在深层网络的对抗培训中，强大的过度拟合存在。确切的基本原因仍然尚未完全理解。在这里，我们通过比较\ emph {non-overFit}（弱对手）和\ emph {过拟合}（强烈的对手）对抗性训练的数据分布来探索强大过度适应的原因，并观察到由对抗数据的分布弱对手主要包含小数据。但是，强对手产生的对抗数据更加多样化，分布在大损失数据和小数据上。鉴于这些观察结果，我们进一步设计了数据消融对抗训练，并确定一些不值得对对手强度的小损坏数据会导致在强烈的对手模式下强大的过度拟合。为了缓解这个问题，我们建议\ emph {最小损失约束对抗训练}（MLCAT）：在MiniBatch中，我们照常学习大型数据，并采取其他措施来增加小数据的损失。从技术上讲，MLCAT在易于学习以防止强大的过度拟合时阻碍数据拟合；从哲学上讲，MLCAT反映了将浪费变成宝藏并充分利用每个对抗数据的精神。从算法上讲，我们设计了MLCAT的两个实现，广泛的实验表明MLCAT可以消除强大的过度拟合并进一步增强对抗性的鲁棒性。

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.

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。

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.

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。

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。

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。

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.

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。

当有大量的计算资源可用时，AutoAttack（AA）是评估对抗性鲁棒性的最可靠方法。但是，高计算成本（例如，比项目梯度下降攻击的100倍）使AA对于具有有限计算资源的从业者来说是不可行的，并且也阻碍了AA在对抗培训中的应用（AT）。在本文中，我们提出了一种新颖的方法，即最小利润率（MM）攻击，以快速可靠地评估对抗性鲁棒性。与AA相比，我们的方法可实现可比的性能，但在广泛的实验中仅占计算时间的3％。我们方法的可靠性在于，我们使用两个目标之间的边缘来评估对抗性示例的质量，这些目标可以精确地识别最对抗性的示例。我们方法的计算效率在于有效的顺序目标排名选择（星形）方法，以确保MM攻击的成本与类数无关。 MM攻击开辟了一种评估对抗性鲁棒性的新方法，并提供了一种可行且可靠的方式来生成高质量的对抗示例。

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。

Adversarial training, a method for learning robust deep networks, is typically assumed to be more expensive than traditional training due to the necessity of constructing adversarial examples via a first-order method like projected gradient decent (PGD). In this paper, we make the surprising discovery that it is possible to train empirically robust models using a much weaker and cheaper adversary, an approach that was previously believed to be ineffective, rendering the method no more costly than standard training in practice. Specifically, we show that adversarial training with the fast gradient sign method (FGSM), when combined with random initialization, is as effective as PGD-based training but has significantly lower cost. Furthermore we show that FGSM adversarial training can be further accelerated by using standard techniques for efficient training of deep networks, allowing us to learn a robust CIFAR10 classifier with 45% robust accuracy to PGD attacks with = 8/255 in 6 minutes, and a robust ImageNet classifier with 43% robust accuracy at = 2/255 in 12 hours, in comparison to past work based on "free" adversarial training which took 10 and 50 hours to reach the same respective thresholds. Finally, we identify a failure mode referred to as "catastrophic overfitting" which may have caused previous attempts to use FGSM adversarial training to fail. All code for reproducing the experiments in this paper as well as pretrained model weights are at https://github.com/locuslab/fast_adversarial.

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。

在本文中，我们研究了通过减少优化难度来改善对抗性训练（AT）获得的对抗性鲁棒性。为了更好地研究这个问题，我们为AT建立了一个新颖的Bregman Divergence观点，其中可以将其视为负熵曲线上训练数据点的滑动过程。基于这个观点，我们分析了方法（即PGD-AT和Trades）的两个典型方法的学习目标，并且我们发现交易的优化过程比PGD-AT更容易，而PGD-AT则将PGD-AT分开。此外，我们讨论了熵在贸易中的功能，我们发现具有高熵的模型可以是更好的鲁棒性学习者。受到上述发现的启发，我们提出了两种方法，即伪造和MER，它们不仅可以减少10步PGD对手下优化的难度，而且还可以提供更好的鲁棒性。我们的工作表明，在10步PGD对手下减少优化的难度是增强AT中对抗性鲁棒性的一种有前途的方法。

几个数据增强方法部署了未标记的分配（UID）数据，以弥合神经网络的培训和推理之间的差距。然而，这些方法在UID数据的可用性方面具有明确的限制和伪标签上的算法的依赖性。在此，我们提出了一种数据增强方法，通过使用缺乏上述问题的分发（OOD）数据来改善对抗和标准学习的泛化。我们展示了如何在理论上使用每个学习场景中的数据来改进泛化，并通过Cifar-10，CiFar-100和ImageNet的子集进行化学理论分析。结果表明，即使在似乎与人类角度几乎没有相关的图像数据中也是不希望的特征。我们还通过与其他数据增强方法进行比较，介绍了所提出的方法的优点，这些方法可以在没有UID数据的情况下使用。此外，我们证明该方法可以进一步改善现有的最先进的对抗培训。

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。

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。

对抗性训练是为了增强针对对抗性攻击的鲁棒性，它引起了很多关注，因为它很容易产生人类侵蚀的数据扰动，以欺骗给定的深层神经网络。在本文中，我们提出了一种新的对抗性培训算法，该算法在理论上具有良好的动机和经验上优于其他现有算法。该算法的新功能是使用数据自适应正则化来鲁棒化预测模型。我们将更多的正则化应用于更容易受到对抗攻击的数据，反之亦然。尽管数据自适应正则化的想法并不是什么新鲜事物，但我们的数据自适应正则化具有牢固的理论基础，可以减少稳健风险的上限。数值实验表明，我们提出的算法同时提高了概括（清洁样品的准确性）和鲁棒性（对对抗性攻击的准确性），以实现最先进的性能。

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.

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。