在本文中，我们提出了一种防御策略，以通过合并隐藏的层表示来改善对抗性鲁棒性。这种防御策略的关键旨在压缩或过滤输入信息，包括对抗扰动。而且这种防御策略可以被视为一种激活函数，可以应用于任何类型的神经网络。从理论上讲，我们在某些条件下也证明了这种防御策略的有效性。此外，合并隐藏层表示，我们提出了三种类型的对抗攻击，分别生成三种类型的对抗示例。实验表明，我们的防御方法可以显着改善深神经网络的对抗性鲁棒性，即使我们不采用对抗性训练，也可以实现最新的表现。

有必要提高某些特殊班级的表现，或者特别保护它们免受对抗学习的攻击。本文提出了一个将成本敏感分类和对抗性学习结合在一起的框架，以训练可以区分受保护和未受保护的类的模型，以使受保护的类别不太容易受到对抗性示例的影响。在此框架中，我们发现在训练深神经网络（称为Min-Max属性）期间，一个有趣的现象，即卷积层中大多数参数的绝对值。基于这种最小的最大属性，该属性是在随机分布的角度制定和分析的，我们进一步建立了一个针对对抗性示例的新防御模型，以改善对抗性鲁棒性。构建模型的一个优点是，它的性能比标准模型更好，并且可以与对抗性训练相结合，以提高性能。在实验上证实，对于所有类别的平均准确性，我们的模型在没有发生攻击时几乎与现有模型一样，并且在发生攻击时比现有模型更好。具体而言，关于受保护类的准确性，提议的模型比发生攻击时的现有模型要好得多。

With rapid progress and significant successes in a wide spectrum of applications, deep learning is being applied in many safety-critical environments. However, deep neural networks have been recently found vulnerable to well-designed input samples, called adversarial examples. Adversarial perturbations are imperceptible to human but can easily fool deep neural networks in the testing/deploying stage. The vulnerability to adversarial examples becomes one of the major risks for applying deep neural networks in safety-critical environments. Therefore, attacks and defenses on adversarial examples draw great attention. In this paper, we review recent findings on adversarial examples for deep neural networks, summarize the methods for generating adversarial examples, and propose a taxonomy of these methods. Under the taxonomy, applications for adversarial examples are investigated. We further elaborate on countermeasures for adversarial examples. In addition, three major challenges in adversarial examples and the potential solutions are discussed.

尽管机器学习系统的效率和可扩展性，但最近的研究表明，许多分类方法，尤其是深神经网络（DNN），易受对抗的例子;即，仔细制作欺骗训练有素的分类模型的例子，同时无法区分从自然数据到人类。这使得在安全关键区域中应用DNN或相关方法可能不安全。由于这个问题是由Biggio等人确定的。 （2013）和Szegedy等人。（2014年），在这一领域已经完成了很多工作，包括开发攻击方法，以产生对抗的例子和防御技术的构建防范这些例子。本文旨在向统计界介绍这一主题及其最新发展，主要关注对抗性示例的产生和保护。在数值实验中使用的计算代码（在Python和R）公开可用于读者探讨调查的方法。本文希望提交人们将鼓励更多统计学人员在这种重要的令人兴奋的领域的产生和捍卫对抗的例子。

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.

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。

对抗性的例子揭示了神经网络的脆弱性和不明原因的性质。研究对抗性实例的辩护具有相当大的实际重要性。大多数逆势的例子，错误分类网络通常无法被人类不可检测。在本文中，我们提出了一种防御模型，将分类器培训成具有形状偏好的人类感知分类模型。包括纹理传输网络（TTN）和辅助防御生成的对冲网络（GAN）的所提出的模型被称为人类感知辅助防御GaN（had-GaN）。 TTN用于扩展清洁图像的纹理样本，并有助于分类器聚焦在其形状上。 GaN用于为模型形成培训框架并生成必要的图像。在MNIST，时尚 - MNIST和CIFAR10上进行的一系列实验表明，所提出的模型优于网络鲁棒性的最先进的防御方法。该模型还证明了对抗性实例的防御能力的显着改善。

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.

