尽管对抗性和自然训练（AT和NT）之间有基本的区别，但在方法中，通常采用动量SGD（MSGD）进行外部优化。本文旨在通过研究AT中外部优化的忽视作用来分析此选择。我们的探索性评估表明，与NT相比，在诱导较高的梯度规范和方差。由于MSGD的收敛速率高度取决于梯度的方差，因此这种现象阻碍了AT的外部优化。为此，我们提出了一种称为ENGM的优化方法，该方法将每个输入示例对平均微型批次梯度的贡献进行正规化。我们证明ENGM的收敛速率与梯度的方差无关，因此适合AT。我们介绍了一种技巧，可以使用有关梯度范围W.R.T.规范的相关性的经验观察来降低ENGM的计算成本。网络参数和输入示例。我们对CIFAR-10，CIFAR-100和Tinyimagenet的广泛评估和消融研究表明，Engm及其变体一致地改善了广泛的AT方法的性能。此外，Engm减轻了AT的主要缺点，包括强大的过度拟合和对超参数设置的敏感性。

The study on improving the robustness of deep neural networks against adversarial examples grows rapidly in recent years. Among them, adversarial training is the most promising one, which flattens the input loss landscape (loss change with respect to input) via training on adversarially perturbed examples. However, how the widely used weight loss landscape (loss change with respect to weight) performs in adversarial training is rarely explored. In this paper, we investigate the weight loss landscape from a new perspective, and identify a clear correlation between the flatness of weight loss landscape and robust generalization gap. Several well-recognized adversarial training improvements, such as early stopping, designing new objective functions, or leveraging unlabeled data, all implicitly flatten the weight loss landscape. Based on these observations, we propose a simple yet effective Adversarial Weight Perturbation (AWP) to explicitly regularize the flatness of weight loss landscape, forming a double-perturbation mechanism in the adversarial training framework that adversarially perturbs both inputs and weights. Extensive experiments demonstrate that AWP indeed brings flatter weight loss landscape and can be easily incorporated into various existing adversarial training methods to further boost their adversarial robustness.

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

对抗性训练遭受了稳健的过度装备，这是一种现象，在训练期间鲁棒测试精度开始减少。在本文中，我们专注于通过使用常见的数据增强方案来减少强大的过度装备。我们证明，与先前的发现相反，当与模型重量平均结合时，数据增强可以显着提高鲁棒精度。此外，我们比较各种增强技术，并观察到空间组合技术适用于对抗性培训。最后，我们评估了我们在Cifar-10上的方法，而不是$ \ ell_ indty $和$ \ ell_2 $ norm-indeded扰动分别为尺寸$ \ epsilon = 8/255 $和$ \ epsilon = 128/255 $。与以前的最先进的方法相比，我们表现出+ 2.93％的绝对改善+ 2.93％，+ 2.16％。特别是，反对$ \ ell_ infty $ norm-indeded扰动尺寸$ \ epsilon = 8/255 $，我们的模型达到60.07％的强劲准确性而不使用任何外部数据。我们还通过这种方法实现了显着的性能提升，同时使用其他架构和数据集如CiFar-100，SVHN和TinyimageNet。

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。

Adversarial training is widely used to improve the robustness of deep neural networks to adversarial attack. However, adversarial training is prone to overfitting, and the cause is far from clear. This work sheds light on the mechanisms underlying overfitting through analyzing the loss landscape w.r.t. the input. We find that robust overfitting results from standard training, specifically the minimization of the clean loss, and can be mitigated by regularization of the loss gradients. Moreover, we find that robust overfitting turns severer during adversarial training partially because the gradient regularization effect of adversarial training becomes weaker due to the increase in the loss landscapes curvature. To improve robust generalization, we propose a new regularizer to smooth the loss landscape by penalizing the weighted logits variation along the adversarial direction. Our method significantly mitigates robust overfitting and achieves the highest robustness and efficiency compared to similar previous methods. Code is available at https://github.com/TreeLLi/Combating-RO-AdvLC.

