国外 网站 设计,塘沽网络公司,网站主题及样式优化,新手如何做网上销售Pytorch | 利用MI-FGSM针对CIFAR10上的ResNet分类器进行对抗攻击 CIFAR数据集MI-FGSM介绍背景算法原理 MI-FGSM代码实现MI-FGSM算法实现攻击效果 代码汇总mifgsm.pytrain.pyadvtest.py 之前已经针对CIFAR10训练了多种分类器#xff1a; Pytorch | 从零构建AlexNet对CIFAR10进行… Pytorch | 利用MI-FGSM针对CIFAR10上的ResNet分类器进行对抗攻击 CIFAR数据集MI-FGSM介绍背景算法原理 MI-FGSM代码实现MI-FGSM算法实现攻击效果 代码汇总mifgsm.pytrain.pyadvtest.py 之前已经针对CIFAR10训练了多种分类器 Pytorch | 从零构建AlexNet对CIFAR10进行分类 Pytorch | 从零构建Vgg对CIFAR10进行分类 Pytorch | 从零构建GoogleNet对CIFAR10进行分类 Pytorch | 从零构建ResNet对CIFAR10进行分类 Pytorch | 从零构建MobileNet对CIFAR10进行分类 Pytorch | 从零构建EfficientNet对CIFAR10进行分类 Pytorch | 从零构建ParNet对CIFAR10进行分类
本篇文章我们使用Pytorch实现MI-FGSM对CIFAR10上的ResNet分类器进行攻击.
CIFAR数据集
CIFAR-10数据集是由加拿大高级研究所CIFAR收集整理的用于图像识别研究的常用数据集基本信息如下
数据规模该数据集包含60,000张彩色图像分为10个不同的类别每个类别有6,000张图像。通常将其中50,000张作为训练集用于模型的训练10,000张作为测试集用于评估模型的性能。图像尺寸所有图像的尺寸均为32×32像素这相对较小的尺寸使得模型在处理该数据集时能够相对快速地进行训练和推理但也增加了图像分类的难度。类别内容涵盖了飞机plane、汽车car、鸟bird、猫cat、鹿deer、狗dog、青蛙frog、马horse、船ship、卡车truck这10个不同的类别这些类别都是现实世界中常见的物体具有一定的代表性。
下面是一些示例样本 MI-FGSM介绍
MI-FGSMMomentum Iterative Fast Gradient Sign Method是一种基于动量的迭代快速梯度符号法是在FGSMFast Gradient Sign Method基础上的改进旨在生成更具攻击性和隐蔽性的对抗样本以下是对其的详细介绍
背景
在对抗攻击领域FGSM是一种简单有效的攻击方法但它仅进行一次梯度计算和更新生成的对抗样本可能不够强大。为了进一步提高攻击效果研究人员提出了迭代攻击的方法如I-FGSMIterative FGSM通过多次迭代来逐步调整对抗样本。MI-FGSM在I-FGSM的基础上引入动量项使得攻击能够更好地利用历史梯度信息加速收敛并提高攻击成功率。
算法原理
初始化与FGSM类似首先需要一个预训练的模型、损失函数、原始图像和对应的真实标签以及攻击步长 ϵ \epsilon ϵ 、迭代次数 T T T和动量因子 μ \mu μ等参数。迭代更新在每次迭代中计算当前对抗样本相对于模型输出的损失梯度并将其与上一次迭代的动量项相加得到更新后的梯度方向。然后根据更新后的梯度方向和攻击步长对对抗样本进行更新。具体计算公式如下 g t 1 μ ⋅ g t ∇ x J ( x t a d v , y ) ∥ ∇ x J ( x t a d v , y ) ∥ 1 g_{t1}\mu \cdot g_{t}\frac{\nabla_{x} J\left(x_{t}^{adv}, y\right)}{\left\|\nabla_{x} J\left(x_{t}^{adv}, y\right)\right\|_{1}} gt1μ⋅gt∥∇xJ(xtadv,y)∥1∇xJ(xtadv,y) x t 1 a d v x t a d v ϵ ⋅ sign ( g t 1 ) x_{t1}^{adv}x_{t}^{adv}\epsilon \cdot \text{sign}\left(g_{t1}\right) xt1advxtadvϵ⋅sign(gt1) 其中 g t g_{t} gt 是第 t t t次迭代的动量项 x t a d v x_{t}^{adv} xtadv是第 t t t次迭代得到的对抗样本 J J J是损失函数 ∇ x J ( x t a d v , y ) \nabla_{x} J\left(x_{t}^{adv}, y\right) ∇xJ(xtadv,y) 是损失函数关于对抗样本的梯度 sign \text{sign} sign 表示符号函数。投影操作为了确保对抗样本在合理的范围内通常还需要进行投影操作将其像素值限制在有效区间内如 [ 0 , 1 ] [0, 1] [0,1] 或 [ − 1 , 1 ] [-1, 1] [−1,1] 。
MI-FGSM代码实现
MI-FGSM算法实现
import torch
import torch.nn as nndef MI_FGSM(model, criterion, original_images, labels, epsilon, alpha0.001, num_iterations10, decay1):MI-FGSM (Momentum Iterative Fast Gradient Sign Method) 参数:- model: 要攻击的模型- criterion: 损失函数- original_images: 原始图像- labels: 原始图像的标签- epsilon: 最大扰动幅度- alpha: 每次迭代的步长- num_iterations: 迭代次数- decay: 动量衰减因子# 复制原始图像作为初始的对抗样本perturbed_image original_images.clone().detach().requires_grad_(True)momentum torch.zeros_like(original_images).detach().to(original_images.device)for _ in