图像分类模型的对抗样本攻防研究综述

闫嘉乐，徐 洋，张思聪，李克资

贵州师范大学 贵州省信息与计算科学重点实验室，贵阳 550001

近年来，深度学习作为人工智能的核心技术被广泛使用在大量的场景和应用中，它在许多任务中取得先进的性能和快速的发展，例如计算机视觉[1]、自然语言处理[2]、语音辨识[3]、自动驾驶[4]、医疗诊断[5]等任务，有些领域甚至超过人类的处理能力。在计算机视觉领域，自从Krizhevsky等人[6]利用AlexNet网络在图像分类任务上取得了划时代的突破以来，卷积神经网络成为该领域最先进的模型，虽然深度学习模型性能很优越，但不幸的是，Szegedy等人[7]研究发现深度神经网络模型在对抗样本面前非常脆弱，此后的研究工作发现深度学习模型在语音识别[8]、文本分类[9]、恶意软件检测[10]等不同的任务中也存在对抗样本现象。由于图像分类模型的对抗攻击在文献中是最常见的，因此这是本文梳理的重点。

卷积神经网络模型和其他的深度学习模型在面对对抗攻击时的脆弱性，促使机器学习社区重新审视与模型构建相关的所有过程，试图找到模型缺乏鲁棒性可能的原因。对抗攻击与防御之间的军备竞赛最终形成了一个对抗机器学习的最新研究领域，该领域致力于构建更可信、更鲁棒的深度学习模型。

图像分类的对抗机器学习目前是一个非常活跃的研究领域，它占据了该领域的大部分研究工作，几乎每天都有新的论文发表，但迄今为止还没有一个有效的解决方案来确保深度学习模型的安全性。本文梳理和总结了图像分类领域的研究工作，整理了该领域的核心分类体系，以便为读者更好地探索该领域打下坚实的基础。

虽然对抗样本领域已经存在多篇在图像领域的综述论文[11-13]，但本文相比这些综述文章对该领域的介绍更加全面，可以让读者对图像分类领域的全貌有一个清晰的了解。本文相比2020年文献[11]梳理总结了对抗样本防御相关的工作，相比2022年文献[12]梳理总结了解释对抗样本存在性的相关工作，以期为读者抛砖引玉，相比2021年文献[13]梳理总结了物理世界的对抗样本相关的工作。本文梳理和回顾了图像分类领域对抗样本攻击和防御的发展历程，如图1所示。

图1 对抗样本的发展历程Fig.1 Development process of AE

1 对抗样本相关概念的介绍

1.1 对抗样本的定义

本节以图像分类模型为例，介绍对抗样本的定义。一个图像对抗样本可以形式化定义如下：f表示由正常图像训练得到的分类模型，x表示正常的输入图像，敌手（adversary）寻找一个对抗扰动δ（adversarial perturbation，AP），使得x"=x+δ，x"即为对抗样本（adversarial example，AE），其中对抗扰动δ使得x跨越了分类模型f的决策边界导致f(x)≠f(x")，如图2所示。综上，对抗样本的简单形式化定义如公式（1）：

图2 对抗样本在2维决策空间下示例Fig.2 Example of AE in 2D decision space

图3展示了一个图像对抗样本生成的示例，敌手在分类模型的测试阶段使用FGSM攻击[14]方法精心制作一个对抗扰动，添加在正常样本上生成对抗样本，输入给分类模型，使得本来以57%置信度分类为大熊猫的图像被以99%的置信度误分类为长臂猿。

图3 图像对抗样本的生成Fig.3 Generation of image AE

1.2 相关术语介绍

（1）白盒攻击和黑盒攻击

根据敌手对目标模型的先验知识掌握情况，攻击可以被分类为白盒攻击（white-box attack）和黑盒攻击（black-box attack）。在白盒攻击中，敌手可以完全访问目标模型的训练数据、参数和结构，甚至是防御的参数和结构。在黑盒攻击中，敌手并不知道目标模型和训练模型的参数，以及防御方法的有关信息。

