在过去的十年中，基于深度学习的网络在包括图像分类在内的许多任务中取得了前所未有的成功。尽管取得了非凡的成就，但最近的研究表明，这种网络很容易被小小的恶意扰动（也称为对抗性例子）所愚弄。这种安全弱点导致广泛的研究旨在获得强大的模型。除了此类模型的明显鲁棒性优势之外，还观察到，它们相对于人类感知的梯度。几项作品已将感知一致的梯度（PAG）确定为强大训练的副产品，但没有人认为它是独立现象，也没有研究其自身的含义。在这项工作中，我们专注于这种特征，并测试感知一致性梯度是否暗示着稳健性。为此，我们开发了一个新颖的目标，可以直接在训练分类器中促进PAG，并检查具有此类梯度的模型是否对对抗性攻击更强大。关于CIFAR-10和STL的广泛实验验证了此类模型可以提高稳健性能，从而揭示了PAG和稳健性之间令人惊讶的双向连接。

降级扩散概率模型（DDPM）是最近获得最新结果的生成模型系列。为了获得类条件生成，建议通过从时间依赖性分类器中梯度指导扩散过程。尽管这个想法在理论上是合理的，但基于深度学习的分类器臭名昭著地容易受到基于梯度的对抗攻击的影响。因此，尽管传统分类器可能会达到良好的精度分数，但它们的梯度可能不可靠，并可能阻碍了生成结果的改善。最近的工作发现，对抗性稳健的分类器表现出与人类感知一致的梯度，这些梯度可以更好地指导生成过程，以实现语义有意义的图像。我们通过定义和训练时间依赖性的对抗性分类器来利用这一观察结果，并将其用作生成扩散模型的指导。在有关高度挑战性和多样化的Imagenet数据集的实验中，我们的方案引入了更明显的中间梯度，更好地与理论发现的一致性以及在几个评估指标下的改进的生成结果。此外，我们进行了一项意见调查，其发现表明人类评估者更喜欢我们的方法的结果。

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。

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。

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

对抗性可转移性是一种有趣的性质 - 针对一个模型制作的对抗性扰动也是对另一个模型有效的，而这些模型来自不同的模型家庭或培训过程。为了更好地保护ML系统免受对抗性攻击，提出了几个问题：对抗性转移性的充分条件是什么，以及如何绑定它？有没有办法降低对抗的转移性，以改善合奏ML模型的鲁棒性？为了回答这些问题，在这项工作中，我们首先在理论上分析和概述了模型之间的对抗性可转移的充分条件;然后提出一种实用的算法，以减少集合内基础模型之间的可转换，以提高其鲁棒性。我们的理论分析表明，只有促进基础模型梯度之间的正交性不足以确保低可转移性;与此同时，模型平滑度是控制可转移性的重要因素。我们还在某些条件下提供了对抗性可转移性的下界和上限。灵感来自我们的理论分析，我们提出了一种有效的可转让性，减少了平滑（TRS）集合培训策略，以通过实施基础模型之间的梯度正交性和模型平滑度来培训具有低可转换性的强大集成。我们对TRS进行了广泛的实验，并与6个最先进的集合基线进行比较，防止不同数据集的8个白箱攻击，表明所提出的TRS显着优于所有基线。

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.

本文研究了深度神经网络训练期间的语义对齐功能如何增加网络鲁棒性。最近的作品观察到对抗性训练导致强大的模型，其学众的特征似乎与人类感知相关。通过这种联系的启发，从鲁棒性到语义，我们研究了互补的连接：从语义到鲁棒性。为此，我们为基于距离的分类模型（基于群集的分类器）提供了一种稳健性证书。此外，我们表明该证书紧张，我们利用它提出植入攻击（鲁棒性培训），是一种基于集群和对抗的培训框架来学习强大的模型。有趣的是，\ Textit {Clustr}在强大的PGD攻击下优于普遍训练的网络，高达4 \％$ 4 \％。

作为反对攻击的最有效的防御方法之一，对抗性训练倾向于学习包容性的决策边界，以提高深度学习模型的鲁棒性。但是，由于沿对抗方向的边缘的大幅度和不必要的增加，对抗性训练会在自然实例和对抗性示例之间引起严重的交叉，这不利于平衡稳健性和自然准确性之间的权衡。在本文中，我们提出了一种新颖的对抗训练计划，以在稳健性和自然准确性之间进行更好的权衡。它旨在学习一个中度包容的决策边界，这意味着决策边界下的自然示例的边缘是中等的。我们称此方案为中等边缘的对抗训练（MMAT），该方案生成更细粒度的对抗示例以减轻交叉问题。我们还利用了经过良好培训的教师模型的逻辑来指导我们的模型学习。最后，MMAT在Black-Box和White-Box攻击下都可以实现高自然的精度和鲁棒性。例如，在SVHN上，实现了最新的鲁棒性和自然精度。