range(num_iterations):outputs model(perturbed_image)loss criterion(outputs, labels)model.zero_grad()loss.backward()data_grad perturbed_image.grad.data# 归一化梯度避免梯度爆炸等问题data_grad data_grad / torch.mean(torch.abs(data_grad), dim(1, 2, 3), keepdimTrue)# 更新动量momentum decay * momentum data_grad / torch.mean(torch.abs(data_grad), dim(1, 2, 3), keepdimTrue)# 计算带动量的符号梯度sign_data_grad momentum.sign()# 更新对抗样本perturbed_image perturbed_image alpha * sign_data_grad# 投影操作确保扰动后的图像仍在合理范围内这里假设图像范围是[0, 1]perturbed_image torch.where(perturbed_image original_images epsilon,original_images epsilon, perturbed_image)perturbed_image torch.where(perturbed_image original_images - epsilon,original_images - epsilon, perturbed_image)perturbed_image torch.clamp(perturbed_image, 0, 1).detach().requires_grad_(True)return perturbed_image攻击效果 代码汇总
mifgsm.py
import torch
import torch.nn as nndef MI_FGSM(model, criterion, original_images, labels, epsilon, alpha0.001, num_iterations10, decay1):MI-FGSM (Momentum Iterative Fast Gradient Sign Method) 参数:- model: 要攻击的模型- criterion: 损失函数- original_images: 原始图像- labels: 原始图像的标签- epsilon: 最大扰动幅度- alpha: 每次迭代的步长- num_iterations: 迭代次数- decay: 动量衰减因子# 复制原始图像作为初始的对抗样本perturbed_image original_images.clone().detach().requires_grad_(True)momentum torch.zeros_like(original_images).detach().to(original_images.device)for _ in range(num_iterations):outputs model(perturbed_image)loss criterion(outputs, labels)model.zero_grad()loss.backward()data_grad perturbed_image.grad.data# 归一化梯度避免梯度爆炸等问题data_grad data_grad / torch.mean(torch.abs(data_grad), dim(1, 2, 3), keepdimTrue)# 更新动量momentum decay * momentum data_grad / torch.mean(torch.abs(data_grad), dim(1, 2, 3), keepdimTrue)# 计算带动量的符号梯度sign_data_grad momentum.sign()# 更新对抗样本perturbed_image perturbed_image alpha * sign_data_grad# 投影操作确保扰动后的图像仍在合理范围内这里假设图像范围是[0, 1]perturbed_image torch.where(perturbed_image original_images epsilon,original_images epsilon, perturbed_image)perturbed_image torch.where(perturbed_image original_images - epsilon,original_images - epsilon, perturbed_image)perturbed_image torch.clamp(perturbed_image, 0, 1).detach().requires_grad_(True)return perturbed_imagetrain.py
import torch
import torch.nn as nn
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
from models import ResNet18# 数据预处理
transform_train transforms.Compose([transforms.RandomCrop(32, padding4),transforms.RandomHorizontalFlip(),transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])transform_test transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 加载Cifar10训练集和测试集
trainset torchvision.datasets.CIFAR10(root./data, trainTrue, downloadFalse, transformtransform_train)