（2）目标攻击和无目标攻击

根据对抗攻击是否设置目标结果，攻击被分为目标攻击（targeted attack）和无目标攻击（non-targeted attack）。目标攻击是敌手旨在诱导目标模型将输入样本分类为特定目标结果。无目标攻击是敌手旨在诱导目标模型将输入样本分类为非正常样本的真实结果的其他任何结果。（3）单步攻击和迭代攻击

根据生成对抗样本的计算复杂度，攻击被分为单步攻击（one-step attack）和多步攻击（iterative attack）。单步攻击使用梯度一步计算得到对抗扰动，迭代攻击利用更多的迭代步骤来制作和微调对抗扰动。

（4）置信度和类别标签

置信度（confidence）是输入样本经过模型分类为某种类别的概率。类别标签（class label）指图片分类模型得到的类别标签结果。

（5）目标模型和替代模型

目标模型（target model）是被敌手攻击的模型。替代模型（substitute model）是一个由敌手设法训练的模型，用来重现目标模型的预测行为。

（6）对抗样本的迁移性

对抗样本的迁移性（transferability）是指对抗样本在原始被计算的模型之外的模型进行泛化的能力。

（7）数字攻击和物理世界攻击

数字攻击（digital attack）是可以完全访问模型的实际数字输入的攻击。物理世界攻击（physical-world attack）是攻击真实世界的系统。

（8）扰动约束度量

由于对于人类视觉系统来说，很难定义一个不易察觉的标准，Lp范数经常被用来控制添加到图像中扰动的大小。L1和L2范数分别表示正常图像和对抗图像在输入空间中的曼哈顿距离和欧几里德距离，L0范数表示对抗图像在正常图像中修改的像素数量，L∞范数衡量的是正常图像和对抗图像之间对应位置上所有像素的最大差异。

2 对抗样本的攻击方法

本章主要梳理和总结了深度学习图像分类领域对抗样本的相关攻击方法，总体上按白盒和黑盒两大类攻击进行介绍，最后为了强调物理世界中对抗样本的严峻性，回顾了相关研究工作。图4根据敌手对模型的不同访问程度描述了攻击的大致分类。在本章中，白盒（基于梯度的）攻击和黑盒（基于迁移的、基于置信度分数的和基于决策边界的攻击）会被详细地介绍。表1和表2中对白盒攻击进行了总结和分析。

表1 对抗样本的攻击方法总结Table 1 Summarization of adversarial attack methods

表2 对抗攻击方法分析Table 2 Analysis of adversarial attack methods

图4 敌手对模型不同访问程度的攻击类别分类Fig.4 Classification of attack categories of adversaries with different access degrees to model

2.1 白盒攻击

本节根据对抗样本的制作机理，将白盒攻击总结为3个方向进行介绍分别是：基于梯度的攻击、基于优化的攻击和其他的白盒攻击方法。

2.1.1 基于梯度的攻击

基于梯度的攻击算法主要利用目标模型关于给定输入的梯度信息来寻找一个使模型损失值更大的对抗扰动，从而使加入该对抗扰动的正常图像导致模型误分类，这种攻击方式在文献中使用得最多。由于基于梯度的攻击通常需要获取目标模型内部结构的信息，因此绝大多数基于梯度的攻击都是白盒攻击。

Goodfellow等人[14]开创性地提出了基于梯度的单步攻击方法：快速梯度符号方法（fast gradient sign method，FGSM）。FGSM方法在给定上限范数约束ε的一次迭代中，沿着正常样本梯度的反方向添加扰动来最大化目标模型的训练损失误差，降低分类的置信度，增加类间混淆的可能性，使得模型分类错误。给定一个输入图像x，FGSM根据公式（2）生成一个对抗样本x"。FGSM算法简单有效，在图像攻击领域发挥着重要的作用，很多后续的研究都是基于该算法进行的。

