Any classifier can be "smoothed out" under Gaussian noise to build a new classifier that is provably robust to $\ell_2$-adversarial perturbations, viz., by averaging its predictions over the noise via randomized smoothing. Under the smoothed classifiers, the fundamental trade-off between accuracy and (adversarial) robustness has been well evidenced in the literature: i.e., increasing the robustness of a classifier for an input can be at the expense of decreased accuracy for some other inputs. In this paper, we propose a simple training method leveraging this trade-off to obtain robust smoothed classifiers, in particular, through a sample-wise control of robustness over the training samples. We make this control feasible by using "accuracy under Gaussian noise" as an easy-to-compute proxy of adversarial robustness for an input. Specifically, we differentiate the training objective depending on this proxy to filter out samples that are unlikely to benefit from the worst-case (adversarial) objective. Our experiments show that the proposed method, despite its simplicity, consistently exhibits improved certified robustness upon state-of-the-art training methods. Somewhat surprisingly, we find these improvements persist even for other notions of robustness, e.g., to various types of common corruptions.

随机平滑是目前是最先进的方法，用于构建来自Neural Networks的可认真稳健的分类器，以防止$ \ ell_2 $ - vitersarial扰动。在范例下，分类器的稳健性与预测置信度对齐，即，对平滑分类器的较高的置信性意味着更好的鲁棒性。这使我们能够在校准平滑分类器的信仰方面重新思考准确性和鲁棒性之间的基本权衡。在本文中，我们提出了一种简单的训练方案，Coined Spiremix，通过自我混合来控制平滑分类器的鲁棒性：它沿着每个输入对逆势扰动方向进行样品的凸起组合。该提出的程序有效地识别过度自信，在平滑分类器的情况下，作为有限的稳健性的原因，并提供了一种直观的方法来自适应地在这些样本之间设置新的决策边界，以实现更好的鲁棒性。我们的实验结果表明，与现有的最先进的强大培训方法相比，该方法可以显着提高平滑分类器的认证$ \ ell_2 $ -toSpustness。

We show how to turn any classifier that classifies well under Gaussian noise into a new classifier that is certifiably robust to adversarial perturbations under the 2 norm. This "randomized smoothing" technique has been proposed recently in the literature, but existing guarantees are loose. We prove a tight robustness guarantee in 2 norm for smoothing with Gaussian noise. We use randomized smoothing to obtain an ImageNet classifier with e.g. a certified top-1 accuracy of 49% under adversarial perturbations with 2 norm less than 0.5 (=127/255). No certified defense has been shown feasible on ImageNet except for smoothing. On smaller-scale datasets where competing approaches to certified 2 robustness are viable, smoothing delivers higher certified accuracies. Our strong empirical results suggest that randomized smoothing is a promising direction for future research into adversarially robust classification. Code and models are available at http: //github.com/locuslab/smoothing.

对共同腐败的稳健性的文献表明对逆势培训是否可以提高这种环境的性能，没有达成共识。 First, we show that, when used with an appropriately selected perturbation radius, $\ell_p$ adversarial training can serve as a strong baseline against common corruptions improving both accuracy and calibration.然后，我们解释了为什么对抗性训练比具有简单高斯噪声的数据增强更好地表现，这被观察到是对共同腐败的有意义的基线。与此相关，我们确定了高斯增强过度适用于用于培训的特定标准偏差的$ \ sigma $ -oviting现象，这对培训具有显着不利影响的普通腐败精度。我们讨论如何缓解这一问题，然后如何通过学习的感知图像贴片相似度引入对抗性训练的有效放松来进一步增强$ \ ell_p $普发的培训。通过对CiFar-10和Imagenet-100的实验，我们表明我们的方法不仅改善了$ \ ell_p $普发的培训基线，而且还有累积的收益与Augmix，Deepaulment，Ant和Sin等数据增强方法，导致普通腐败的最先进的表现。我们的实验代码在HTTPS://github.com/tml-epfl/adv-training - 窗子上公开使用。

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.

