Aliasing is a highly important concept in signal processing, as careful consideration of resolution changes is essential in ensuring transmission and processing quality of audio, image, and video. Despite this, up until recently aliasing has received very little consideration in Deep Learning, with all common architectures carelessly sub-sampling without considering aliasing effects. In this work, we investigate the hypothesis that the existence of adversarial perturbations is due in part to aliasing in neural networks. Our ultimate goal is to increase robustness against adversarial attacks using explainable, non-trained, structural changes only, derived from aliasing first principles. Our contributions are the following. First, we establish a sufficient condition for no aliasing for general image transformations. Next, we study sources of aliasing in common neural network layers, and derive simple modifications from first principles to eliminate or reduce it. Lastly, our experimental results show a solid link between anti-aliasing and adversarial attacks. Simply reducing aliasing already results in more robust classifiers, and combining anti-aliasing with robust training out-performs solo robust training on $L_2$ attacks with none or minimal losses in performance on $L_{\infty}$ attacks.

在过去的几年中，卷积神经网络（CNN）一直是广泛的计算机视觉任务中的主导神经架构。从图像和信号处理的角度来看，这一成功可能会令人惊讶，因为大多数CNN的固有空间金字塔设计显然违反了基本的信号处理法，即在其下采样操作中对定理进行采样。但是，由于不良的采样似乎不影响模型的准确性，因此在模型鲁棒性开始受到更多关注之前，该问题已被广泛忽略。最近的工作[17]在对抗性攻击和分布变化的背景下，毕竟表明，CNN的脆弱性与不良下降采样操作引起的混叠伪像之间存在很强的相关性。本文以这些发现为基础，并引入了一个可混合的免费下采样操作，可以轻松地插入任何CNN体系结构：频lowcut池。我们的实验表明，结合简单而快速的FGSM对抗训练，我们的超参数无操作员显着提高了模型的鲁棒性，并避免了灾难性的过度拟合。

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。

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。

对抗训练方法是针对对抗性例子的最先进（SOTA）经验防御方法。事实证明，许多正则化方法与对抗训练的组合有效。然而，这种正则化方法是在时域中实现的。由于对抗性脆弱性可以被视为一种高频现象，因此必须调节频域中的对抗训练的神经网络模型。面对这些挑战，我们对小波的正则化属性进行了理论分析，可以增强对抗性训练。我们提出了一种基于HAAR小波分解的小波正则化方法，该方法称为小波平均池。该小波正则化模块集成到宽的残留神经网络中，因此形成了新的WideWavelEtResnet模型。在CIFAR-10和CIFAR-100的数据集上，我们提出的对抗小波训练方法在不同类型的攻击下实现了相当大的鲁棒性。它验证了以下假设：我们的小波正则化方法可以增强对抗性的鲁棒性，尤其是在深宽的神经网络中。实施了频率原理（F原理）和解释性的可视化实验，以显示我们方法的有效性。提出了基于不同小波碱函数的详细比较。该代码可在存储库中获得：\ url {https://github.com/momo1986/AdversarialWavelTraining}。

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}。

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。

发言人识别系统（SRSS）最近被证明容易受到对抗攻击的影响，从而引发了重大的安全问题。在这项工作中，我们系统地研究了基于确保SRSS的基于对抗性训练的防御。根据SRSS的特征，我们提出了22种不同的转换，并使用扬声器识别的7种最新有前途的对抗攻击（4个白盒和3个Black-Box）对其进行了彻底评估。仔细考虑了国防评估中的最佳实践，我们分析了转换的强度以承受适应性攻击。我们还评估并理解它们与对抗训练相结合的自适应攻击的有效性。我们的研究提供了许多有用的见解和发现，其中许多与图像和语音识别域中的结论是新的或不一致的，例如，可变和恒定的比特率语音压缩具有不同的性能，并且某些不可差的转换仍然有效地抗衡。当前有希望的逃避技术通常在图像域中很好地工作。我们证明，与完整的白色盒子设置中的唯一对抗性训练相比，提出的新型功能级转换与对抗训练相比是相当有效的，例如，将准确性提高了13.62％，而攻击成本则达到了两个数量级，而其他攻击成本则增加了。转型不一定会提高整体防御能力。这项工作进一步阐明了该领域的研究方向。我们还发布了我们的评估平台SpeakerGuard，以促进进一步的研究。

The authors thank Nicholas Carlini (UC Berkeley) and Dimitris Tsipras (MIT) for feedback to improve the survey quality. We also acknowledge X. Huang (Uni. Liverpool), K. R. Reddy (IISC), E. Valle (UNICAMP), Y. Yoo (CLAIR) and others for providing pointers to make the survey more comprehensive.