We show that there may exist an inherent tension between the goal of adversarial robustness and that of standard generalization. Specifically, training robust models may not only be more resource-consuming, but also lead to a reduction of standard accuracy. We demonstrate that this trade-off between the standard accuracy of a model and its robustness to adversarial perturbations provably exists in a fairly simple and natural setting. These findings also corroborate a similar phenomenon observed empirically in more complex settings. Further, we argue that this phenomenon is a consequence of robust classifiers learning fundamentally different feature representations than standard classifiers. These differences, in particular, seem to result in unexpected benefits: the representations learned by robust models tend to align better with salient data characteristics and human perception.

Adversarial examples have attracted significant attention in machine learning, but the reasons for their existence and pervasiveness remain unclear. We demonstrate that adversarial examples can be directly attributed to the presence of non-robust features: features (derived from patterns in the data distribution) that are highly predictive, yet brittle and (thus) incomprehensible to humans. After capturing these features within a theoretical framework, we establish their widespread existence in standard datasets. Finally, we present a simple setting where we can rigorously tie the phenomena we observe in practice to a misalignment between the (human-specified) notion of robustness and the inherent geometry of the data.

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。

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。

Designing powerful adversarial attacks is of paramount importance for the evaluation of $\ell_p$-bounded adversarial defenses. Projected Gradient Descent (PGD) is one of the most effective and conceptually simple algorithms to generate such adversaries. The search space of PGD is dictated by the steepest ascent directions of an objective. Despite the plethora of objective function choices, there is no universally superior option and robustness overestimation may arise from ill-suited objective selection. Driven by this observation, we postulate that the combination of different objectives through a simple loss alternating scheme renders PGD more robust towards design choices. We experimentally verify this assertion on a synthetic-data example and by evaluating our proposed method across 25 different $\ell_{\infty}$-robust models and 3 datasets. The performance improvement is consistent, when compared to the single loss counterparts. In the CIFAR-10 dataset, our strongest adversarial attack outperforms all of the white-box components of AutoAttack (AA) ensemble, as well as the most powerful attacks existing on the literature, achieving state-of-the-art results in the computational budget of our study ($T=100$, no restarts).

深度神经网络（DNNS）最近在许多分类任务中取得了巨大的成功。不幸的是，它们容易受到对抗性攻击的影响，这些攻击会产生对抗性示例，这些示例具有很小的扰动，以欺骗DNN模型，尤其是在模型共享方案中。事实证明，对抗性训练是最有效的策略，它将对抗性示例注入模型训练中，以提高DNN模型的稳健性，以对对抗性攻击。但是，基于现有的对抗性示例的对抗训练无法很好地推广到标准，不受干扰的测试数据。为了在标准准确性和对抗性鲁棒性之间取得更好的权衡，我们提出了一个新型的对抗训练框架，称为潜在边界引导的对抗训练（梯子），该训练（梯子）在潜在的边界引导的对抗性示例上对对手进行对手训练DNN模型。与大多数在输入空间中生成对抗示例的现有方法相反，梯子通过增加对潜在特征的扰动而产生了无数的高质量对抗示例。扰动是沿SVM构建的具有注意机制的决策边界的正常情况进行的。我们从边界场的角度和可视化视图分析了生成的边界引导的对抗示例的优点。与Vanilla DNN和竞争性底线相比，对MNIST，SVHN，CELEBA和CIFAR-10的广泛实验和详细分析验证了梯子在标准准确性和对抗性鲁棒性之间取得更好的权衡方面的有效性。

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。

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。

为了应对对抗性实例的威胁，对抗性培训提供了一种有吸引力的选择，可以通过在线增强的对抗示例中的培训模型提高模型稳健性。然而，大多数现有的对抗训练方法通过强化对抗性示例来侧重于提高鲁棒的准确性，但忽略了天然数据和对抗性实施例之间的增加，导致自然精度急剧下降。为了维持自然和强大的准确性之间的权衡，我们从特征适应的角度缓解了转变，并提出了一种特征自适应对抗训练（FAAT），这些培训（FAAT）跨越自然数据和对抗示例优化类条件特征适应。具体而言，我们建议纳入一类条件鉴别者，以鼓励特征成为（1）类鉴别的和（2）不变导致对抗性攻击的变化。新型的FAAT框架通过在天然和对抗数据中产生具有类似分布的特征来实现自然和强大的准确性之间的权衡，并实现从类鉴别特征特征中受益的更高的整体鲁棒性。在各种数据集上的实验表明，FAAT产生更多辨别特征，并对最先进的方法表现有利。代码在https://github.com/visionflow/faat中获得。

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.