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。

对抗性例子的现象说明了深神经网络最基本的漏洞之一。在推出这一固有的弱点的各种技术中，对抗性训练已成为学习健壮模型的最有效策略。通常，这是通过平衡强大和自然目标来实现的。在这项工作中，我们旨在通过执行域不变的功能表示，进一步优化鲁棒和标准准确性之间的权衡。我们提出了一种新的对抗训练方法，域不变的对手学习（DIAL），该方法学习了一个既健壮又不变的功能表示形式。拨盘使用自然域及其相应的对抗域上的域对抗神经网络（DANN）的变体。在源域由自然示例组成和目标域组成的情况下，是对抗性扰动的示例，我们的方法学习了一个被限制的特征表示，以免区分自然和对抗性示例，因此可以实现更强大的表示。拨盘是一种通用和模块化技术，可以轻松地将其纳入任何对抗训练方法中。我们的实验表明，将拨号纳入对抗训练过程中可以提高鲁棒性和标准精度。

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。

Adversarial training based on the minimax formulation is necessary for obtaining adversarial robustness of trained models. However, it is conservative or even pessimistic so that it sometimes hurts the natural generalization. In this paper, we raise a fundamental question-do we have to trade off natural generalization for adversarial robustness? We argue that adversarial training is to employ confident adversarial data for updating the current model. We propose a novel formulation of friendly adversarial training (FAT): rather than employing most adversarial data maximizing the loss, we search for least adversarial data (i.e., friendly adversarial data) minimizing the loss, among the adversarial data that are confidently misclassified. Our novel formulation is easy to implement by just stopping the most adversarial data searching algorithms such as PGD (projected gradient descent) early, which we call early-stopped PGD. Theoretically, FAT is justified by an upper bound of the adversarial risk. Empirically, early-stopped PGD allows us to answer the earlier question negatively-adversarial robustness can indeed be achieved without compromising the natural generalization.* Equal contribution † Preliminary work was done during an internship at RIKEN AIP.

对抗性培训（AT）已成为一种广泛认可的防御机制，以提高深度神经网络对抗对抗攻击的鲁棒性。它解决了最小的最大优化问题，其中最小化器（即，后卫）寻求稳健的模型，以最小化由最大化器（即，攻击者）制成的对抗示例存在的最坏情况训练损失。然而，Min-Max的性质在计算密集并因此难以扩展。同时，快速算法，实际上，许多最近改进的算法，通过替换基于简单的单次梯度标志的攻击生成步骤来简化基于最大化步骤的最小值。虽然易于实施，快速缺乏理论保证，其实际表现可能是不令人满意的，患有强大的对手训练时的鲁棒性灾难性过度。在本文中，我们从双级优化（BLO）的角度来看，旨在快速设计。首先，首先进行关键观察，即快速at的最常用的算法规范等同于使用一些梯度下降型算法来解决涉及符号操作的双级问题。然而，标志操作的离散性使得难以理解算法的性能。基于上述观察，我们提出了一种新的遗传性双层优化问题，设计和分析了一组新的算法（快速蝙蝠）。 FAST-BAT能够捍卫基于符号的投影梯度下降（PGD）攻击，而无需调用任何渐变标志方法和明确的鲁棒正则化。此外，我们经验证明，通过在不诱导鲁棒性灾难性过度的情况下实现卓越的模型稳健性，或患有任何标准精度损失的稳健性，我们的方法优于最先进的快速基线。

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。

已知深神经网络（DNN）容易受到对抗性攻击的影响。已经提出了一系列防御方法来培训普遍稳健的DNN，其中对抗性培训已经证明了有希望的结果。然而，尽管对对抗性培训开发的初步理解，但从架构角度来看，它仍然不明确，从架构角度来看，什么配置可以导致更强大的DNN。在本文中，我们通过全面调查网络宽度和深度对前对方培训的DNN的鲁棒性的全面调查来解决这一差距。具体地，我们进行以下关键观察：1）更多参数（更高的模型容量）不一定有助于对抗冒险; 2）网络的最后阶段（最后一组块）降低能力实际上可以改善对抗性的鲁棒性; 3）在相同的参数预算下，存在对抗性鲁棒性的最佳架构配置。我们还提供了一个理论分析，解释了为什么这种网络配置可以帮助鲁棒性。这些架构见解可以帮助设计对抗的强制性DNN。代码可用于\ url {https://github.com/hanxunh/robustwrn}。

对敌对训练（AT）作为最小值优化问题，可以有效地增强模型对对抗攻击的鲁棒性。现有的AT方法主要集中于操纵内部最大化，以生成质量对抗性变体或操纵外部最小化以设计有效的学习目标。然而，始终表现出与准确性和跨界混合物问题存在的鲁棒性的经验结果，这激发了我们研究某些标签随机性以使AT受益。首先，我们分别对AT的内部最大化和外部最小化进行彻底研究嘈杂的标签（NLS）注射，并获得有关NL注射益处AT何时的观察结果。其次，根据观察结果，我们提出了一种简单但有效的方法 - Noilin将NLS随机注入每个训练时期的训练数据，并在发生强大的过度拟合后动态提高NL注入率。从经验上讲，Noilin可以显着减轻AT的不良过度拟合的不良问题，甚至进一步改善了最新方法的概括。从哲学上讲，Noilin阐明了与NLS学习的新观点：NLS不应总是被视为有害的，即使在培训集中没有NLS的情况下，我们也可以考虑故意注射它们。代码可在https://github.com/zjfheart/noilin中找到。