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.

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

尽管在构建强大的神经网络方面具有明显的计算优势，但使用单步方法的对抗训练（AT）是不稳定的，因为它遭受了灾难性的过度拟合（CO）：网络在对抗性训练的第一阶段获得了非平凡的鲁棒性，但突然达到了一个阶段在几次迭代中，他们很快失去了所有鲁棒性。尽管有些作品成功地预防了CO，但导致这种显着失败模式的不同机制仍然很少理解。但是，在这项工作中，我们发现数据结构与AT动力学之间的相互作用在CO中起着基本作用。特别是，通过对自然图像的典型数据集进行主动干预，我们建立了一个因果关系。在方法上单步中的数据和CO的发作。这种新的观点提供了对导致CO的机制的重要见解，并为更好地理解强大模型构建的一般动态铺平了道路。可以在https://github.com/gortizji/co_features上找到复制本文实验的代码。

Adversarial examples that fool machine learning models, particularly deep neural networks, have been a topic of intense research interest, with attacks and defenses being developed in a tight back-and-forth. Most past defenses are best effort and have been shown to be vulnerable to sophisticated attacks. Recently a set of certified defenses have been introduced, which provide guarantees of robustness to normbounded attacks. However these defenses either do not scale to large datasets or are limited in the types of models they can support. This paper presents the first certified defense that both scales to large networks and datasets (such as Google's Inception network for ImageNet) and applies broadly to arbitrary model types. Our defense, called PixelDP, is based on a novel connection between robustness against adversarial examples and differential privacy, a cryptographically-inspired privacy formalism, that provides a rigorous, generic, and flexible foundation for defense.

Although deep neural networks (DNNs) have achieved great success in many tasks, they can often be fooled by adversarial examples that are generated by adding small but purposeful distortions to natural examples. Previous studies to defend against adversarial examples mostly focused on refining the DNN models, but have either shown limited success or required expensive computation. We propose a new strategy, feature squeezing, that can be used to harden DNN models by detecting adversarial examples. Feature squeezing reduces the search space available to an adversary by coalescing samples that correspond to many different feature vectors in the original space into a single sample. By comparing a DNN model's prediction on the original input with that on squeezed inputs, feature squeezing detects adversarial examples with high accuracy and few false positives.This paper explores two feature squeezing methods: reducing the color bit depth of each pixel and spatial smoothing. These simple strategies are inexpensive and complementary to other defenses, and can be combined in a joint detection framework to achieve high detection rates against state-of-the-art attacks.

虽然深度神经网络（DNN）在许多真实的任务中实现了出色的性能，但它们非常容易受到对抗的攻击。对抗这种攻击的主要防御是对抗的，一种技术，通过将对抗噪声引入其输入来训练DNN培训以训练为对抗性攻击的技术。此程序是有效的，但必须在培训阶段进行。在这项工作中，我们提出了增强随机森林（ARF），这是一个简单易用的策略，用于在不修改其权重的情况下强化现有的预磨损DNN。对于每个图像，我们通过应用不同颜色，模糊，噪声和几何变换来生成随机测试时间增强。然后我们使用DNN的Logits输出来训练一个简单的随机林来预测真正的类标签。我们的方法在自然图像的分类上最小的妥协，实现了最先进的对抗鲁棒性对白和黑匣子攻击的多样性。我们也针对许多适应性的白盒攻击测试ARF，并在与对抗训练结合时显示出优异的结果。代码可在https://github.com/giladcohen/arf获得。