鉴于单步攻击的FGSM的扰动较大，成功率较低。Kurakin等人[15]在FGSM方法的原理上进行优化，提出了基本迭代攻击方法（basic iterative method，BIM），有些文献中也称为I-FGSM方法（iterative fast gradient sign method），该攻击在本质上是迭代的FGSM算法，将FGSM的单次计算对抗扰动转换为迭代小步计算对抗扰动，BIM攻击通过迭代公式（3）来生成对抗图像，该攻击方法是引入物理世界攻击的一个有影响力的贡献。

虽然I-FGSM方法提高了对抗样本攻击的成功率，但是该方法生成的对抗图像容易陷入优化的局部极值点，且易过拟合到攻击模型上，因此会减弱生成的对抗样本的迁移性。针对该问题，Dong等人[16]在I-FGSM的基础上添加一个动量项，从而加速了收敛以及避免落入优化的局部极小值，形成了MI-FGSM方法（momentum iterative fast gradient sign method），该方法添加动量的巧妙思路解决了以往迭代攻击的缺点：随着迭代次数的增加，黑盒攻击的可迁移性减弱，该思路不仅增强了对白盒模型的攻击能力，而且提高了对于黑盒模型的攻击成功率。MI-FGSM攻击方法的非定向攻击可以被归纳为公式（4）所示，其中gi的初始值为0，且gi使用衰减因子μ累积前i次迭代的梯度，从而稳定了梯度的更新。

I-FGSM由于对有效对抗扰动的多次搜索，因此被认为是强大的攻击之一，但它计算代价高昂。后来，Madry等人[17]提出了投影梯度下降（projected gradient descent，PGD）方法，本质是I-FGSM的一种变体，与I-FGSM相比，PGD使用均匀的随机噪声初始化，增加攻击的迭代轮数，并且提出在I-FGSM中对梯度进行投影，而不是对梯度进行裁剪操作。经过大量实验验证，PGD攻击被对抗机器学习领域顶级学术会议的学者们广泛认为是最强大的一阶攻击。PGD攻击的非定向攻击如公式（5）所示：

虽然基于梯度的攻击方法在白盒环境中取得了令人难以置信的成功率，但大多数现有的基于梯度的攻击方法在黑盒环境中往往表现出较弱的可迁移性，特别是在攻击具有防御机制的模型的情况下。针对该问题，Wang等人[18]提出了VMI-FGSM（variance tuning MI-FGSM）方法，以增强基于梯度的迭代攻击方法类的可迁移性。具体来说，在梯度计算的每次迭代中，不直接使用当前的梯度进行动量积累，而是进一步考虑之前迭代的梯度方差来调整当前梯度，以稳定更新方向摆脱糟糕的局部最优值。

前边介绍的基于梯度的攻击都集中在从整体上扰动图像，并且限制扰动的L2或者L∞范数，Papernot等人[19]提出JSMA方法（Jacobian-based saliency map attack）则将扰动限制在图像的一个较小的区域。JSMA攻击引入显著性映射来评估每个输入特征对模型类预测的影响，利用该信息来筛选在改变模型预测时最有影响力的像素，通过扰动一些显著特征来引起模型的错误分类，该攻击方法倾向于找到稀疏的对抗扰动，生成的对抗样本的视觉质量很高。

综上所述，目前基于梯度的攻击中，主要有基于FGSM攻击进行发展和改进的路线（I-FGSM、MI-FGSM、PGD、VMI-FGSM），以及基于稀疏性扰动的发展路线（JSMA等）。FGSM计算成本低，但是生成的对抗扰动通常比迭代攻击（例如I-FGSM、MI-FGSM、PGD、VMI-FGSM等）生成的对抗扰动更大，生成的对抗样本的视觉质量较差，并且对模型的欺骗效果更差。MI-FGSM和PGD都改进了I-FGSM方法，MI-FGSM在优化过程中使用动量，增强了对抗样本的可迁移性，PGD嘈杂的初始点和投影梯度产生了更强的攻击，VMI-FGSM改进MIFGSM，使用梯度的方差调整更新，进一步增强了对抗样本的可迁移性。

