感知相似的圖像分類對(duì)抗樣本生成模型

李俊杰，王 茜

重慶大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶 400044

1 引言

隨著計(jì)算能力與數(shù)據(jù)量的提升，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，如圖像分類、文本分析、語音處理等。在一些安全敏感的領(lǐng)域，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同樣被廣泛使用，比如自動(dòng)駕駛、智能醫(yī)療、人臉識(shí)別等。然而，近年來的研究工作發(fā)現(xiàn)：在輸入數(shù)據(jù)上增加微小的修改與擾動(dòng)，可以輕松造成主流深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的誤判，這些造成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型誤判的樣本稱為對(duì)抗樣本。對(duì)抗樣本的出現(xiàn)，顯示出深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抵御攻擊的脆弱性，這為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在安全敏感領(lǐng)域的應(yīng)用帶來不確定性，比如經(jīng)過修改的交通標(biāo)志對(duì)抗樣本會(huì)被自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的分類模型錯(cuò)誤識(shí)別，繼而做出錯(cuò)誤駕駛判斷，造成嚴(yán)重后果[4]。因此，需要通過研究對(duì)抗樣本來進(jìn)一步認(rèn)識(shí)現(xiàn)有主流深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的脆弱性，進(jìn)而提高模型對(duì)對(duì)抗樣本的魯棒性。

近年來，出現(xiàn)了越來越多生成對(duì)抗樣本的方法。其中一類方法是迭代修改輸入圖像的像素值，直到輸入圖像被分類器錯(cuò)誤分類。這種基于迭代修改原圖來生成對(duì)抗樣本的方法，雖然可以最大程度限制修改的像素?cái)?shù)量與像素幅度值，從而生成人眼觀察難與原圖做分辨的對(duì)抗樣本，但是每一次迭代都需要大量的計(jì)算，如梯度計(jì)算、雅各比矩陣計(jì)算等，這些龐大的計(jì)算量極大地增加了生成一個(gè)對(duì)抗樣本的時(shí)間，如Carlini 和Wagner 在文獻(xiàn)[5]中提出的生成對(duì)抗樣本的方法，可以成功攻擊具有防御能力的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并且其生成的對(duì)抗樣本與原圖相比難以被人眼察覺，但是該方法生成一個(gè)對(duì)抗樣本需要數(shù)分鐘的時(shí)間，這在時(shí)間要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中是不可用的。

基于生成器來生成對(duì)抗樣本的方法有效減少了生成對(duì)抗樣本的時(shí)間，其只需訓(xùn)練生成器生成一個(gè)擾動(dòng)，然后將生成的擾動(dòng)疊加到輸入圖像上，就可以得到一個(gè)對(duì)抗樣本。雖然訓(xùn)練需要一定時(shí)間，但是當(dāng)模型訓(xùn)練完成后，利用模型生成對(duì)抗樣本的時(shí)間僅為幾毫秒。該類方法通過Lp范數(shù)來限制生成器生成的擾動(dòng)的幅度，以使生成的擾動(dòng)疊加在原圖之上人眼不易識(shí)別。雖然限制Lp范數(shù)為很小的距離可以降低對(duì)抗樣本與原圖的差異，但同時(shí)也會(huì)降低攻擊成功率；而減小對(duì)Lp范數(shù)限制以保持攻擊成功率，則會(huì)使生成的擾動(dòng)具有明顯的紋理特征，當(dāng)這些擾動(dòng)被疊加到原圖上時(shí)，這些紋理會(huì)極易被人眼觀察到。

現(xiàn)有的基于生成器生成的對(duì)抗樣本易被人眼察覺的原因有兩點(diǎn)：首先，對(duì)抗樣本是在原圖上疊加一個(gè)生成器生成的擾動(dòng)，也就是原圖加上紋理，分類器通過這個(gè)紋理的特征做出錯(cuò)誤分類，而疊加的紋理易被人眼觀察到。實(shí)際上，除了疊加擾動(dòng)，對(duì)原圖的變換、旋轉(zhuǎn)、顏色改變等都可以使分類器分類失誤[6-7]。其次，基于Lp范數(shù)來評(píng)價(jià)對(duì)抗樣本與原圖的相似性與人眼觀察上兩張圖像的相似性有相當(dāng)?shù)膮^(qū)別。使用Lp范數(shù)來限制生成擾動(dòng)只是限制了像素內(nèi)容上的差異和距離，但在多數(shù)情況下，這并不能有效避免生成的擾動(dòng)易被人眼察覺的問題。

本文在圖像分類領(lǐng)域的對(duì)抗樣本生成任務(wù)中，主要做出以下創(chuàng)新與改進(jìn)來提高生成對(duì)抗樣本的效率，并在保持對(duì)抗樣本攻擊成功率的基礎(chǔ)上，有效提升對(duì)抗樣本與原圖之間人眼觀察的相似性。

（1）提出了一個(gè)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neural networks，DNN）生成器生成對(duì)抗樣本的模型GPAE

（generative perceptual adversarial example）。GPAE模型以原圖作為輸入，生成器直接生成可以攻擊分類模型的對(duì)抗樣本。相比于其他基于生成器的對(duì)抗樣本生成模型，GPAE 模型將對(duì)抗樣本生成看作是對(duì)原圖進(jìn)行圖像增強(qiáng)操作，而不再看作是對(duì)原圖疊加擾動(dòng)的操作，這使得GPAE 盡可能將對(duì)原圖的改動(dòng)分布在圖像結(jié)構(gòu)邊緣等人眼不易察覺的區(qū)域，因此在保持對(duì)抗攻擊成功率的基礎(chǔ)上，GPAE 有效提升了對(duì)抗樣本與原圖的結(jié)構(gòu)相似性指標(biāo)（structural similarity index，SSIM），使人眼觀察不易察覺出區(qū)別。同時(shí)GPAE引入生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（generative adversarial networks，GAN），保證了生成對(duì)抗樣本圖像的真實(shí)性。

（2）為進(jìn)一步提高對(duì)抗樣本與原圖之間人眼觀察相似性，GPAE 模型引入感知損失，并進(jìn)行了改進(jìn)。使用激活函數(shù)之前的數(shù)據(jù)作為特征圖，并使用多個(gè)特征圖的均方誤差構(gòu)成最終的感知內(nèi)容損失，這讓感知損失同時(shí)表征了內(nèi)容空間與特征空間中對(duì)抗樣本與原圖的相似性，以此為優(yōu)化目標(biāo)減少了訓(xùn)練生成的對(duì)抗樣本與原圖之間視覺觀察上的差異，提升了SSIM 值。

