comparable robustness to PGD adversarial training on the CIFAR-10 and CIFAR-100 datasets at negligible additional cost compared to natural training, and can be 7 to 30 times faster than other strong adversarial training methods. Using a single workstation with 4 P100 GPUs and 2 days of runtime, we can train a robust model for the large-scale ImageNet classification task that maintains 40% accuracy against PGD attacks. The code is available at https://github.com/ashafahi/free_adv_train.

Adversarial training, a method for learning robust deep networks, is typically assumed to be more expensive than traditional training due to the necessity of constructing adversarial examples via a first-order method like projected gradient decent (PGD). In this paper, we make the surprising discovery that it is possible to train empirically robust models using a much weaker and cheaper adversary, an approach that was previously believed to be ineffective, rendering the method no more costly than standard training in practice. Specifically, we show that adversarial training with the fast gradient sign method (FGSM), when combined with random initialization, is as effective as PGD-based training but has significantly lower cost. Furthermore we show that FGSM adversarial training can be further accelerated by using standard techniques for efficient training of deep networks, allowing us to learn a robust CIFAR10 classifier with 45% robust accuracy to PGD attacks with = 8/255 in 6 minutes, and a robust ImageNet classifier with 43% robust accuracy at = 2/255 in 12 hours, in comparison to past work based on "free" adversarial training which took 10 and 50 hours to reach the same respective thresholds. Finally, we identify a failure mode referred to as "catastrophic overfitting" which may have caused previous attempts to use FGSM adversarial training to fail. All code for reproducing the experiments in this paper as well as pretrained model weights are at https://github.com/locuslab/fast_adversarial.

到目前为止对抗训练是抵御对抗例子的最有效的策略。然而，由于每个训练步骤中的迭代对抗性攻击，它遭受了高的计算成本。最近的研究表明，通过随机初始化执行单步攻击，可以实现快速的对抗训练。然而，这种方法仍然落后于稳定性和模型稳健性的最先进的对手训练算法。在这项工作中，我们通过观察随机平滑的随机初始化来更好地优化内部最大化问题，对快速对抗培训进行新的理解。在这种新的视角之后，我们还提出了一种新的初始化策略，向后平滑，进一步提高单步强大培训方法的稳定性和模型稳健性。多个基准测试的实验表明，我们的方法在使用更少的训练时间（使用相同的培训计划时，使用更少的培训时间（$ \ sim $ 3x改进）时，我们的方法达到了类似的模型稳健性。

The field of defense strategies against adversarial attacks has significantly grown over the last years, but progress is hampered as the evaluation of adversarial defenses is often insufficient and thus gives a wrong impression of robustness. Many promising defenses could be broken later on, making it difficult to identify the state-of-the-art. Frequent pitfalls in the evaluation are improper tuning of hyperparameters of the attacks, gradient obfuscation or masking. In this paper we first propose two extensions of the PGD-attack overcoming failures due to suboptimal step size and problems of the objective function. We then combine our novel attacks with two complementary existing ones to form a parameter-free, computationally affordable and user-independent ensemble of attacks to test adversarial robustness. We apply our ensemble to over 50 models from papers published at recent top machine learning and computer vision venues. In all except one of the cases we achieve lower robust test accuracy than reported in these papers, often by more than 10%, identifying several broken defenses.

虽然多步逆势培训被广泛流行作为对抗强烈的对抗攻击的有效防御方法，但其计算成本与标准培训相比，其计算成本是众所周知的。已经提出了几种单步侵权培训方法来减轻上述开销费用;但是，根据优化设置，它们的性能并不能充分可靠。为了克服这些限制，我们偏离了现有的基于输入空间的对抗性培训制度，并提出了一种单步潜在培训方法（SLAT），其利用潜在的代表梯度作为潜在的对抗扰动。我们证明，与所采用的潜伏扰动，恢复局部线性度并确保与现有的单步逆势训练方法相比，恢复局部线性度并确保可靠性的特征梯度的L1规范。因为潜伏的扰动基于可以在输入梯度计算过程中免费获得的潜在表示的梯度，所以所提出的方法与快速梯度标志方法相当成本。实验结果表明，尽管其结构简单，但优于最先进的加速的对抗训练方法。