2.1.2 基于优化的攻击

生成对抗样本的核心问题是如何找到有效的对抗扰动，寻找对抗扰动可以被形式化为一个优化问题，因此可以通过对优化问题的求解来实现攻击。通常来说，基于优化的攻击相比于基于梯度的攻击生成的对抗扰动添加在正常图像上视觉效果要好，并且生成的扰动范数更小，但相比基于梯度的方法更耗时。

2014年Szegedy等人[7]首次发现了深度神经网络模型在对抗扰动下的脆弱性，首次引入对抗样本的概念，其工作是对抗样本领域的开山之作，文中提出了L-BFGS攻击算法，通过寻找导致神经网络误分类的最小损失函数加性扰动项，将问题转化为凸优化问题，形式化为公式（6）所示的优化问题来寻找对抗扰动。L-BFGS攻击寻找人类感知最小的对抗扰动，因此生成对抗扰动的计算开销很大，速度很慢，并且攻击的成功率不高。文中也证明了对抗样本在不同的深度神经网络分类模型之间具有很好的迁移性。

Carlini和Wagner[20]提出了基于优化的相对较强的一阶攻击CW攻击，本质是基于L-BFGS攻击的改进，具体的CW攻击相对于L-BFGS攻击有以下三个改进：（1）使用模型中实际输出的梯度，而不是经过softmax操作后的梯度。（2）应用不同的扰动约束度量L0、L2、L∞范数。（3）应用不同的目标函数ℓ(·)，通过实验分析选择出了最优的目标函数来生成对抗样本。相比L-BFGS攻击，CW方法可以改变目标函数中的超参数来扩大最优解的搜索空间，进而显著提高对抗攻击的成功率。由于CW攻击需要对算法的一些参数进行优化，速度极慢，并且不具有黑盒可迁移性，但是一种非常强的白盒攻击方法，可以攻破防御性蒸馏防御方法。

稀疏的对抗攻击只扰动几个像素来欺骗深度神经网络。与逐像素的整体扰动相比，高度稀疏的对抗攻击更危险，因为不易被人眼所察觉。Zhu等人[21]通过提出一种同伦（homotopy）优化算法在一个统一的框架内同时解决了对抗扰动的稀疏性和扰动约束问题。同伦攻击（homotopy-attack）方法利用不同区域的特性，施加不同程度的L∞范数扰动上界，其中该上界的计算依赖于不同坐标轴的像素饱和度水平，以最小化地对抗样本与正常样本之间的L0距离。实验表明该方法与最先进的方法相比，可以产生非常稀疏的对抗扰动，同时保持相对较低的扰动强度。

2.1.3 其他白盒攻击方法

除了基于梯度和基于优化的攻击方法外，活跃的研究者们还想出了DeepFool和UAP这种基于超平面思想的攻击方法，以下将简要介绍。

为了解决FGSM攻击中扰动大小ε不确定的问题，Moosavi-Dezfooli等人[22]提出DeepFool方法，该方法思路是计算正常样本和目标模型分类边界之间最小距离来生成对抗扰动，该方法是一种基于L2范数的非目标攻击方法，该方法巧妙利用以直代曲、化繁就简、迭代解决的思路，将正常图像周围的类边界线性化，形成一个凸多面体，然后向最优方向更新一小步，将正常图像推向最近的分类超平面，直到其跨过分类超平面改变类标签，具体如图5所示。由于DeepFool攻击产生近似最小扰动，因此生成的扰动相比于基于梯度和基于优化的攻击方法都要小，相比于基于优化的攻击方法速度更快。

图5 DeepFool分类超平面示例Fig.5 DeepFool classification hyperplane example

上边介绍的对抗攻击生成的对抗扰动仅可以在特定的图像上欺骗目标模型，是否存在图像上的通用对抗扰动呢？Moosavi-Dezfooli等人[23]经过研究提出了UAP（universal adversarial perturbations），攻击者只需在相同分布的所有样本中添加UAP算法生成的扰动即可生成对抗样本。UAP方法利用分类超平面思想依次迭代推导出每个样本的扰动向量Δνi，将Δνi进行聚合，最终产生一个扰动ν让所有的样本xi跳出分类决策边界Ri之外生成对抗样本，如图6所示。