（3）集成多個(gè)分類模型的分類損失為GPAE 模型訓(xùn)練時(shí)的損失函數(shù)中的一部分，實(shí)現(xiàn)了模型生成的一例對(duì)抗樣本可以攻擊多個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器，有效提升了攻擊效率。

2 相關(guān)工作

本章主要介紹對(duì)抗攻擊與對(duì)抗樣本在圖像分類領(lǐng)域的相關(guān)概念，對(duì)近幾年主要的生成對(duì)抗樣本的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并闡述其優(yōu)劣。針對(duì)文獻(xiàn)[8]提出的基于生成模型生成對(duì)抗樣本的方法GAP（generative adversarial perturbations）進(jìn)行具體介紹。最后，對(duì)判斷對(duì)抗樣本與原圖相似性的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)闡述。

2.1 對(duì)抗樣本

使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出的輸入樣本稱為對(duì)抗樣本（adversarial examples）。文獻(xiàn)[9]首次提出圖像分類模型中的對(duì)抗樣本，Szegedy 等人在圖像上生成細(xì)小擾動(dòng)（perturbations），使添加擾動(dòng)的圖像在常規(guī)的基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類模型上被錯(cuò)誤分類，并在錯(cuò)誤分類上取得較高置信度。這些擾動(dòng)很小，往往人眼難以察覺，但是這些添加了擾動(dòng)的對(duì)抗樣本卻可以造成分類器分類結(jié)果錯(cuò)誤，從而得到不正確的類別標(biāo)簽。

設(shè)分類器為f，x為輸入的原始圖像，基于x生成的對(duì)抗樣本為x′，對(duì)抗攻擊的形式化描述如式（1）。

其中，l與l′分別表示輸入圖像x與對(duì)抗樣本x′的分類結(jié)果，||?||代表對(duì)抗樣本與原始圖像之間的差異距離，x′-x則是加在原始圖像上的擾動(dòng)。

生成對(duì)抗樣本并攻擊分類模型稱為對(duì)抗攻擊（adversarial attack），對(duì)抗攻擊根據(jù)對(duì)抗樣本的分類結(jié)果l′是否被限制為具體的類別，分為有目標(biāo)攻擊（targeted attacks）與無目標(biāo)攻擊（non-targeted attacks）。有目標(biāo)攻擊生成的對(duì)抗樣本被錯(cuò)誤分類為指定類別，無目標(biāo)攻擊則僅要求對(duì)抗樣本被錯(cuò)誤分類。在測(cè)試集上，對(duì)抗樣本能實(shí)現(xiàn)對(duì)抗攻擊的樣本占測(cè)試集總樣本的比例為攻擊成功率（fooling ratio）。本文主要研究已知攻擊模型（即白盒攻擊）下的無目標(biāo)攻擊。

2.2 生成對(duì)抗樣本模型與GAP

通過多次迭代修改原始圖像像素值來生成對(duì)抗樣本的方法被廣泛用于生成對(duì)抗樣本。Papernot等人在文獻(xiàn)[10]中提出的JSMA（Jacobian-based saliency map attack）基于雅克比矩陣，每次迭代僅修改少量最影響分類結(jié)果的像素，減少了需要修改的像素?cái)?shù)量。Moosavi-Dezfooli 等人提出DeepFool[11]，通過迭代將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型每次迭代近似為線性模型，克服了分類器非線性的問題，每次迭代將輸入樣本推至分類器分類超平面邊緣，直至分類器分類錯(cuò)誤，進(jìn)一步減少修改量。Carlini 和Wagner 提出的生成對(duì)抗樣本的方法[5]，可以有效攻擊具有防御能力的模型，并減少對(duì)原圖像素的修改，從而使人眼難以察覺對(duì)抗樣本與原圖的區(qū)別。

基于迭代方式生成對(duì)抗樣本的每次迭代都需要大量的計(jì)算，導(dǎo)致生成對(duì)抗樣本需要大量的時(shí)間，如Carlini 和Wagner 提出的方法生成一個(gè)對(duì)抗樣本需要數(shù)分鐘。在對(duì)對(duì)抗攻擊時(shí)間要求較高的情況下，如要求在短時(shí)間內(nèi)生成大量對(duì)抗樣本，基于迭代生成對(duì)抗樣本的方式是不可用的。

Goodfellow 等人在文獻(xiàn)[12]中提出的FGSM（fast gradient sign method）僅通過迭代一次來生成對(duì)抗樣本，極大減少了生成對(duì)抗樣本的時(shí)間，但其在原圖上增加了明顯擾動(dòng)，人眼易察覺，并且攻擊成功率低。近年來，一些文獻(xiàn)提出基于生成模型來生成對(duì)抗樣本[8，13]，一旦訓(xùn)練好生成模型，在產(chǎn)生對(duì)抗樣本的階段只需要很短的時(shí)間。

Zhao 等人提出基于DNN 生成器直接生成對(duì)抗樣本[13]，在訓(xùn)練生成器的同時(shí)訓(xùn)練一個(gè)Inverter，將原圖映射到特征編碼空間（latent space），使用經(jīng)原圖對(duì)應(yīng)的特征編碼修改得到的噪聲向量生成的圖像作為對(duì)抗樣本。然而生成器直接生成的對(duì)抗樣本與原圖差異很大，且受限于生成器的結(jié)構(gòu)，生成的圖像并不真實(shí)，無法應(yīng)用于實(shí)際攻擊。其結(jié)構(gòu)如圖1。

Fig.1 Structure of directly generating adversarial examples by DNN generator圖1 基于DNN 生成器直接生成對(duì)抗樣本的模型結(jié)構(gòu)圖