深度神经网络很容易被称为对抗攻击的小扰动都愚弄。对抗性培训（AT）是一种近似解决了稳健的优化问题，以最大限度地减少最坏情况损失，并且被广泛认为是对这种攻击的最有效的防御。由于产生了强大的对抗性示例的高计算时间，已经提出了单步方法来减少培训时间。然而，这些方法遭受灾难性的过度装备，在训练期间侵犯准确度下降。虽然提出了改进，但它们增加了培训时间和稳健性远非多步骤。我们为FW优化（FW-AT）开发了对抗的对抗培训的理论框架，揭示了损失景观与$ \ ell_2 $失真之间的几何连接。我们分析地表明FW攻击的高变形相当于沿攻击路径的小梯度变化。然后在各种深度神经网络架构上进行实验证明，$ \ ell \ infty $攻击对抗强大的模型实现近乎最大的$ \ ell_2 $失真，而标准网络具有较低的失真。此外，实验表明，灾难性的过度拟合与FW攻击的低变形强烈相关。为了展示我们理论框架的效用，我们开发FW-AT-Adap，这是一种新的逆势训练算法，它使用简单的失真度量来调整攻击步骤的数量，以提高效率而不会影响鲁棒性。 FW-AT-Adapt提供培训时间以单步快速分配方法，并改善了在白色盒子和黑匣子设置中的普发内精度的最小损失和多步PGD之间的差距。

在测试时间进行优化的自适应防御能力有望改善对抗性鲁棒性。我们对这种自适应测试时间防御措施进行分类，解释其潜在的好处和缺点，并评估图像分类的最新自适应防御能力的代表性。不幸的是，经过我们仔细的案例研究评估时，没有任何显着改善静态防御。有些甚至削弱了基本静态模型，同时增加了推理计算。尽管这些结果令人失望，但我们仍然认为自适应测试时间防御措施是一项有希望的研究途径，因此，我们为他们的彻底评估提供了建议。我们扩展了Carlini等人的清单。（2019年）通过提供针对自适应防御的具体步骤。

最近的研究表明，对对抗性攻击的鲁棒性可以跨网络转移。换句话说，在强大的教师模型的帮助下，我们可以使模型更加强大。我们问是否从静态教师那里学习，可以模特“学习”和“互相教导”来实现更好的稳健性？在本文中，我们研究模型之间的相互作用如何通过知识蒸馏来影响鲁棒性。我们提出了互联土训练（垫子），其中多种模型一起培训并分享对抗性示例的知识，以实现改善的鲁棒性。垫允许强大的模型来探索更大的对抗样本空间，并找到更强大的特征空间和决策边界。通过对CIFAR-10和CIFAR-100的广泛实验，我们证明垫可以在白盒攻击下有效地改善模型稳健性和最优异的现有方法，使$ \ SIM为8％的准确性增益对香草对抗培训（在PGD-100袭击下。此外，我们表明垫子还可以在不同的扰动类型中减轻鲁棒性权衡，从$ l_ \ infty $，$ l_2 $和$ l_1 $攻击中带来基线的基线。这些结果表明了该方法的优越性，并证明协作学习是设计强大模型的有效策略。