图6 通用对抗扰动示意图Fig.6 Schematic diagram of UAP

2.2 黑盒攻击

从现实的对抗的角度来看，黑盒攻击是最实用的一类，因为黑盒攻击假设不了解目标模型相关的信息，它的实用性使得在对抗机器学习社区中非常受欢迎。本节总结和梳理形成了3个方向的黑盒攻击方法，主要是：基于迁移的攻击、基于置信度分数查询的攻击和基于决策边界的攻击。表1和表2中对黑盒攻击进行了总结和分析。

2.2.1 基于迁移的攻击

基于迁移的攻击允许攻击者进行目标模型的查询和访问目标模型的一部分训练数据集，然后攻击者使用这些信息构建一个合成模型，攻击者在合成模型上使用白盒攻击生成对抗样本，最后将该对抗样本迁移到目标模型上进行攻击。基于迁移的攻击是介于黑盒攻击和白盒攻击之间的一种攻击。这种攻击的条件假设较强，因此不贴合真实场景，对抗样本更好的可迁移性是基于迁移的攻击研究的一个重要目标。

Papernot等人[24]提出了最早的黑盒攻击被称为本地替代模型攻击（local substitute model attack，LSMA），在该攻击中，敌手被允许访问用于训练分类模型的部分原始训练数据以及对分类模型的查询访问。LSMA攻击通过生成替代模型（substitute model）来模拟被攻击模型的近似决策边界，并基于当前的替代模型生成对抗样本，这些对抗样本最终被用于攻击原始目标模型。在训练过程中，雅可比矩阵（Jacobian matrix）被用来有效利用，以减少目标模型的查询次数。LSMA方法使梯度掩蔽防御策略无效，因为它不需要梯度信息。

后来，Liu等人[25]在LSMA方法中引入了集成（ensemble）的思想，即同时选择多个模型并结合其损失值来生成相应的对抗样本。该方法考虑了不同模型之间决策边界的相似性，从而首次实现了在不同模型之间大范围迁移对抗性样本的目标。

Shi等人[26]为了增强黑盒攻击场景下对抗样本的多样性和可迁移性，受MI-FGSM攻击方法的启发，提出了Curls&Whey黑盒攻击方法。Curls&Whey攻击方法通过在替代模型上生成对抗样本，然后运用在黑盒模型中，主要包含两个步骤：（1）利用卷曲迭代法（curls iteration）沿梯度上升方向或下降方向添加对抗扰动到原始正常图像，优化迭代轨迹多样性和适应性。（2）Whey优化主要用来在对抗样本中去除过多的冗余对抗扰动，提升了对抗图像的视觉质量。

此外，Huang和Zhang[27]结合了基于迁移和基于置信度分数的攻击思想提出了TREMBA。该方法首先通过替代模型在白盒攻击中生成一个初始的对抗样本，然后以这个初始的对抗样本为搜索起点，继续使用基于置信度分数的攻击方法进行查询，最后迭代出迁移效果较好的对抗样本。这种方法有效减少了查询次数，同时提高了黑盒攻击的成功率。

在过去提出的攻击中，分类模型对图片中的像素点一视同仁，没有区别对待，学到了很多缺乏迁移性的噪声特征，这很容易导致局部最优。Wang等人[28]提出了特征重要性感知攻击（feature importance-aware attack，FIA），用梯度来表示特征的重要性，通过抑制重要特征和促进琐碎特征来优化加权特征映射，使模型决策错误，从而获得更强的可迁移性对抗样本。

2.2.2 基于置信度分数查询的攻击

基于置信度分数查询的攻击相对于基于迁移的攻击拥有更强的假设，不需要任何关于数据集的知识，它会反复查询看不见的分类器，得到分类器输出的置信度向量，以尝试生成合适的对抗扰动来完成攻击。基于置信度分数查询的攻击相对于基于迁移的攻击更加符合现实场景。