Poursaeed 等人提出一系列基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成器的生成對(duì)抗樣本的模型GAP[8]，生成的對(duì)抗樣本可用于圖像分類任務(wù)與自然圖像語義分割任務(wù)的對(duì)抗攻擊，其中生成器生成擾動(dòng)，疊加在原始圖像上合成為一個(gè)對(duì)抗樣本。GAP 中的模型支持有目標(biāo)攻擊與無目標(biāo)攻擊，且除了根據(jù)輸入的原始圖像生成對(duì)抗擾動(dòng)，GAP 還可以生成可疊加在任意輸入圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)抗攻擊的通用對(duì)抗擾動(dòng)，一旦生成器訓(xùn)練完成，只需要很短的時(shí)間就可以生成大量對(duì)抗樣本，甚至通用擾動(dòng)，提高了對(duì)抗攻擊的效率。這里僅討論GAP中基于輸入圖像的無目標(biāo)攻擊模型，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

輸入的原始圖像x經(jīng)過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成器f生成的擾動(dòng)，并不能直接疊加在原始圖像之上，為了控制生成的擾動(dòng)的大小，使其不至過大，需通過L∞來限制，即將生成器生成的擾動(dòng)縮放至L∞限制的范圍之間，然后疊加到原圖上，之后將所有非法像素值截?cái)嗟胶戏ǚ秶?，最后生成一個(gè)對(duì)抗樣本。GAP 模型使用對(duì)抗樣本與原圖在待攻擊的圖像分類模型中分類結(jié)果的交叉熵?fù)p失作為損失函數(shù)來訓(xùn)練生成器模型。

盡管GAP 通過縮放擾動(dòng)至限制范圍來減少對(duì)抗樣本與原圖的區(qū)別，然而其生成的擾動(dòng)具有明顯紋理，人眼易分辨，失去了對(duì)抗攻擊的意義。如圖3 所示是限制L∞為10 的對(duì)抗樣本，人眼可在短時(shí)間內(nèi)輕易觀察到明顯的紋理。

盡管GAP 生成的對(duì)抗樣本在人眼感知上與原圖相比有明顯紋理，但是其基于DNN 生成器生成圖像分類任務(wù)對(duì)抗樣本的思路，完全區(qū)別于之前基于迭代修改原圖的方法，并且有效提升了生成對(duì)抗樣本的效率，因此本文將主要與GAP 模型進(jìn)行對(duì)比。

2.3 對(duì)抗樣本與原圖相似性評(píng)價(jià)指標(biāo)

在對(duì)抗攻擊中，要求對(duì)抗樣本與原圖的差別盡可能小，以達(dá)到人眼觀察難以察覺的目的。大多數(shù)的研究都采用了Lp范數(shù)來評(píng)價(jià)對(duì)抗樣本與原始圖像的區(qū)別，Lp范數(shù)表示為式（2）。

其中，D為數(shù)據(jù)x的維度。L0、L2和L∞是三種最常用的Lp范數(shù)。L0用于評(píng)價(jià)對(duì)抗樣本對(duì)原始圖像修改的像素的數(shù)量。根據(jù)式（2）可知均方誤差（mean squared error，MSE）與L2是正相關(guān)的，因此歐式距離、MSE 與L2常被視為相同意義的評(píng)價(jià)指標(biāo)，MSE 也常用于判斷圖像間的相似性。L∞則表征對(duì)抗樣本像素值的最大改變幅度。

在評(píng)價(jià)對(duì)抗樣本與輸入圖像的相似性上，Lp范數(shù)并不是完美的評(píng)價(jià)指標(biāo)。Wang 等人在文獻(xiàn)[14]中指出使用Lp范數(shù)來評(píng)價(jià)兩張圖像的相似性與人眼觀察有很大不同。文獻(xiàn)[14]的研究表明，人眼觀察對(duì)結(jié)構(gòu)模式的改變更加敏感，基于此，Wang 等人提出了SSIM 評(píng)價(jià)指標(biāo)，從亮度、對(duì)比度與結(jié)構(gòu)信息三方面來評(píng)價(jià)兩張圖像之間的相似性，以更接近人眼觀察的效果。圖4 來自于Wang 等人的實(shí)驗(yàn)，其清楚表明在同樣的MSE 下，不同SSIM 的圖像與原圖的差異不同。

具體的，圖像x與圖像y之間的SSIM 值計(jì)算如式（3）：

Fig.2 GAP structure圖2 GAP 結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 Adversarial examples generated by GAP圖3 GAP 模型生成的對(duì)抗樣本

Fig.4 Comparison between images with different SSIM but the same MSE圖4 相同MSE 值下不同SSIM 的圖像對(duì)比

式（4）、式（5）、式（6）分別比較圖像x與y之間的亮度、對(duì)比度與結(jié)構(gòu)信息。其中，μx及μy、σx及σy分別為圖像x、y的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，σxy為協(xié)方差。α＞0，β＞0，γ＞0 分別為調(diào)整l（x，y）、c（x，y）、s（x，y）的相對(duì)重要性參數(shù)；C1、C2、C3為常數(shù)，用以維持l（x，y）、c（x，y）、s（x，y）的穩(wěn)定，實(shí)際使用時(shí)，將參數(shù)設(shè)置為α=β=γ=1，同時(shí)C3=C2/2，從而得到式（7）：

其中，C1=（k1L）2，C2=（k2L）2，L是像數(shù)值的動(dòng)態(tài)范圍，k1=0.01，k2=0.03。

3 GPAE 模型

基于迭代的模型生成一例對(duì)抗樣本需要多次迭代進(jìn)行模型的反向梯度計(jì)算與前向分類結(jié)果計(jì)算，基于生成器的GPAE 模型僅進(jìn)行一次前向計(jì)算即可快速生成一例對(duì)抗樣本；并且，GPAE 模型中多分類器損失函數(shù)的引入，使其生成的一例對(duì)抗樣本可以攻擊多個(gè)分類器，提高了攻擊效率。

為了解決現(xiàn)有基于生成器的模型產(chǎn)生的對(duì)抗樣本與原圖在人眼觀察上區(qū)別明顯的問題，GPAE 模型不再使用擾動(dòng)疊加的方式，而是將對(duì)抗樣本生成作為生成器對(duì)原圖進(jìn)行圖像增強(qiáng)的操作，采用殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)讓生成器G直接根據(jù)原圖生成對(duì)抗樣本，這使得對(duì)原圖的修改盡可能被隱藏在原圖的邊緣等人眼不易察覺的區(qū)域；GPAE 模型還使用了生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)與改進(jìn)的感知損失函數(shù)作為模型訓(xùn)練的優(yōu)化目標(biāo)，以確保生成的對(duì)抗樣本是真實(shí)的自然圖像，并且與原圖在人眼觀察上更加相似。