深度神经网络（DNN）容易受到对抗性示例的影响，其中DNN由于含有不可察觉的扰动而被误导为虚假输出。对抗性训练是一种可靠有效的防御方法，可能会大大减少神经网络的脆弱性，并成为强大学习的事实上的标准。尽管许多最近的作品实践了以数据为中心的理念，例如如何生成更好的对抗性示例或使用生成模型来产生额外的培训数据，但我们回顾了模型本身，并从深度特征分布的角度重新审视对抗性的鲁棒性有见地的互补性。在本文中，我们建议分支正交性对抗训练（BORT）获得最先进的性能，仅使用原始数据集用于对抗训练。为了练习我们整合多个正交解决方案空间的设计思想，我们利用一个简单明了的多分支神经网络，可消除对抗性攻击而不会增加推理时间。我们启发提出相应的损耗函数，分支 - 正交丢失，以使多支出模型正交的每个溶液空间。我们分别在CIFAR-10，CIFAR-100和SVHN上评估了我们的方法，分别针对\ ell _ {\ infty}的规范触发尺寸\ epsilon = 8/255。进行了详尽的实验，以表明我们的方法超出了所有最新方法，而无需任何技巧。与所有不使用其他数据进行培训的方法相比，我们的模型在CIFAR-10和CIFAR-100上实现了67.3％和41.5％的鲁棒精度（在最先进的ART上提高了 +7.23％和 +9.07％ ）。我们还使用比我们的训练组胜过比我们的方法的表现要大得多。我们所有的模型和代码均可在https://github.com/huangd1999/bort上在线获得。

Recent work has demonstrated that deep neural networks are vulnerable to adversarial examples-inputs that are almost indistinguishable from natural data and yet classified incorrectly by the network. In fact, some of the latest findings suggest that the existence of adversarial attacks may be an inherent weakness of deep learning models. To address this problem, we study the adversarial robustness of neural networks through the lens of robust optimization. This approach provides us with a broad and unifying view on much of the prior work on this topic. Its principled nature also enables us to identify methods for both training and attacking neural networks that are reliable and, in a certain sense, universal. In particular, they specify a concrete security guarantee that would protect against any adversary. These methods let us train networks with significantly improved resistance to a wide range of adversarial attacks. They also suggest the notion of security against a first-order adversary as a natural and broad security guarantee. We believe that robustness against such well-defined classes of adversaries is an important stepping stone towards fully resistant deep learning models. 1

对抗性的鲁棒性已经成为深度学习的核心目标，无论是在理论和实践中。然而，成功的方法来改善对抗的鲁棒性（如逆势训练）在不受干扰的数据上大大伤害了泛化性能。这可能会对对抗性鲁棒性如何影响现实世界系统的影响（即，如果它可以提高未受干扰的数据的准确性），许多人可能选择放弃鲁棒性）。我们提出内插对抗培训，该培训最近雇用了在对抗培训框架内基于插值的基于插值的培训方法。在CiFar -10上，对抗性训练增加了标准测试错误（当没有对手时）从4.43％到12.32％，而我们的内插对抗培训我们保留了对抗性的鲁棒性，同时实现了仅6.45％的标准测试误差。通过我们的技术，强大模型标准误差的相对增加从178.1％降至仅为45.5％。此外，我们提供内插对抗性培训的数学分析，以确认其效率，并在鲁棒性和泛化方面展示其优势。

人类严重依赖于形状信息来识别对象。相反，卷积神经网络（CNNS）偏向于纹理。这也许是CNNS易受对抗性示例的影响的主要原因。在这里，我们探索如何将偏差纳入CNN，以提高其鲁棒性。提出了两种算法，基于边缘不变，以中等难以察觉的扰动。在第一个中，分类器在具有边缘图作为附加信道的图像上进行前列地培训。在推断时间，边缘映射被重新计算并连接到图像。在第二算法中，训练了条件GaN，以将边缘映射从干净和/或扰动图像转换为清洁图像。推断在与输入的边缘图对应的生成图像上完成。超过10个数据集的广泛实验证明了算法对FGSM和$ \ ELL_ infty $ PGD-40攻击的有效性。此外，我们表明a）边缘信息还可以使其他对抗训练方法有益，并且B）在边缘增强输入上培训的CNNS对抗自然图像损坏，例如运动模糊，脉冲噪声和JPEG压缩，而不是仅培训的CNNS RGB图像。从更广泛的角度来看，我们的研究表明，CNN不会充分占对鲁棒性至关重要的图像结构。代码可用：〜\ url {https://github.com/aliborji/shapedefense.git}。