It is common practice in deep learning to use overparameterized networks and train for as long as possible; there are numerous studies that show, both theoretically and empirically, that such practices surprisingly do not unduly harm the generalization performance of the classifier. In this paper, we empirically study this phenomenon in the setting of adversarially trained deep networks, which are trained to minimize the loss under worst-case adversarial perturbations. We find that overfitting to the training set does in fact harm robust performance to a very large degree in adversarially robust training across multiple datasets (SVHN, CIFAR-10, CIFAR-100, and ImageNet) and perturbation models ( ∞ and 2 ). Based upon this observed effect, we show that the performance gains of virtually all recent algorithmic improvements upon adversarial training can be matched by simply using early stopping. We also show that effects such as the double descent curve do still occur in adversarially trained models, yet fail to explain the observed overfitting. Finally, we study several classical and modern deep learning remedies for overfitting, including regularization and data augmentation, and find that no approach in isolation improves significantly upon the gains achieved by early stopping. All code for reproducing the experiments as well as pretrained model weights and training logs can be found at https://github.com/ locuslab/robust_overfitting.

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.

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。

对抗性培训（AT）已成为培训强大网络的热门选择。然而，它倾向于牺牲清洁精度，以令人满意的鲁棒性，并且遭受大的概括误差。为了解决这些问题，我们提出了平稳的对抗培训（SAT），以我们对损失令人歉端的损失的终人谱指导。 We find that curriculum learning, a scheme that emphasizes on starting "easy" and gradually ramping up on the "difficulty" of training, smooths the adversarial loss landscape for a suitably chosen difficulty metric.我们展示了对普通环境中的课程学习的一般制定，并提出了一种基于最大Hessian特征值（H-SAT）和软MAX概率（P-SA）的两个难度指标。我们展示SAT稳定网络培训即使是大型扰动规范，并且允许网络以更好的清洁精度运行而与鲁棒性权衡曲线相比。与AT，交易和其他基线相比，这导致清洁精度和鲁棒性的显着改善。为了突出一些结果，我们的最佳模型将分别在CIFAR-100上提高6％和1％的稳健准确性。在Imagenette上，一个十一级想象成的子集，我们的模型分别以正常和强大的准确性达到23％和3％。

对抗训练（AT）在防御对抗例子方面表现出色。最近的研究表明，示例对于AT期间模型的最终鲁棒性并不同样重要，即，所谓的硬示例可以攻击容易表现出比对最终鲁棒性的鲁棒示例更大的影响。因此，保证硬示例的鲁棒性对于改善模型的最终鲁棒性至关重要。但是，定义有效的启发式方法来寻找辛苦示例仍然很困难。在本文中，受到信息瓶颈（IB）原则的启发，我们发现了一个具有高度共同信息及其相关的潜在表示的例子，更有可能受到攻击。基于此观察，我们提出了一种新颖有效的对抗训练方法（Infoat）。鼓励Infoat找到具有高相互信息的示例，并有效利用它们以提高模型的最终鲁棒性。实验结果表明，与几种最先进的方法相比，Infoat在不同数据集和模型之间达到了最佳的鲁棒性。

差异隐私（DP）提供了正式的隐私保证，以防止对手可以访问机器学习模型，从而从提取有关单个培训点的信息。最受欢迎的DP训练方法是差异私有随机梯度下降（DP-SGD），它通过在训练过程中注入噪声来实现这种保护。然而，以前的工作发现，DP-SGD通常会导致标准图像分类基准的性能显着降解。此外，一些作者假设DP-SGD在大型模型上固有地表现不佳，因为保留隐私所需的噪声规范与模型维度成正比。相反，我们证明了过度参数化模型上的DP-SGD可以比以前想象的要好得多。将仔细的超参数调整与简单技术结合起来，以确保信号传播并提高收敛速率，我们获得了新的SOTA，而没有额外数据的CIFAR-10，在81.4％的81.4％下（8，10^{ - 5}） - 使用40 -layer wide-Resnet，比以前的SOTA提高了71.7％。当对预训练的NFNET-F3进行微调时，我们在ImageNet（0.5，8*10^{ - 7}）下达到了83.8％的TOP-1精度。此外，我们还在（8，8 \ cdot 10^{ - 7}）下达到了86.7％的TOP-1精度，DP仅比当前的非私人SOTA仅4.3％。我们认为，我们的结果是缩小私人图像分类和非私有图像分类之间准确性差距的重要一步。