3.1 問題定義

設(shè)（x，y）是數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)樣本，其中x∈X，X是所有輸入圖像數(shù)據(jù)樣本組成的集合，并且x～Pnature是符合自然圖像數(shù)據(jù)分布的圖像；y∈Y表示輸入圖像樣本對(duì)應(yīng)的在分類器中的真實(shí)分類類別標(biāo)簽。被攻擊的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器f：X→Y通過訓(xùn)練，能夠根據(jù)輸入的圖像得到其對(duì)應(yīng)的類別標(biāo)簽。設(shè)一個(gè)輸入的原始圖像x∈X，對(duì)抗攻擊的目的是生成一個(gè)對(duì)抗樣本x′，使得f（x）≠f（x′）（無目標(biāo)攻擊），或者使得f（x′）≠t，t為任意指定的目標(biāo)類別（有目標(biāo)攻擊），生成的x′與x在人眼觀察上應(yīng)盡可能相近，即SSIM（x，x′）盡可能高，做到人眼不易察覺。

3.2 模型結(jié)構(gòu)

圖5 給出了GPAE 的總體結(jié)構(gòu)，其主要由四部分組成：生成對(duì)抗樣本的生成器G、判別真實(shí)樣本與對(duì)抗樣本的判別器D、被攻擊的目標(biāo)分類器f（其用來計(jì)算分類損失Lclf）以及一個(gè)用來計(jì)算對(duì)抗樣本與輸入原圖之間的感知損失Lperceptual的結(jié)構(gòu)。

Fig.5 GPAE structure圖5 GPAE 總體結(jié)構(gòu)

與GAP 模型采用擾動(dòng)疊加的方式不同，在GPAE模型中，生成器G將原始圖像x作為模型的輸入，直接生成對(duì)抗樣本。這樣生成的對(duì)抗樣本在亮度、顏色、形變等方面進(jìn)行了細(xì)微的變換，相比于GAP 模型生成的對(duì)抗樣本，顯著提高了SSIM 指標(biāo)，從而有效提升了人眼感知的相似性。

從圖5 可以看到，GPAE 模型與其他基于生成器的模型，如GAP 模型相比，未采用擾動(dòng)疊加策略來生成對(duì)抗樣本，而是直接使用生成器生成對(duì)抗樣本圖像，這在運(yùn)算效率上僅減少了擾動(dòng)疊加至原圖的時(shí)間。生成器生成對(duì)抗樣本的時(shí)間不取決于輸入數(shù)據(jù)的規(guī)模，是固定次數(shù)的浮點(diǎn)運(yùn)算，因此GPAE 模型與GAP 模型等運(yùn)算效率相當(dāng)。因?yàn)镚PAE 與GAP 模型等均基于生成器，相比于基于迭代的模型，可以有效降低對(duì)抗樣本生成的時(shí)間。

一旦GPAE 模型的生成器G訓(xùn)練完成，在對(duì)抗樣本生成階段，每次只需要將原圖輸入生成器進(jìn)行一次前向計(jì)算就可以生成一例對(duì)抗樣本?；诘膶?duì)抗樣本生成模型每次迭代修改原圖后，都需要將修改的圖像輸入分類器進(jìn)行一次前向計(jì)算以判斷當(dāng)前攻擊是否成功，并且不同的模型每次迭代還需要對(duì)梯度、分類超平面等進(jìn)行計(jì)算。以梯度計(jì)算為例，每次迭代就需要一次分類器的反向計(jì)算。因此基于迭代修改的對(duì)抗樣本構(gòu)造模型與基于生成器的GPAE相比，在對(duì)抗樣本生成時(shí)間復(fù)雜度上，前者始終是后者的n倍（n指迭代次數(shù)）。

生成器G生成的對(duì)抗樣本x′=G（x）被輸入至判別器D，通過訓(xùn)練判別器D，使其能夠盡可能地將真實(shí)樣本與對(duì)抗樣本分辨出來；同時(shí)訓(xùn)練生成器G，盡可能生成讓判別器D無法正確判別的生成圖像，其損失函數(shù)如式（8）。

式（8）中E代表期望，x～Pr表示輸入的原始圖像。在優(yōu)化Lgan時(shí)，通過對(duì)抗的方式同時(shí)訓(xùn)練G與D的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使生成器G生成的對(duì)抗樣本符合輸入圖像的分布，以使對(duì)抗樣本與輸入的原始圖像具有相同分布，進(jìn)而生成自然圖像。

為了提高對(duì)抗樣本與原圖在人眼觀察上的相似性，GPAE 將均方誤差MSE 與改進(jìn)的感知內(nèi)容損失集成為訓(xùn)練生成器G的損失函數(shù)的一部分，即感知損失Lperceptual。通過訓(xùn)練模型降低感知損失，從而使經(jīng)過訓(xùn)練的生成器G生成的對(duì)抗樣本在人眼觀察上高度接近原圖。

對(duì)抗樣本x′=G（x）輸入到被攻擊的分類模型f，將對(duì)抗樣本在DNN 分類器中的分類結(jié)果與指定的分類目標(biāo)之間的交叉熵作為分類損失Lclf，并作為訓(xùn)練G的損失函數(shù)的一部分。形式化描述分類損失為式（9）。

其中，H為交叉熵函數(shù)。通過優(yōu)化分類損失使對(duì)抗樣本能成功攻擊目標(biāo)模型，同時(shí)GPAE 集成多個(gè)分類損失，以生成能攻擊多個(gè)DNN 分類器的對(duì)抗樣本，進(jìn)而提高攻擊效率。

最終訓(xùn)練GPAE 中生成器的損失函數(shù)由上述各部分組成，如式（10）。

其中，a、b、c為實(shí)數(shù)，用來調(diào)整各部分損失的權(quán)重。通過優(yōu)化損失函數(shù)來訓(xùn)練生成器G，從而得到可以生成與原圖在視覺上極為相似的對(duì)抗樣本，并具備同時(shí)攻擊多個(gè)分類模型的能力。