众所周知，深神经网络（DNN）在许多领域中表现出显着的成功。但是，在模型输入上添加不可察觉的速度扰动时，模型性能可能会迅速减少。为了解决这个问题，最近提出了一种随机性技术，名为随机神经网络（SNNS）。具体而言，SNNS将随机性注入模型以防御看不见的攻击并改善对抗鲁棒性。然而，对SNN的存在研究主要关注注射固定或学习噪声以模拟重量/激活。在本文中，我们发现存在的SNNS表演在很大程度上是由特征表示能力的瓶颈。令人惊讶的是，只需最大化特征分布的每个维度的方差导致我们以先前的所有方法提供相当大的升压，我们命名为最大化特征分布方案随机神经网络（MFDV-SNN）。关于众所周知的白色和黑匣子攻击的广泛实验表明，MFDV-SNN对现有方法实现了重大改进，这表明它是提高模型稳健性的简单但有效的方法。

已知深度神经网络（DNN）容易受到用不可察觉的扰动制作的对抗性示例的影响，即，输入图像的微小变化会引起错误的分类，从而威胁着基于深度学习的部署系统的可靠性。经常采用对抗训练（AT）来通过训练损坏和干净的数据的混合物来提高DNN的鲁棒性。但是，大多数基于AT的方法在处理\ textit {转移的对抗示例}方面是无效的，这些方法是生成以欺骗各种防御模型的生成的，因此无法满足现实情况下提出的概括要求。此外，对抗性训练一般的国防模型不能对具有扰动的输入产生可解释的预测，而不同的领域专家则需要一个高度可解释的强大模型才能了解DNN的行为。在这项工作中，我们提出了一种基于Jacobian规范和选择性输入梯度正则化（J-SIGR）的方法，该方法通过Jacobian归一化提出了线性化的鲁棒性，还将基于扰动的显着性图正规化，以模仿模型的可解释预测。因此，我们既可以提高DNN的防御能力和高解释性。最后，我们评估了跨不同体系结构的方法，以针对强大的对抗性攻击。实验表明，提出的J-Sigr赋予了针对转移的对抗攻击的鲁棒性，我们还表明，来自神经网络的预测易于解释。

Adaptive attacks have (rightfully) become the de facto standard for evaluating defenses to adversarial examples. We find, however, that typical adaptive evaluations are incomplete. We demonstrate that thirteen defenses recently published at ICLR, ICML and NeurIPS-and which illustrate a diverse set of defense strategies-can be circumvented despite attempting to perform evaluations using adaptive attacks. While prior evaluation papers focused mainly on the end result-showing that a defense was ineffective-this paper focuses on laying out the methodology and the approach necessary to perform an adaptive attack. Some of our attack strategies are generalizable, but no single strategy would have been sufficient for all defenses. This underlines our key message that adaptive attacks cannot be automated and always require careful and appropriate tuning to a given defense. We hope that these analyses will serve as guidance on how to properly perform adaptive attacks against defenses to adversarial examples, and thus will allow the community to make further progress in building more robust models.

基于深度神经网络（DNN）的智能信息（IOT）系统已被广泛部署在现实世界中。然而，发现DNNS易受对抗性示例的影响，这提高了人们对智能物联网系统的可靠性和安全性的担忧。测试和评估IOT系统的稳健性成为必要和必要。最近已经提出了各种攻击和策略，但效率问题仍未纠正。现有方法是计算地广泛或耗时，这在实践中不适用。在本文中，我们提出了一种称为攻击启发GaN（AI-GaN）的新框架，在有条件地产生对抗性实例。曾经接受过培训，可以有效地给予对抗扰动的输入图像和目标类。我们在白盒设置的不同数据集中应用AI-GaN，黑匣子设置和由最先进的防御保护的目标模型。通过广泛的实验，AI-GaN实现了高攻击成功率，优于现有方法，并显着降低了生成时间。此外，首次，AI-GaN成功地缩放到复杂的数据集。 Cifar-100和Imagenet，所有课程中的成功率约为90美元。