trainloader torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size128, shuffleTrue, num_workers2)testset torchvision.datasets.CIFAR10(root./data, trainFalse, downloadFalse, transformtransform_test)
testloader torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size100, shuffleFalse, num_workers2)# 定义设备GPU或CPU
device torch.device(cuda:0 if torch.cuda.is_available() else cpu)# 初始化模型
model ResNet18(num_classes10)
model.to(device)# 定义损失函数和优化器
criterion nn.CrossEntropyLoss()
optimizer torch.optim.Adam(model.parameters(), lr0.01)if __name__ __main__:# 训练模型for epoch in range(10): # 可以根据实际情况调整训练轮数running_loss 0.0for i, data in enumerate(trainloader, 0):inputs, labels data[0].to(device), data[1].to(device)optimizer.zero_grad()outputs model(inputs)loss criterion(outputs, labels)loss.backward()optimizer.step()running_loss loss.item()if i % 100 99:print(fEpoch {epoch 1}, Batch {i 1}: Loss {running_loss / 100})running_loss 0.0torch.save(model.state_dict(), fweights/epoch_{epoch 1}.pth)print(Finished Training)advtest.py
import torch
import torch.nn as nn
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
from models import *
from attacks import *
import ssl
import os
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as pltssl._create_default_https_context ssl._create_unverified_context# 定义数据预处理操作
transform transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.491, 0.482, 0.446), (0.247, 0.243, 0.261))])# 加载CIFAR10测试集
testset torchvision.datasets.CIFAR10(root./data, trainFalse,downloadFalse, transformtransform)
testloader torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size128,shuffleFalse, num_workers2)# 定义设备GPU优先若可用
device torch.device(cuda if torch.cuda.is_available() else cpu)model ResNet18(num_classes10).to(device)criterion nn.CrossEntropyLoss()# 加载模型权重
weights_path weights/epoch_10.pth
model.load_state_dict(torch.load(weights_path, map_locationdevice))if __name__ __main__:# 在测试集上进行FGSM攻击并评估准确率model.eval() # 设置为评估模式correct 0total 0epsilon 0.01 # 可以调整扰动强度for data in testloader:original_images, labels data[0].to(device), data[1].to(device)original_images.requires_grad Trueattack_name MI-FGSMif attack_name FGSM:perturbed_images FGSM(model, criterion, original_images, labels, epsilon)elif attack_name BIM:perturbed_images BIM(model, criterion, original_images, labels, epsilon)elif attack_name MI-FGSM:perturbed_images MI_FGSM(model, criterion, original_images, labels, epsilon)perturbed_outputs model(perturbed_images)_, predicted torch.max(perturbed_outputs.data, 1)total labels.size(0)correct (predicted labels).sum().item()accuracy 100 * correct / total# Attack Success RateASR 100 - accuracyprint(fLoad ResNet Model Weight from {weights_path})print(fepsilon: {epsilon})print(fASR of {attack_name} : {ASR}%)