3.3 生成器G 與判別器D

GPAE 基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)GAN 結(jié)構(gòu)[15]，同時(shí)訓(xùn)練生成器G與判別器D，進(jìn)而利用G直接生成對(duì)抗樣本。與直接使用GAN 根據(jù)輸入的噪聲向量生成一個(gè)自然圖像不同，GPAE 的對(duì)抗樣本生成是一個(gè)圖像增強(qiáng)的過程，G對(duì)輸入的原始圖像進(jìn)行增強(qiáng)從而得到對(duì)抗樣本，這非常符合殘差網(wǎng)絡(luò)（residual networks，ResNets）[16]的設(shè)計(jì)，因此GPAE 采用殘差網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造生成器G，其結(jié)構(gòu)如圖6。其中每一個(gè)殘差塊（residual block）的結(jié)構(gòu)如圖7。

Fig.6 Structure of GPAE generator圖6 GPAE 生成器結(jié)構(gòu)

Fig.7 Structure of Residual Block圖7 Residual Block 的結(jié)構(gòu)

在圖6與圖7中，k代表卷積核大小（kernel size），n代表輸出的特征圖（feature map）的層數(shù)，s代表卷積步長（stride），p代表填充的大?。╬adding）；PRelu表示帶參數(shù)的線性整流函數(shù)（parametric rectified linear unit）；BN 表示批歸一化（batch normalization）；⊕操作表示按位疊加。

判別器D用來判別其輸入是對(duì)抗樣本還是原始圖像，在GPAE 中D被設(shè)計(jì)為一個(gè)最常見的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過sigmoid 函數(shù)輸出一個(gè)0 至1 的值，其值越小，D越傾向于將樣本判別為對(duì)抗樣本；反之，其值越大D越傾向于將樣本判別為原始圖像。其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

其中各參數(shù)的含義與上述生成器一致。每個(gè)灰色塊表示的是由卷積塊、BN 層與激活函數(shù)層組成的塊。本文使用的Leaky Relu 激活函數(shù)中的非零斜率為0.2。

3.4 感知損失

為了提高對(duì)抗樣本與原圖之間視覺上的相似性（perceptual similarity），GPAE 設(shè)計(jì)了改進(jìn)的感知損失函數(shù)Lperceptual以同時(shí)優(yōu)化對(duì)抗樣本與原圖在內(nèi)容空間與特征空間的相似性，并將其作為訓(xùn)練G的損失函數(shù)的一部分。Lperceptual由均方誤差MSE和文獻(xiàn)[17]中SRGAN（super resolution generative adversarial network）的感知損失函數(shù)組成，并對(duì)SRGAN 中的感知損失進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，Lperceptual的結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

感知損失主要由均方誤差MSE 與VGG 損失兩部分構(gòu)成，并根據(jù)不同權(quán)重組合為Lperceptual，如式（11）。

其中，MSE 主要用來描述對(duì)抗樣本與原圖之間像素值內(nèi)容（pixel-wise）上的相似性，MSE 越低就越相似。并且，MSE 越低，對(duì)抗樣本與原圖之間的峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio，PSNR）就越高，從而確保兩者之間的內(nèi)容空間上的相似性。單通道圖像的MSE 均方誤差如式（12）。

其中，x′為對(duì)抗樣本，x為原圖，n、m分別用來指定圖像中像素的坐標(biāo)。

Fig.8 Structure of discriminator圖8 判別器的結(jié)構(gòu)

Fig.9 Perceptual loss composition圖9 感知損失構(gòu)成

MSE 僅表征了對(duì)抗樣本與原圖在圖像空間上內(nèi)容的相似性，優(yōu)化MSE 值可以有效提高PSNR 指標(biāo)，但是PSNR 指標(biāo)高不完全表示對(duì)抗樣本與原圖在人眼觀察上的相似性就高。在訓(xùn)練模型時(shí)，MSE 會(huì)對(duì)幅度改變大的像素有更強(qiáng)的懲罰，而對(duì)于幅度改變小的像素懲罰較低，最終使生成的對(duì)抗樣本與原圖之間像素值改變小，范圍改變較大，這樣的改變會(huì)影響圖像局部的結(jié)構(gòu)信息、亮度與顏色等，實(shí)際上人眼對(duì)圖像無紋理區(qū)域的結(jié)構(gòu)、顏色、亮度等改變更為敏感，這些改變會(huì)降低SSIM 指標(biāo)。而在特征空間中包含了對(duì)圖像提取的結(jié)構(gòu)特征信息與紋理特征信息，因此GPAE 增加了在特征空間中的計(jì)算相似性的損失函數(shù)，從而進(jìn)一步提升對(duì)抗樣本與原圖的相似性：GPAE 基于VGG16 模型，使用原圖與對(duì)抗樣本在同一個(gè)預(yù)訓(xùn)練的VGG16 模型上的特征圖（feature map）上的相似性作為損失函數(shù)，為了方便表述，稱該損失函數(shù)為VGG 損失LVGG。

文獻(xiàn)[18]通過比較輸入激活函數(shù)之前與之后的特征的類激活映射圖（activation map），發(fā)現(xiàn)輸入激活函數(shù)之前的特征圖與經(jīng)過激活函數(shù)之后的特征圖相比擁有更多影響分類結(jié)果的像素。這說明隨著VGG模型深度加深，絕大多數(shù)經(jīng)過激活函數(shù)之后的特征變得非活躍，且激活函數(shù)之前輸出的特征相比激活函數(shù)之后輸出的特征具有更多信息。這些代表特征空間中的特征信息，包含了結(jié)構(gòu)信息、紋理信息，而特征圖經(jīng)過激活函數(shù)后會(huì)減少特征信息的輸出，因此計(jì)算激活函數(shù)之前的特征圖之間的相似性要比計(jì)算特征圖之后的相似性更加全面準(zhǔn)確?；诖?，GPAE使用線性整流函數(shù)（rectified linear unit，ReLU）之前的特征圖來計(jì)算誤差。因?yàn)椴煌瑢拥木矸e層提取的特征信息不同，為了讓損失函數(shù)包含更多特征空間中的相似性損失，進(jìn)而更好地訓(xùn)練生成器生成與原圖在結(jié)構(gòu)信息、紋理信息上更相似的對(duì)抗樣本，本文使用多個(gè)卷積層的輸出特征圖進(jìn)行損失函數(shù)計(jì)算，具體在GPAE 模型中選擇了不同通道（channel）數(shù)的三個(gè)卷積層計(jì)算對(duì)抗樣本與原圖在特征空間中的相似性，加權(quán)求和得到VGG 損失，結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