Deep neural networks (DNNs) are one of the most prominent technologies of our time, as they achieve state-of-the-art performance in many machine learning tasks, including but not limited to image classification, text mining, and speech processing. However, recent research on DNNs has indicated ever-increasing concern on the robustness to adversarial examples, especially for security-critical tasks such as traffic sign identification for autonomous driving. Studies have unveiled the vulnerability of a well-trained DNN by demonstrating the ability of generating barely noticeable (to both human and machines) adversarial images that lead to misclassification. Furthermore, researchers have shown that these adversarial images are highly transferable by simply training and attacking a substitute model built upon the target model, known as a black-box attack to DNNs.Similar to the setting of training substitute models, in this paper we propose an effective black-box attack that also only has access to the input (images) and the output (confidence scores) of a targeted DNN. However, different from leveraging attack transferability from substitute models, we propose zeroth order optimization (ZOO) based attacks to directly estimate the gradients of the targeted DNN for generating adversarial examples. We use zeroth order stochastic coordinate descent along with dimension reduction, hierarchical attack and importance sampling techniques to * Pin-Yu Chen and Huan Zhang contribute equally to this work.

最近的研究表明，深度神经网络（DNNS）极易受到精心设计的对抗例子的影响。对那些对抗性例子的对抗性学习已被证明是防御这种攻击的最有效方法之一。目前，大多数现有的对抗示例生成方法基于一阶梯度，这几乎无法进一步改善模型的鲁棒性，尤其是在面对二阶对抗攻击时。与一阶梯度相比，二阶梯度提供了相对于自然示例的损失格局的更准确近似。受此启发的启发，我们的工作制作了二阶的对抗示例，并使用它们来训练DNNS。然而，二阶优化涉及Hessian Inverse的耗时计算。我们通过将问题转换为Krylov子空间中的优化，提出了一种近似方法，该方法显着降低了计算复杂性以加快训练过程。在矿工和CIFAR-10数据集上进行的广泛实验表明，我们使用二阶对抗示例的对抗性学习优于其他FISRT-阶方法，这可以改善针对广泛攻击的模型稳健性。

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

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。

深度学习（DL）在许多与人类相关的任务中表现出巨大的成功，这导致其在许多计算机视觉的基础应用中采用，例如安全监控系统，自治车辆和医疗保健。一旦他们拥有能力克服安全关键挑战，这种安全关键型应用程序必须绘制他们的成功部署之路。在这些挑战中，防止或/和检测对抗性实例（AES）。对手可以仔细制作小型，通常是难以察觉的，称为扰动的噪声被添加到清洁图像中以产生AE。 AE的目的是愚弄DL模型，使其成为DL应用的潜在风险。在文献中提出了许多测试时间逃避攻击和对策，即防御或检测方法。此外，还发布了很少的评论和调查，理论上展示了威胁的分类和对策方法，几乎​​没有焦点检测方法。在本文中，我们专注于图像分类任务，并试图为神经网络分类器进行测试时间逃避攻击检测方法的调查。对此类方法的详细讨论提供了在四个数据集的不同场景下的八个最先进的探测器的实验结果。我们还为这一研究方向提供了潜在的挑战和未来的观点。

通过对数据集的样本应用小而有意的最差情况扰动可以产生对抗性输入，这导致甚至最先进的深神经网络，以高信任输出不正确的答案。因此，开发了一些对抗防御技术来提高模型的安全性和稳健性，并避免它们被攻击。逐渐，攻击者和捍卫者之间的游戏类似的竞争，其中两个玩家都会试图在最大化自己的收益的同时互相反对发挥最佳策略。为了解决游戏，每个玩家都基于对对手的战略选择的预测来选择反对对手的最佳策略。在这项工作中，我们正处于防守方面，以申请防止攻击的游戏理论方法。我们使用两个随机化方法，随机初始化和随机激活修剪，以创造网络的多样性。此外，我们使用一种去噪技术，超级分辨率，通过在攻击前预处理图像来改善模型的鲁棒性。我们的实验结果表明，这三种方法可以有效提高深度学习神经网络的鲁棒性。