Chen等人[29]开创性地发展了基于梯度估计的黑盒攻击方法，即零阶优化（zeroth order optimization，ZOO）来估计目标模型的梯度，以此来生成对抗图像。ZOO方法受CW方法的启发，其优化的方案一致，由于黑盒攻击方法，不能获得模型梯度，因此使用对称差商的零阶优化方法来估计梯度和Hessian矩阵，如公式（7）所示。因为深度学习中输入样本的维度较高，因此ZOO方法的近似计算开销较大，需要较多的模型查询次数，后续的研究工作也都进一步朝着降低计算开销的方向改进。

为了解决ZOO攻击方法的估算梯度开销较大的问题，Ilyas等人[30]巧妙利用投影梯度下降（PGD）和自然进化策略（natural evolution strategies，NES），估算梯度来降低置信度获取成本，在黑盒场景下构造对抗样本，成功地攻击了当时谷歌的云视觉API。

为了进一步地降低置信度分数的获取成本以及加快梯度的估算速度，Tu等人[31]提出了基于自动编码器的零阶优化方法（autoencoder-based zeroth order optimization method，AutoZOOM），该方法是一个通用的查询效率高的黑盒攻击框架，它可以在黑盒场景下有效地产生对抗性样本。AutoZOOM利用自适应随机梯度估计策略来降低查询的次数和减小扰动的失真度，同时，使用未标记的数据离线训练自动编码器，从而加快了对抗性样本的生成速度。AutoZOOM方法与标准的ZOO攻击方法相比，可以大大减少模型的查询次数，同时保持攻击的有效性以及对抗性样本的视觉质量较高。

Su等人[32]提出的One-pixel攻击和前边介绍的JSMA攻击一样，将对抗扰动限制在图像较小的区域内，只需要扰动几个或单个像素点便可以获得较好的攻击效果。为了提高攻击像素点的查找效率，引入了差分进化（differential evolution）的查找策略，使得攻击简单高效。

Du等人[33]提出了meta attack，该攻击使用基于自动编码器结构的元学习来近似梯度，并使用爬虫元学习（reptile meta-learning）训练方法进行训练，通过训练元攻击者并将其纳入优化过程，该方法可以在不降低攻击成功率和失真度的情况下大幅减少所需的查询次数。

最近，Ma等人[34]提出了查询更加高效的simulator attack，其主要做法是训练一个模拟器（simulator），其中基于知识蒸馏（knowledge distillation）的均方误差损失函数被应用于元学习中的内部和外部更新，以学习许多不同网络模型的输出，从而可以模拟任何未知模型的输出。一旦训练完成，模拟器只需要少量的查询数据进行微调，就可以准确地模拟未知网络的输出，这使攻击需要的大量查询转移到模拟器上，有效地降低了攻击中目标模型的查询次数，使得攻击更加符合现实场景。

2.2.3 基于决策边界的攻击

基于决策边界的攻击既不依赖于替代模型，也不需要置信度分数向量。相比于基于置信度分数查询的攻击，基于决策的攻击代表了一个更受限制的对抗场景，即只需要来自黑盒分类器输出的类别标签便可以成功攻击。这种攻击更加符合真实世界的场景，因此更具研究价值，但攻击难度更大，通常需要较多的查询次数。

为了更加符合现实世界中的黑盒场景限制，Brendel等人[35]提出了基于决策边界的攻击的开山之作Boundary Attack，该攻击只依赖于分类模型输出的类别标签，无需梯度或者置信度分数等信息。Boundary Attack生成对抗样本的具体的示例如图7所示，Boundary Attack的思路是寻找与原始图像x相似的对抗图像x"，主要的做法是反复扰动一个初始对抗图像x0"，x0"和x属于不同的类别，然后沿着x和x0"所属类别之间的决策边界进行随机游走，使用拒绝采样进行优化，仅需要对对抗图像x"i查询模型输出的类别标签，直到最小化原始图像x和对抗图像x"之间的距离度量d(x,x")即可生成对抗图像。由于拒绝采样优化方式的蛮力性质，因此Boundary Attack需要较多的迭代搜索次数（例如数十万次迭代）才能找到高质量的对抗图像，因此后来对于Boundary Attack的研究主要集中在如何找到更小扰动值的搜索方向和如何加快其搜索速度两个方面的工作。