深度卷积神经网络可以准确地分类各种自然图像，但是在设计时可能很容易被欺骗，图像中嵌入了不可察觉的扰动。在本文中，我们设计了一种多管齐下的培训，输入转换和图像集成系统，该系统是攻击不可知论的，不容易估计。我们的系统结合了两个新型功能。第一个是一个转换层，该转换层从集体级训练数据示例中计算级别的多项式内核，并且迭代更新在推理时间上基于其特征内核差异的输入图像副本，以创建转换后的输入集合。第二个是一个分类系统，该系统将未防御网络的预测结合在一起，对被过滤图像的合奏进行了硬投票。我们在CIFAR10数据集上的评估显示，我们的系统提高了未防御性网络在不同距离指标下的各种有界和无限的白色盒子攻击的鲁棒性，同时牺牲了清洁图像的精度很小。反对自适应的全知攻击者创建端到端攻击，我们的系统成功地增强了对抗训练的网络的现有鲁棒性，为此，我们的方法最有效地应用了。

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。

深神经网络（DNN）对不可感知的恶意扰动高度敏感，称为对抗性攻击。在实际成像和视觉应用中发现了这种脆弱性之后，相关的安全问题引起了广泛的研究关注，并且已经开发出许多防御技术。这些防御方法中的大多数都依赖于对抗性训练（AT） - 根据特定威胁模型对图像的分类网络进行训练，该模型定义了允许修改的幅度。尽管在带来有希望的结果的情况下，对特定威胁模型的培训未能推广到其他类型的扰动。一种不同的方法利用预处理步骤从受攻击的图像中删除对抗性扰动。在这项工作中，我们遵循后一条路径，并旨在开发一种技术，从而导致在威胁模型各种实现中的强大分类器。为此，我们利用了随机生成建模的最新进展，并将其利用它们用于从条件分布中进行采样。我们的辩护依赖于在受攻击的图像中添加高斯i.i.d噪声，然后进行了预验证的扩散过程 - 一种在脱氧网络上执行随机迭代过程的体系结构，从而产生了高感知质量质量的结果。通过在CIFAR-10数据集上进行的广泛实验，通过此随机预处理步骤获得的鲁棒性得到了验证，这表明我们的方法在各种威胁模型下都优于领先的防御方法。

Neural networks are vulnerable to adversarial examples, which poses a threat to their application in security sensitive systems. We propose high-level representation guided denoiser (HGD) as a defense for image classification. Standard denoiser suffers from the error amplification effect, in which small residual adversarial noise is progressively amplified and leads to wrong classifications. HGD overcomes this problem by using a loss function defined as the difference between the target model's outputs activated by the clean image and denoised image. Compared with ensemble adversarial training which is the state-of-the-art defending method on large images, HGD has three advantages. First, with HGD as a defense, the target model is more robust to either white-box or black-box adversarial attacks. Second, HGD can be trained on a small subset of the images and generalizes well to other images and unseen classes. Third, HGD can be transferred to defend models other than the one guiding it. In NIPS competition on defense against adversarial attacks, our HGD solution won the first place and outperformed other models by a large margin. 1 * Equal contribution.

改善深度神经网络（DNN）对抗对抗示例的鲁棒性是安全深度学习的重要而挑战性问题。跨越现有的防御技术，具有预计梯度体面（PGD）的对抗培训是最有效的。对手训练通过最大化分类丢失，通过最大限度地减少从内在最大化生成的逆势示例的丢失来解决\ excepitient {内部最大化}生成侵略性示例的初始最大优化问题。 。因此，衡量内部最大化的衡量标准是如何对对抗性培训至关重要的。在本文中，我们提出了这种标准，即限制优化（FOSC）的一阶静止条件，以定量评估内部最大化中发现的对抗性实例的收敛质量。通过FOSC，我们发现，为了确保更好的稳健性，必须在培训的\ Texit {稍后的阶段}中具有更好的收敛质量的对抗性示例。然而，在早期阶段，高收敛质量的对抗例子不是必需的，甚至可能导致稳健性差。基于这些观察，我们提出了一种\ Texit {动态}培训策略，逐步提高产生的对抗性实例的收敛质量，这显着提高了对抗性培训的鲁棒性。我们的理论和经验结果表明了该方法的有效性。