There has been extensive evidence demonstrating that deep neural networks are vulnerable to adversarial examples, which motivates the development of defenses against adversarial attacks. Existing adversarial defenses typically improve model robustness against individual specific perturbation types (\eg, $\ell_{\infty}$-norm bounded adversarial examples). However, adversaries are likely to generate multiple types of perturbations in practice (\eg, $\ell_1$, $\ell_2$, and $\ell_{\infty}$ perturbations). Some recent methods improve model robustness against adversarial attacks in multiple $\ell_p$ balls, but their performance against each perturbation type is still far from satisfactory. In this paper, we observe that different $\ell_p$ bounded adversarial perturbations induce different statistical properties that can be separated and characterized by the statistics of Batch Normalization (BN). We thus propose Gated Batch Normalization (GBN) to adversarially train a perturbation-invariant predictor for defending multiple $\ell_p$ bounded adversarial perturbations. GBN consists of a multi-branch BN layer and a gated sub-network. Each BN branch in GBN is in charge of one perturbation type to ensure that the normalized output is aligned towards learning perturbation-invariant representation. Meanwhile, the gated sub-network is designed to separate inputs added with different perturbation types. We perform an extensive evaluation of our approach on commonly-used dataset including MNIST, CIFAR-10, and Tiny-ImageNet, and demonstrate that GBN outperforms previous defense proposals against multiple perturbation types (\ie, $\ell_1$, $\ell_2$, and $\ell_{\infty}$ perturbations) by large margins.


翻译:已有大量证据表明深度神经网络易受对抗样本攻击,这促使了对抗防御技术的发展。现有对抗防御方法通常针对特定扰动类型(如$\ell_{\infty}$范数有界对抗样本)提升模型鲁棒性,但实际场景中攻击者可能生成多种扰动类型(如$\ell_1$、$\ell_2$和$\ell_{\infty}$扰动)。近年来部分方法提升了模型在多重$\ell_p$球体下对对抗攻击的鲁棒性,但其针对每种扰动类型的防护性能仍远未达到理想水平。本文观察到不同$\ell_p$有界对抗扰动会引发可通过批归一化(BN)统计特性分离和表征的差异化统计特征,据此提出门控批归一化(GBN)方法,通过对抗训练构建扰动不变预测器以防御多重$\ell_p$有界对抗扰动。GBN包含多分支BN层和门控子网络:各BN分支分别负责特定扰动类型,确保归一化输出朝向学习扰动不变表征对齐;同时门控子网络被设计用于分离添加不同扰动类型的输入样本。我们在MNIST、CIFAR-10和Tiny-ImageNet等常用数据集上进行了全面评估,证明GBN在应对多种扰动类型(即$\ell_1$、$\ell_2$和$\ell_{\infty}$扰动)时,性能显著超越此前防御方案。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月29日
Arxiv
11+阅读 · 2022年3月16日
Arxiv
10+阅读 · 2021年2月18日
An Attentive Survey of Attention Models
Arxiv
44+阅读 · 2020年12月15日
Arxiv
13+阅读 · 2019年11月14日
VIP会员
最新内容
驱动军事决策变革的顶尖人工智能指挥系统
专知会员服务
6+阅读 · 8月11日
非对称防御中的自组织临界性:俄乌战争
专知会员服务
10+阅读 · 8月10日
《战争中的大语言模型监管》
专知会员服务
12+阅读 · 8月10日
《边缘计算关键技术分析及美军作战实践应用》
边缘计算的军事应用
专知会员服务
12+阅读 · 8月9日
一种考虑资源机动性的武器目标分配混合算法
专知会员服务
13+阅读 · 8月8日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关论文
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员