最近，Wong等人。表明，使用单步FGSM的对抗训练导致一种名为灾难性过度拟合（CO）的特征故障模式，其中模型突然变得容易受到多步攻击的影响。他们表明，在FGSM（RS-FGSM）之前添加随机扰动似乎足以防止CO。但是，Andriushchenko和Flammarion观察到RS-FGSM仍会导致更大的扰动，并提出了一个昂贵的常规化器（Gradalign），DEMATER（GARGALIGN）DES昂贵（Gradalign）Dust Forrasiniger（Gradalign）Dust co避免在这项工作中，我们有条不紊地重新审视了噪声和剪辑在单步对抗训练中的作用。与以前的直觉相反，我们发现在干净的样品周围使用更强烈的噪声与不剪接相结合在避免使用大扰动半径的CO方面非常有效。基于这些观察结果，我们提出了噪声-FGSM（N-FGSM），尽管提供了单步对抗训练的好处，但在大型实验套件上没有经验分析，这表明N-FGSM能够匹配或超越以前的单步方法的性能，同时达到3 $ \ times $加速。代码可以在https://github.com/pdejorge/n-fgsm中找到

深度卷积神经网络（CNN）很容易被输入图像的细微，不可察觉的变化所欺骗。为了解决此漏洞，对抗训练会创建扰动模式，并将其包括在培训设置中以鲁棒性化模型。与仅使用阶级有限信息的现有对抗训练方法（例如，使用交叉渗透损失）相反，我们建议利用功能空间中的其他信息来促进更强的对手，这些信息又用于学习强大的模型。具体来说，我们将使用另一类的目标样本的样式和内容信息以及其班级边界信息来创建对抗性扰动。我们以深入监督的方式应用了我们提出的多任务目标，从而提取了多尺度特征知识，以创建最大程度地分开对手。随后，我们提出了一种最大边缘对抗训练方法，该方法可最大程度地减少源图像与其对手之间的距离，并最大程度地提高对手和目标图像之间的距离。与最先进的防御能力相比，我们的对抗训练方法表明了强大的鲁棒性，可以很好地推广到自然发生的损坏和数据分配变化，并保留了清洁示例的模型准确性。

对抗性训练（AT）已被证明可以通过利用对抗性示例进行训练来有效地改善模型鲁棒性。但是，大多数方法面对昂贵的时间和计算成本，用于在生成对抗性示例的多个步骤中计算梯度。为了提高训练效率，快速梯度符号方法（FGSM）在方法中仅通过计算一次来快速地采用。不幸的是，鲁棒性远非令人满意。初始化的方式可能引起一个原因。现有的快速在通常使用随机的样本不合时宜的初始化，这促进了效率，但会阻碍进一步的稳健性改善。到目前为止，快速AT中的初始化仍未广泛探索。在本文中，我们以样本依赖性的对抗初始化（即，来自良性图像条件的生成网络的输出及其来自目标网络的梯度信息的输出）快速增强。随着生成网络和目标网络在训练阶段共同优化，前者可以适应相对于后者的有效初始化，从而激发了逐渐改善鲁棒性。在四个基准数据库上进行的实验评估证明了我们所提出的方法比在方法上快速的最先进方法的优越性，以及与方法相当的鲁棒性。该代码在https://github.com//jiaxiaojunqaq//fgsm-sdi上发布。

对对抗性攻击的鲁棒性通常以对抗精度评估。但是，该指标太粗糙，无法正确捕获机器学习模型的所有鲁棒性。当对强烈的攻击进行评估时，许多防御能力并不能提供准确的改进，同时仍会部分贡献对抗性鲁棒性。流行的认证方法遇到了同一问题，因为它们提供了准确性的下限。为了捕获更精细的鲁棒性属性，我们提出了一个针对L2鲁棒性，对抗角稀疏性的新指标，该指标部分回答了“输入周围有多少个对抗性示例”的问题。我们通过评估“强”和“弱”的防御能力来证明其有用性。我们表明，一些最先进的防御能力具有非常相似的精度，在它们不强大的输入上可能具有截然不同的稀疏性。我们还表明，一些弱防御能力实际上会降低鲁棒性，而另一些防御能力则以无法捕获的准确性来加强它。这些差异可以预测这种防御与对抗性训练相结合时的实用性。