深度神经网络已成为现代图像识别系统的驱动力。然而，神经网络对抗对抗性攻击的脆弱性对受这些系统影响的人构成严重威胁。在本文中，我们专注于一个真实的威胁模型，中间对手恶意拦截和erturbs网页用户上传在线。这种类型的攻击可以在简单的性能下降之上提高严重的道德问题。为了防止这种攻击，我们设计了一种新的双层优化算法，该算法在对抗对抗扰动的自然图像附近找到点。CiFar-10和Imagenet的实验表明我们的方法可以有效地强制在给定的修改预算范围内的自然图像。我们还显示所提出的方法可以在共同使用随机平滑时提高鲁棒性。

当前，随机平滑被认为是获得确切可靠分类器的最新方法。尽管其表现出色，但该方法仍与各种严重问题有关，例如``认证准确性瀑布''，认证与准确性权衡甚至公平性问题。已经提出了依赖输入的平滑方法，目的是克服这些缺陷。但是，我们证明了这些方法缺乏正式的保证，因此所产生的证书是没有道理的。我们表明，一般而言，输入依赖性平滑度遭受了维数的诅咒，迫使方差函数具有低半弹性。另一方面，我们提供了一个理论和实用的框架，即使在严格的限制下，即使在有维度的诅咒的情况下，即使在存在维度的诅咒的情况下，也可以使用依赖输入的平滑。我们提供平滑方差功能的一种混凝土设计，并在CIFAR10和MNIST上进行测试。我们的设计减轻了经典平滑的一些问题，并正式下划线，但仍需要进一步改进设计。

最近，张等人。（2021）基于$ \ ell_ \ infty $ -distance函数开发出一种新的神经网络架构，自然拥有经过认证的$ \ ell_ \ infty $坚固的稳健性。尽管具有出色的理论特性，但到目前为止的模型只能实现与传统网络的可比性。在本文中，我们通过仔细分析培训流程，大大提高了$ \ ell_ \ infty $ -distance网的认证稳健性。特别是，我们展示了$ \ ell_p $ -rexation，这是克服模型的非平滑度的关键方法，导致早期训练阶段的意外的大型嘴唇浓度。这使得优化不足以使用铰链损耗并产生次优溶液。鉴于这些调查结果，我们提出了一种简单的方法来解决上述问题，设计一种新的客观函数，这些功能将缩放的跨熵损失结合在剪切铰链损失。实验表明，使用拟议的培训策略，$ \ ell_ \ infty $-distance网的认证准确性可以从Cifar-10（$ \ epsilon = 8/255 $）的33.30％到40.06％的显着提高到40.06％，同时显着优于表现优势该地区的其他方法。我们的结果清楚地展示了$ \ ell_ \ infty $-distance净的有效性和潜力，以获得认证的稳健性。代码在https://github.com/zbh2047/l_inf-dist-net-v2上获得。

现代神经网络Excel在图像分类中，但它们仍然容易受到常见图像损坏，如模糊，斑点噪音或雾。最近的方法关注这个问题，例如Augmix和Deepaulment，引入了在预期运行的防御，以期望图像损坏分布。相比之下，$ \ ell_p $ -norm界限扰动的文献侧重于针对最坏情况损坏的防御。在这项工作中，我们通过提出防范内人来调和两种方法，这是一种优化图像到图像模型的参数来产生对外损坏的增强图像的技术。我们理论上激发了我们的方法，并为其理想化版本的一致性以及大纲领提供了足够的条件。我们的分类机器在预期对CiFar-10-C进行的常见图像腐败基准上提高了最先进的，并改善了CIFAR-10和ImageNet上的$ \ ell_p $ -norm有界扰动的最坏情况性能。

随机平滑是一种最近的技术，可以在训练中实现最先进的性能，从而确认强大的深度神经网络。虽然平滑的分布家族通常连接到用于认证的规范的选择，但这些分布的参数始终将其视为全局超级参数，独立于网络认证的输入数据。在这项工作中，我们重新访问高斯随机平滑，并表明可以在每个输入时优化高斯分布的方差，以最大程度地提高构建平滑分类器的认证半径。由于数据依赖性分类器未直接使用现有方法享受合理的认证，因此我们提出了一个可通过构造认证的记忆增强数据依赖的平滑分类器。这种新方法是通用，无参数且易于实现的。实际上，我们表明我们的数据依赖框架可以无缝地纳入3种随机平滑方法中，从而导致一致的提高认证准确性。当这些方法的训练例程中使用此框架，然后是数据依赖性认证时，我们比CIFAR10和Imagenet上0.5的最强基线的认证准确度提高了9％和6％。

Deep neural networks achieve high prediction accuracy when the train and test distributions coincide. In practice though, various types of corruptions occur which deviate from this setup and cause severe performance degradations. Few methods have been proposed to address generalization in the presence of unforeseen domain shifts. In particular, digital noise corruptions arise commonly in practice during the image acquisition stage and present a significant challenge for current robustness approaches. In this paper, we propose a diverse Gaussian noise consistency regularization method for improving robustness of image classifiers under a variety of noise corruptions while still maintaining high clean accuracy. We derive bounds to motivate and understand the behavior of our Gaussian noise consistency regularization using a local loss landscape analysis. We show that this simple approach improves robustness against various unforeseen noise corruptions by 4.2-18.4% over adversarial training and other strong diverse data augmentation baselines across several benchmarks. Furthermore, when combined with state-of-the-art diverse data augmentation techniques, experiments against state-of-the-art show our method further improves robustness accuracy by 3.7% and uncertainty calibration by 5.5% for all common corruptions on several image classification benchmarks.