图7 边界攻击的示意图Fig.7 Schematic diagram of boundary attack

为了提高攻击的查询效率，Cheng等人[36]提出了基于决策边界的Opt-Attack，由于只能获得目标模型输出的类别标签，因此攻击的目标函数不是连续的，故难以进行优化，作者等人重新将问题形式化为实数值优化问题，使得目标函数变得连续，因此可以使用任何的零阶优化算法求解，解决了Boundary Attack需要超多次的模型查询以及无法保证收敛性的问题，使得攻击具有更高的查询效率。

Chen等人[37]为了解决边界攻击的查询次数较多的问题，提出了一种基于决策边界的攻击HSJA（hop skip jump attack），HSJA攻击在Boundary Attack的基础上进行改进，由于在模型决策边界的边缘实现了梯度估计技术，解决Boundary Attack的查询次数较多的问题，因此可以更有效地生成对抗样本，具有较高的成功率和较低的查询次数。

减少基于决策边界的攻击所需的查询次数的挑战是如果不进行多次查询，就很难探索高维数据的决策边界。Li等人[38]提出QEBA（query-efficient boundary-based blackbox attack）试图通过向图像添加扰动来生成查询，从而减少所需的查询次数。因此，探测决策边界被简化对每个生成的查询搜索一个更小的、有代表性的子空间，基于子空间的梯度估计与原始空间的估计相比是最佳的。QEBA大大减少了模型所需的查询次数，针对离线模型和现实世界中的在线API均能产生高质量的对抗样本。

Li等人创新性地克服了黑盒攻击的梯度不可获得，提出了一种查询高效的NonLinear-BA[39]（nonlinear black-box attack）方法，该方法是一种基于非线性梯度投影的边界黑盒攻击，通过利用矢量投影进行梯度估计。高维梯度估计的计算成本很高，需要大量的查询，NLBA将梯度投射到低维的支持物上，极大地提高了估计效率，可以高效地生成对抗样本。

2.3 物理世界中的对抗样本

本文第2.1和2.2节详细介绍了在实验室环境下数字世界的白盒和黑盒的关于图像分类场景下的对抗攻击方法，人工智能研究社区很多乐观的研究者认为对抗样本仅能存在于数字世界中，物理世界中受光照条件、距离、拍摄角度、曝光程度、设备差异以及标志遮挡等诸多因素都会导致对抗样本的失效，确实第2章中的很多对抗攻击方法直接用在物理世界中的攻击效果大多都不理想，但不幸的是，人工智能安全研究者经过研究发现对抗样本在物理世界中也能成功地攻击深度学习模型。因此，本节从自动驾驶、通用目标检测以及图像分类等方面梳理了物理世界中对抗样本的工作，以期为后续的研究者提供一些研究灵感。表1对物理世界中的对抗样本攻击进行了总结。

Eykholt等人[40]在无人驾驶系统中提出了一种在物理世界中生成对抗扰动的白盒攻击方法，被称为鲁棒物理扰动（robust physical perturbations，RP2），该方法在一系列的动态物理环境中产生鲁棒的对抗扰动，其中动态物理环境包括距离、角度和分辨率等物理条件的变化，该方法在无人驾驶系统的道路标识识别系统中实现了很高的欺骗率。文中采用两种方法攻击路标分类模型，分别是海报（poster）攻击和贴纸（sticker）攻击，如图8所示从左图到右图依次为两种类型的攻击方法，深度学习模型的分类模型会将“停车”路标识别为限速“60 km/h”的路标，这些黑白贴纸模仿了生活中常见的涂鸦，不容易引起人们的注意，具有很强的隐蔽性，这给使用深度学习模型的无人驾驶系统带来了巨大挑战，可能会导致严重的交通事故。

图8 无人驾驶系统的两种路牌识别攻击Fig.8 Two types of road sign recognition attacks for autonomous driving systems