There has been a concurrent significant improvement in the medical images used to facilitate diagnosis and the performance of machine learning techniques to perform tasks such as classification, detection, and segmentation in recent years. As a result, a rapid increase in the usage of such systems can be observed in the healthcare industry, for instance in the form of medical image classification systems, where these models have achieved diagnostic parity with human physicians. One such application where this can be observed is in computer vision tasks such as the classification of skin lesions in dermatoscopic images. However, as stakeholders in the healthcare industry, such as insurance companies, continue to invest extensively in machine learning infrastructure, it becomes increasingly important to understand the vulnerabilities in such systems. Due to the highly critical nature of the tasks being carried out by these machine learning models, it is necessary to analyze techniques that could be used to take advantage of these vulnerabilities and methods to defend against them. This paper explores common adversarial attack techniques. The Fast Sign Gradient Method and Projected Descent Gradient are used against a Convolutional Neural Network trained to classify dermatoscopic images of skin lesions. Following that, it also discusses one of the most popular adversarial defense techniques, adversarial training. The performance of the model that has been trained on adversarial examples is then tested against the previously mentioned attacks, and recommendations to improve neural networks robustness are thus provided based on the results of the experiment.

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。

Neural networks provide state-of-the-art results for most machine learning tasks. Unfortunately, neural networks are vulnerable to adversarial examples: given an input x and any target classification t, it is possible to find a new input x that is similar to x but classified as t. This makes it difficult to apply neural networks in security-critical areas. Defensive distillation is a recently proposed approach that can take an arbitrary neural network, and increase its robustness, reducing the success rate of current attacks' ability to find adversarial examples from 95% to 0.5%.In this paper, we demonstrate that defensive distillation does not significantly increase the robustness of neural networks by introducing three new attack algorithms that are successful on both distilled and undistilled neural networks with 100% probability. Our attacks are tailored to three distance metrics used previously in the literature, and when compared to previous adversarial example generation algorithms, our attacks are often much more effective (and never worse). Furthermore, we propose using high-confidence adversarial examples in a simple transferability test we show can also be used to break defensive distillation. We hope our attacks will be used as a benchmark in future defense attempts to create neural networks that resist adversarial examples.

深度学习的进步使得广泛的有希望的应用程序。然而，这些系统容易受到对抗机器学习（AML）攻击的影响;对他们的意见的离前事实制作的扰动可能导致他们错误分类。若干最先进的对抗性攻击已经证明他们可以可靠地欺骗分类器，使这些攻击成为一个重大威胁。对抗性攻击生成算法主要侧重于创建成功的例子，同时控制噪声幅度和分布，使检测更加困难。这些攻击的潜在假设是脱机产生的对抗噪声，使其执行时间是次要考虑因素。然而，最近，攻击者机会自由地产生对抗性示例的立即对抗攻击已经可能。本文介绍了一个新问题：我们如何在实时约束下产生对抗性噪音，以支持这种实时对抗攻击？了解这一问题提高了我们对这些攻击对实时系统构成的威胁的理解，并为未来防御提供安全评估基准。因此，我们首先进行对抗生成算法的运行时间分析。普遍攻击脱机产生一般攻击，没有在线开销，并且可以应用于任何输入;然而，由于其一般性，他们的成功率是有限的。相比之下，在特定输入上工作的在线算法是计算昂贵的，使它们不适合在时间约束下的操作。因此，我们提出房间，一种新型实时在线脱机攻击施工模型，其中离线组件用于预热在线算法，使得可以在时间限制下产生高度成功的攻击。

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。

在本文中，引入了偏置分类器，即，作为激活函数的Relu的DNN的偏置部分用作分类器。这项工作是推动偏置部分是具有零梯度的分段常量函数的事实，因此不能直接被基于梯度的方法攻击，以产生诸如FGSM的对手。偏置分类器的存在被证明了提出了一种有效的校准分类方法的训练方法。证明，通过向偏置分类器添加适当的随机第一度部分，在攻击产生对原始方向的意义上获得了针对原始模型梯度的攻击的信息理论上安全分类器。这似乎是第一次提出信息理论上安全分类器的概念。提出了几种用于偏置分类器的攻击方法，并且使用数值实验表明，在大多数情况下，偏置分类器比对这些攻击的DNN更鲁棒。