由于机器学习（ML）系统变得普遍存在，因此保护其安全性至关重要。然而，最近已经证明，动机的对手能够通过使用语义转换扰乱测试数据来误导ML系统。虽然存在丰富的研究机构，但为ML模型提供了可提供的稳健性保证，以防止$ \ ell_p $ norm界限对抗对抗扰动，抵御语义扰动的保证仍然很广泛。在本文中，我们提供了TSS - 一种统一的框架，用于针对一般对抗性语义转换的鲁棒性认证。首先，根据每个转换的性质，我们将常见的变换划分为两类，即可解决的（例如，高斯模糊）和差异可解的（例如，旋转）变换。对于前者，我们提出了特定于转型的随机平滑策略并获得强大的稳健性认证。后者类别涵盖涉及插值错误的变换，我们提出了一种基于分层采样的新方法，以证明稳健性。我们的框架TSS利用这些认证策略并结合了一致性增强的培训，以提供严谨的鲁棒性认证。我们对十种挑战性语义转化进行了广泛的实验，并表明TSS显着优于现有技术。此外，据我们所知，TSS是第一种在大规模想象数据集上实现非竞争认证稳健性的方法。例如，我们的框架在ImageNet上实现了旋转攻击的30.4％认证的稳健准确性（在$ \ PM 30 ^ \ CIC $）。此外，要考虑更广泛的转换，我们展示了TSS对自适应攻击和不可预见的图像损坏，例如CIFAR-10-C和Imagenet-C。

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.

当前针对对抗性例子的最新防御方法通常着重于改善经验或认证的鲁棒性。其中，经过对抗训练的（AT）模型对对抗性例子产生了经验的最先进的防御，而无需为大型分类器或更高维度输入提供任何鲁棒性保证。相反，现有的基于随机平滑的模型实现了最新的认证鲁棒性，同时显着降低了针对对抗性例子的经验鲁棒性。在本文中，我们提出了一种称为\ emph {通过适应认证}的新颖方法，该方法将AT模型转换为推断期间的随机平滑分类器，以提供$ \ ell_2 $ norm的认证鲁棒性，而不会影响他们针对对抗性攻击的经验鲁棒性。我们还提出了\ emph {auto-noise}技术，该技术有效地近似适当的噪声水平，以使用随机平滑技术灵活地证明测试示例。我们提出的\ emph {通过\ emph {auto-noise}技术实现\ textit {平均认证半径（ACR）分数}最高$ 1.102 $和$ 1.148 $，分别用于CIFAR-10和Imagenet数据集，无需使用AT型号，影响他们的经验鲁棒性或良性准确性。因此，我们的论文是通过使用同一分类器来实现对抗性实例的经验和认证鲁棒性之间的差距的一步。

尽管深层神经网络在各种任务中取得了巨大的成功，但它们对不可察觉的对抗性扰动的脆弱性阻碍了他们在现实世界中的部署。最近，与随机合奏的作品相对于经过最小的计算开销的标准对手训练（AT）模型，对对抗性训练（AT）模型的对抗性鲁棒性有了显着改善，这使它们成为安全临界资源限制应用程序的有前途解决方案。但是，这种令人印象深刻的表现提出了一个问题：这些稳健性是由随机合奏提供的吗？在这项工作中，我们从理论和经验上都解决了这个问题。从理论上讲，我们首先确定通常采用的鲁棒性评估方法（例如自适应PGD）在这种情况下提供了错误的安全感。随后，我们提出了一种理论上有效的对抗攻击算法（ARC），即使在自适应PGD无法做到这一点的情况下，也能妥协随机合奏。我们在各种网络体系结构，培训方案，数据集和规范上进行全面的实验，以支持我们的主张，并经验证明，随机合奏实际上比在模型上更容易受到$ \ ell_p $结合的对抗性扰动的影响。我们的代码可以在https://github.com/hsndbk4/arc上找到。