將原圖與對(duì)抗樣本同時(shí)輸入預(yù)訓(xùn)練好的VGG16模型中，在圖中灰色卷積層中，其在激活函數(shù)之前輸出的特征圖之間的均方誤差分別為MSE128、MSE256、MSE512。最終的VGG 損失為上述三項(xiàng)的加權(quán)求和，如式（13）所示。

其中，i、j、k分別為不同項(xiàng)的權(quán)重。不同卷積層輸出的特征圖信息都不盡相同，通過文獻(xiàn)[19]提出的Network Inversion以及文獻(xiàn)[20]提出的Network Dissection等卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可視化技術(shù)對(duì)卷積層輸出特征圖的研究可知，較淺層的卷積層會(huì)更偏向于提取位置與顏色信息，而較深層的卷積層則偏向于提取類別紋理、目標(biāo)等更加影響人眼感知的信息，因此為了提升生成的對(duì)抗樣本與原圖在人眼觀察與感知上的相似性，較深層的卷積層輸出的特征圖相似性應(yīng)該具有更高的權(quán)重。此外，隨著深度的增加，卷積層輸出的特征圖也更加抽象，而較淺層卷積層輸出的特征圖包含更多輸入圖像的內(nèi)容信息，由于GPAE 模型已經(jīng)在感知損失函數(shù)中使用了MSE 來保證對(duì)抗樣本與原圖內(nèi)容上的相似性，因此在VGG 損失中，越深的特征圖相似性損失項(xiàng)應(yīng)該具有更高的權(quán)重，即上述三個(gè)權(quán)重參數(shù)i、j、k應(yīng)該是逐漸增加的。根據(jù)上述分析，如果要求對(duì)抗樣本與原圖在顏色等信息上更相近，可增加淺層卷積層輸出特征圖的相似性損失項(xiàng)權(quán)重。

Fig.10 VGG loss composition圖10 VGG 損失構(gòu)成

3.5 生成可攻擊多個(gè)模型的對(duì)抗樣本

GPAE模型通過將多個(gè)分類模型的分類損失集成為最終訓(xùn)練生成器G的分類損失函數(shù)，以支持生成器G生成能攻擊多個(gè)分類模型的對(duì)抗樣本。形式化描述為：設(shè)被攻擊的分類模型為f1，f2，…，fm，通過GPAE生成的對(duì)抗樣本x′=G（x）可以同時(shí)使這些分類器分類錯(cuò)誤，以無目標(biāo)攻擊為例，即f1（G（x））≠f1（x），f2（G（x））≠f2（x），…，fm（G（x））≠fm（x）。實(shí)現(xiàn)攻擊多個(gè)分類模型的結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

Fig.11 Attack multiple classifiers圖11 攻擊多個(gè)分類器

生成器G生成的對(duì)抗樣本x′被輸入多個(gè)預(yù)訓(xùn)練好的分類器f1，f2，…，fm。最終的分類損失是各個(gè)分類模型的損失函數(shù)的線性組合，如式（14）。

其中，{λ1，λ2，…，λm}?R 是不同分類器的權(quán)值，該權(quán)值依賴于被攻擊的模型的復(fù)雜度，越復(fù)雜的模型其權(quán)重越高，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單的模型權(quán)重越低。在本文中，同時(shí)攻擊預(yù)訓(xùn)練好的VGG16、VGG19 兩個(gè)DNN 分類器。

3.6 GPAE 參數(shù)規(guī)模與收斂性

盡管從結(jié)構(gòu)上看GPAE 模型除了生成器與判別器包含DNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在損失函數(shù)中，分類損失函數(shù)與改進(jìn)的感知損失函數(shù)也具有DNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上因?yàn)閾p失函數(shù)中的DNN 結(jié)構(gòu)都是預(yù)訓(xùn)練好的模型，因此在參數(shù)訓(xùn)練過程中，GPAE 模型僅需要訓(xùn)練生成器G與判別器D的參數(shù)。與其他基于生成器的對(duì)抗樣本生成模型相比，GPAE 模型增加的參數(shù)量實(shí)際僅為判別器的參數(shù)。判別器參數(shù)的訓(xùn)練方式與GAN 中訓(xùn)練方式一致，不會(huì)影響導(dǎo)致的收斂。

與生成器僅生成疊加在原圖的擾動(dòng)不同，GPAE模型中的生成器G需要直接根據(jù)輸入的原圖生成對(duì)抗樣本，這就需要G的結(jié)構(gòu)具備更高的復(fù)雜度來完成圖像生成任務(wù)。因此，GPAE 模型需要增加生成器G的深度，在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練時(shí)，通過反向傳播的方式來計(jì)算損失函數(shù)對(duì)每層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)的梯度，進(jìn)而更新模型參數(shù)。如文獻(xiàn)[21]所述，根據(jù)鏈?zhǔn)角髮?dǎo)規(guī)則計(jì)算損失函數(shù)對(duì)模型中某層網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)的梯度，實(shí)際上是計(jì)算該層網(wǎng)絡(luò)之后的每層網(wǎng)絡(luò)的輸出對(duì)輸入的偏導(dǎo)數(shù)的連乘結(jié)果，因此，當(dāng)模型深度加深時(shí)，模型中淺層梯度就會(huì)通過更多項(xiàng)偏導(dǎo)數(shù)的連乘計(jì)算得到，當(dāng)偏導(dǎo)數(shù)小于1 時(shí)，連乘結(jié)果就會(huì)變得很小，導(dǎo)致反向傳播時(shí)淺層網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)的梯度很小，進(jìn)而淺層參數(shù)更新緩慢，以致模型難以收斂，出現(xiàn)梯度消失問題[21]；當(dāng)偏導(dǎo)數(shù)大于1 時(shí)，連乘的結(jié)果就會(huì)很大，導(dǎo)致淺層梯度大，進(jìn)而淺層參數(shù)更新幅度大，模型訓(xùn)練不穩(wěn)定，出現(xiàn)梯度爆炸問題[22]。換句話說，模型深度的加深會(huì)加劇連乘效應(yīng)，導(dǎo)致淺層梯度過小或過大，最終導(dǎo)致模型難以訓(xùn)練。

GPAE 模型中采用的殘差網(wǎng)絡(luò)塊結(jié)構(gòu)[16]，通過跳連的方式將淺層的輸出跳連至深層的輸出，殘差塊僅輸出殘差，與輸入相加后成為最終的輸出。因此在反向傳播時(shí)，損失函數(shù)的梯度通過跳連的結(jié)構(gòu)直接傳遞到淺層網(wǎng)絡(luò)，減少淺層梯度的計(jì)算受模型深度的影響，使得在訓(xùn)練時(shí)較淺層的梯度不會(huì)異常，有效避免了模型深度加深對(duì)收斂性的影響。

GPAE 模型中使用了Batch Normalization 操作，對(duì)輸入卷積層的批數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，使其均值與方差規(guī)范，從而有效避免在訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的梯度爆炸與梯度消失問題，使模型訓(xùn)練可以更快收斂；因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)都進(jìn)行了歸一化操作，也減少了模型對(duì)輸入的初始參數(shù)的依賴，使得模型更容易訓(xùn)練，更易收斂。

4 實(shí)驗(yàn)

分別對(duì)GPAE 生成器生成的對(duì)抗樣本與輸入原圖的人眼感知相似性、GPAE 中改進(jìn)的感知內(nèi)容損失的有效性以及GPAE 同時(shí)攻擊多個(gè)DNN 分類器的能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

使用了ImageNet ILSVRC 2012 數(shù)據(jù)集[23]與Tiny ImageNet數(shù)據(jù)集[24]，這兩個(gè)數(shù)據(jù)集均為自然圖像數(shù)據(jù)集。ImageNet ILSVRC 2012數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練集一共包含128萬張圖像，驗(yàn)證集包含50 000張圖像，測(cè)試集包含100 000 張圖像。Tiny ImageNet 數(shù)據(jù)集與ImageNet ILSVRC 數(shù)據(jù)集相似，但數(shù)據(jù)量規(guī)模較小，其訓(xùn)練集包含100 000 張大小為64×64 的自然圖像，每個(gè)分類有500 張圖像用于訓(xùn)練、50 張圖像用于驗(yàn)證、50 張圖像用于測(cè)試。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)GPAE 各部分損失函數(shù)參數(shù)設(shè)置如圖12 所示可以取得最好的實(shí)驗(yàn)效果。

Fig.12 Settings and composition of loss function圖12 損失函數(shù)參數(shù)設(shè)置與構(gòu)成

根據(jù)圖12，訓(xùn)練GPAE 生成器的損失函數(shù)如式（15）所示。

在GPAE 模型訓(xùn)練中，每一個(gè)mini-batch 的batchsize 為15，epoch 設(shè)置為30，同時(shí)設(shè)置在驗(yàn)證集上攻擊成功率改變小于0.05 時(shí)停止訓(xùn)練。

實(shí)驗(yàn)在上述參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行。

4.1 GPAE 與GAP 生成的對(duì)抗樣本對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試GPAE 模型對(duì)不同深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的攻擊效果，以及對(duì)抗樣本與原圖的人眼觀察相似性，本實(shí)驗(yàn)每次僅攻擊一個(gè)DNN 分類模型。使用ImageNet ILSVRC 2012 數(shù)據(jù)集，并將在ImageNet ILSVRC 2012 數(shù)據(jù)集上預(yù)訓(xùn)練的VGG16、VGG19 和Inception-V3模型作為需要攻擊的DNN分類器。GPAE生成器生成的對(duì)抗樣本將與GAP 模型生成的對(duì)抗樣本進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證GPAE 模型是否能在保持攻擊成功率的基礎(chǔ)上提高對(duì)抗樣本與原圖的SSIM 值，從而提高人眼觀察相似性。其中，作為對(duì)比的GAP 模型生成的對(duì)抗樣本與原圖的差異L∞被設(shè)置為10。

在上述設(shè)置下訓(xùn)練GPAE 與GAP 模型生成器。將測(cè)試集的圖像作為原圖分別輸入GPAE 與GAP 生成器，得到對(duì)抗樣本，用生成的對(duì)抗樣本攻擊分類器。實(shí)驗(yàn)得到的對(duì)抗樣本與原圖的SSIM 值及對(duì)抗樣本的攻擊成功率如表1 所示。

Table 1 Comparison of SSIM and fooling ratio表1 結(jié)構(gòu)相似性與攻擊成功率對(duì)比

為了展示人眼觀察下實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)抗樣本的差異，這里羅列出部分GPAE 和GAP 模型生成的對(duì)抗樣本對(duì)比圖，如圖13 所示。進(jìn)一步地，為了更清楚展現(xiàn)細(xì)節(jié)區(qū)別，局部放大對(duì)比圖如圖14 所示。

Fig.13 Comparison of adversarial examples generated by GPAE and GAP圖13 GPAE 和GAP 模型生成的對(duì)抗樣本對(duì)比圖

Fig.14 Local enlarged comparison圖14 局部放大對(duì)比圖

由表1 可見，GPAE 模型生成的對(duì)抗樣本，相比于GAP 模型生成的對(duì)抗樣本，能夠在保持攻擊成功率的基礎(chǔ)上，提升與原圖的SSIM 值。觀察GPAE 與GAP 生成的對(duì)抗樣本發(fā)現(xiàn)：GPAE 生成的對(duì)抗樣本相比GAP 生成的對(duì)抗樣本，與原圖在人眼視覺感知上更加相似，GAP 生成的對(duì)抗樣本與原圖相比，明顯可見疊加了紋理；而GPAE 生成的對(duì)抗樣本與原圖的差異較小，人眼不易察覺出區(qū)別。觀察GPAE 模型與GAP 模型生成的對(duì)抗樣本與原圖的差異可以發(fā)現(xiàn)，使用GPAE 模型生成的擾動(dòng)會(huì)更加依賴原始圖像，幅度較大的擾動(dòng)信號(hào)主要分布在原始圖像的一些結(jié)構(gòu)邊緣，這樣生成的擾動(dòng)減少了對(duì)原圖結(jié)構(gòu)信息的改變，而GAP 生成的擾動(dòng)則是非常明顯的紋理整體疊加在原圖上。