作为研究界，我们仍然缺乏对对抗性稳健性的进展的系统理解，这通常使得难以识别训练强大模型中最有前途的想法。基准稳健性的关键挑战是，其评估往往是出错的导致鲁棒性高估。我们的目标是建立对抗性稳健性的标准化基准，尽可能准确地反映出考虑在合理的计算预算范围内所考虑的模型的稳健性。为此，我们首先考虑图像分类任务并在允许的型号上引入限制（可能在将来宽松）。我们评估了与AutoAtrack的对抗鲁棒性，白和黑箱攻击的集合，最近在大规模研究中显示，与原始出版物相比，改善了几乎所有稳健性评估。为防止对自动攻击进行新防御的过度适应，我们欢迎基于自适应攻击的外部评估，特别是在自动攻击稳健性潜在高估的地方。我们的排行榜，托管在https://robustbench.github.io/，包含120多个模型的评估，并旨在反映在$ \ ell_ \ infty $的一套明确的任务上的图像分类中的当前状态 - 和$ \ ell_2 $ -Threat模型和共同腐败，未来可能的扩展。此外，我们开源源是图书馆https://github.com/robustbench/robustbench，可以提供对80多个强大模型的统一访问，以方便他们的下游应用程序。最后，根据收集的模型，我们分析了稳健性对分布换档，校准，分配检测，公平性，隐私泄漏，平滑度和可转移性的影响。

现有针对对抗性示例（例如对抗训练）的防御能力通常假设对手将符合特定或已知的威胁模型，例如固定预算内的$ \ ell_p $扰动。在本文中，我们关注的是在训练过程中辩方假设的威胁模型中存在不匹配的情况，以及在测试时对手的实际功能。我们问一个问题：学习者是否会针对特定的“源”威胁模型进行训练，我们什么时候可以期望鲁棒性在测试时间期间概括为更强大的未知“目标”威胁模型？我们的主要贡献是通过不可预见的对手正式定义学习和概括的问题，这有助于我们从常规的对手的传统角度来理解对抗风险的增加。应用我们的框架，我们得出了将源和目标威胁模型之间的概括差距与特征提取器变化相关联的概括，该限制衡量了在给定威胁模型中提取的特征之间的预期最大差异。基于我们的概括结合，我们提出了具有变化正则化（AT-VR）的对抗训练，该训练在训练过程中降低了特征提取器在源威胁模型中的变化。我们从经验上证明，与标准的对抗训练相比，AT-VR可以改善测试时间内的概括，从而无法预见。此外，我们将变异正则化与感知对抗训练相结合[Laidlaw等。 2021]以实现不可预见的攻击的最新鲁棒性。我们的代码可在https://github.com/inspire-group/variation-regularization上公开获取。

与标准的训练时间相比，训练时间非常长，尤其是针对稳健模型的主要缺点，尤其是对于大型数据集而言。此外，模型不仅应适用于一个$ l_p $ - 威胁模型，而且对所有模型来说都是理想的。在本文中，我们提出了基于$ l_p $ -Balls的几何特性的多元素鲁棒性的极端规范对抗训练（E-AT）。 E-AT的成本比其他对抗性训练方法低三倍，以进行多种锻炼。使用e-at，我们证明，对于ImageNet，单个时期和CIFAR-10，三个时期足以将任何$ L_P $ - 抛光模型变成一个多符号鲁棒模型。通过这种方式，我们获得了ImageNet的第一个多元素鲁棒模型，并在CIFAR-10上提高了多个Norm鲁棒性的最新型号，以超过$ 51 \％$。最后，我们通过对不同单独的$ l_p $ threat模型之间的对抗鲁棒性进行微调研究一般的转移，并改善了Cifar-10和Imagenet上的先前的SOTA $ L_1 $ - 固定。广泛的实验表明，我们的计划在包括视觉变压器在内的数据集和架构上起作用。

由明确的反对派制作的对抗例子在机器学习中引起了重要的关注。然而，潜在虚假朋友带来的安全风险基本上被忽视了。在本文中，我们揭示了虚伪的例子的威胁 - 最初被错误分类但是虚假朋友扰乱的投入，以强迫正确的预测。虽然这种扰动的例子似乎是无害的，但我们首次指出，它们可能是恶意地用来隐瞒评估期间不合格（即，不如所需）模型的错误。一旦部署者信任虚伪的性能并在真实应用程序中应用“良好的”模型，即使在良性环境中也可能发生意外的失败。更严重的是，这种安全风险似乎是普遍存在的：我们发现许多类型的不合标准模型易受多个数据集的虚伪示例。此外，我们提供了第一次尝试，以称为虚伪风险的公制表征威胁，并试图通过一些对策来规避它。结果表明对策的有效性，即使在自适应稳健的培训之后，风险仍然是不可忽视的。