4.2 改進(jìn)的感知損失函數(shù)的有效性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證GPAE模型中改進(jìn)的感知內(nèi)容損失LVGG能否有效提高對(duì)抗樣本與原圖的相似性，提高兩者間的SSIM 值，分別對(duì)以下三種情況下的對(duì)抗樣本的生成情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)：

（1）未使用感知內(nèi)容損失。

（2）未改進(jìn)的感知內(nèi)容損失：即SRGAN 中使用的感知內(nèi)容損失，僅使用VGG 模型的最后一層激活函數(shù)之后輸出的特征圖來計(jì)算感知內(nèi)容損失。

（3）改進(jìn)的感知內(nèi)容損失。本部分實(shí)驗(yàn)在Tiny ImageNet 數(shù)據(jù)集上完成，攻擊的分類模型為預(yù)訓(xùn)練的VGG16 分類模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

Table 2 Experimental results of different perceptual loss functions表2 不同的感知損失函數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證表2 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，圖15 展示了三組生成的對(duì)抗樣本與原圖對(duì)比情況。

Fig.15 Adversarial examples comparison with different perceptual losses圖15 不同感知損失的對(duì)抗樣本對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用改進(jìn)的感知內(nèi)容損失，能在保持攻擊成功率的基礎(chǔ)上，有效提升對(duì)抗樣本與原圖的SSIM 值。觀察生成的對(duì)抗樣本可見：使用改進(jìn)的感知內(nèi)容損失訓(xùn)練生成器，能增加對(duì)抗樣本的細(xì)節(jié)，減少對(duì)原圖的擾動(dòng)，提升對(duì)抗樣本與原圖之間在人眼觀察上的相似性，相比于未使用感知內(nèi)容損失的模型，減少了對(duì)抗樣本上的紋路，圖像更加自然。未改進(jìn)的感知內(nèi)容損失對(duì)結(jié)構(gòu)相似性指標(biāo)SSIM 效果提升有限，相比于改進(jìn)的感知內(nèi)容損失，在與原圖的對(duì)比中，仍然有較為明顯的紋路擾動(dòng)添加，人眼易察覺。

4.3 攻擊多個(gè)DNN 分類器實(shí)驗(yàn)

本文通過集成多個(gè)分類器損失函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)分類模型的攻擊。本部分對(duì)攻擊多個(gè)模型的效果進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。使用ImageNet ILSVRC 2012 數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練、驗(yàn)證與測(cè)試數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)對(duì)VGG16、VGG19模型的同時(shí)攻擊。

使用LVGG16、LVGG19兩個(gè)分類模型的分類損失函數(shù)構(gòu)成總的分類損失函數(shù)Lclf，因?yàn)閂GG19 模型相比VGG16 更加復(fù)雜，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，將各部分的權(quán)值設(shè)置如式（16），取得最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，首先分別單獨(dú)使用LVGG16、LVGG19作為分類損失對(duì)GPAE 模型生成器進(jìn)行訓(xùn)練，再使用LVGG16、LVGG19集成的分類損失對(duì)生成器進(jìn)行訓(xùn)練。表3 分別對(duì)這三個(gè)生成器生成的對(duì)抗樣本在不同分類器上的對(duì)抗攻擊成功率進(jìn)行展示。

Table 3 Comparison of single and multiple attack表3 攻擊單個(gè)與多個(gè)模型對(duì)比實(shí)驗(yàn)

從表3 可看出：當(dāng)僅使用VGG16 或者VGG19 單個(gè)分類器的損失函數(shù)來訓(xùn)練生成器，其生成的對(duì)抗樣本在攻擊另一個(gè)預(yù)訓(xùn)練的分類器時(shí)，其攻擊成功率都會(huì)大幅下降，而使用集成的分類損失函數(shù)訓(xùn)練生成器，其生成的對(duì)抗樣本在兩個(gè)分類器上都取得了較高的攻擊成功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過將多個(gè)DNN 分類器的分類損失函數(shù)集成為訓(xùn)練GPAE 生成器的損失函數(shù)，相比僅使用單個(gè)分類器損失函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練的生成器，能有效提升生成的對(duì)抗樣本在不同模型上的攻擊成功率，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)生成的對(duì)抗樣本能攻擊多個(gè)DNN 分類器，有效提高生成對(duì)抗樣本的效率。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于生成器生成對(duì)抗樣本的模型，相比基于迭代的對(duì)抗攻擊樣本生成的方法，能夠快速生成大量對(duì)抗樣本。相比于其他基于生成器的對(duì)抗攻擊模型，本文提出的模型在保持攻擊成功率的前提下，有效提升了對(duì)抗樣本與原圖之間人眼觀察的相似性，從生成對(duì)抗樣本的時(shí)間與對(duì)抗樣本與原圖的相似性兩方面保證了可用性。

本文的核心點(diǎn)主要有三個(gè)：

（1）使用GAN，并基于殘差網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)生成器模型，直接依據(jù)輸入原圖生成對(duì)抗樣本，不采用疊加擾動(dòng)來生成對(duì)抗樣本的方式，避免了使用擾動(dòng)疊加方式生成的對(duì)抗樣本與原圖具有明顯不同的問題，GAN 同樣讓GPAE 生成的對(duì)抗樣本圖像更加真實(shí)。

（2）引入改進(jìn)的感知損失，從圖像內(nèi)容空間與特征空間優(yōu)化對(duì)抗樣本與原圖的相似性，不僅保證了像素值內(nèi)容相似，也優(yōu)化了紋理、結(jié)構(gòu)信息等相似性，進(jìn)一步提升了對(duì)抗樣本從人眼觀察上與原圖的相似性。

（3）通過集成多個(gè)分類模型的損失函數(shù)，使生成的對(duì)抗樣本能攻擊多個(gè)主流深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型，提高了對(duì)抗攻擊的效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于其他基于生成器的對(duì)抗攻擊模型，本文提出的模型取得了較高的攻擊成功率，并且有效提升了對(duì)抗樣本與原圖之間的相似性，更加不易被人眼察覺。

本文的后續(xù)工作可以在以下方面開展：

（1）修改模型中的分類損失函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)攻擊。

（2）改進(jìn)殘差網(wǎng)絡(luò)塊的結(jié)構(gòu)，以生成更自然精細(xì)的圖像。