Kong等人[41]提出一种基于GAN[47]的PhysGAN方法来生成范数约束的对抗图像，打印后的图像显示出对物理世界条件的鲁棒性，例如光照条件、视角等变化。PhysGAN方法专门被设计用来欺骗无人驾驶车的转向模型，该模型是一个基于回归公式的角度预测问题。PhysGAN计算驾驶视频的视觉特征流的扰动，但忽略场景的背景，这样的策略允许对动态场景条件进行有效的扰动，从而避免了文献[40]中静态场景假设的需要。

保证自动驾驶安全的重要感知系统主要由摄像机和激光雷达等组成，以往的对抗攻击的研究大多集中在基于摄像头的感知上，基于激光雷达（LiDAR）感知的探索很少。Cao等人[42]首次展示了激光雷达在白盒场景下实现的假点欺骗（fake point spoofing）攻击，该攻击在模拟场景中取得了很好的攻击效果，然而在真实的道路场景中，实现该攻击需要将攻击装置动态地对准受害者汽车上的激光雷达，因此对激光发射装置的精度要求非常高。同年内，Cao等人[43]使用基于梯度的优化方法，即LiDAR-Adv攻击方法生成一个3D可打印的物理对抗物体，可以导致激光雷达无法检测到打印出的3D对抗物体，因此给激光雷达系统检测障碍物带来了新的挑战。

Thys等人[44]成功地将对抗样本攻击应用到目标检测模型中，提出了一种行人检测攻击（pedestrian detection attack），在白盒环境下，作者使用对抗补丁（adversarial patch）攻击部署的YOLOv2[48]目标检测器，具体做法是使用40×40大小的对抗补丁贴在人的身上，就可以成功避开目标检测器的检测，具体的示例如图9所示，图像左边没有对抗补丁的人被目标检测器成功检测出来，图像右边拿着对抗补丁的人成功地攻击了目标检测器，使其被目标检测器忽略掉。

图9 利用对抗补丁的行人检测攻击Fig.9 Pedestrian detection attacks using adversarial patches

Ho等人[49]实验研究表明，在对物理世界的物体进行成像时，随着相机的抖动和姿势的变化，可以获得轻易骗过深度学习模型的图像，该研究中扰动的不可感知性通过语义的形式呈现，即上下文的不可感知性图像中的抖动和姿势看起来很自然，不易被人察觉。

对抗补丁攻击[45]也是一种发动物理世界攻击的有效方法，一个对抗补丁通常是一个清晰可见的图案，它可以放置在被攻击对象旁边从而导致模型输出错误的结果，具体效果如图10（c）所示，在桌子上香蕉的旁边放置对抗补丁，图像分类模型以很高的置信度将香蕉误分类为烤面包机。近来，Duan等人[46]提出了一种基于神经风格迁移技术[50]的AdvCam方法来计算不受约束的扰动，这种扰动以伪装目标对象的形式来进行物理世界的攻击，该方法能够生成比先前工作[40]如图10（a）和文献[45]如图10（c）更隐秘的扰动，因为生成的扰动对人眼来说更自然，如图10（b）所示[46]，AdvCam方法以伪装自然污渍的形式对停车标志添加对抗扰动来攻击深度学习分类模型，如图10（d）所示[46]，AdvCam方法在香蕉旁边以伪装产品标签的形式来达到攻击的目的。AdvCam方法生成的物理世界的对抗扰动不仅具有很强的隐蔽性，同时对物理世界的各种条件具有很强的鲁棒性和适应性。

图10 三种物理世界对抗攻击的效果Fig.10 Effect image of three physical worlds adversarial attack

3 对抗样本存在性相关的解释

对抗样本自发现以来，就受到研究人员的广泛关注，文献中有大量的假设来解释深度神经网络的对抗脆弱性，但是很多的解释都不能很好地泛化，并且很多解释之间互相冲突，到目前为止，对于对抗样本存在的原因还没有达成共识。研究人员普遍认为对抗样本现象仍未被充分地理解，关于其成因方面的工作仍然具有吸引力，本章回顾和梳理了该方向的贡献和主要的假设。

（1）高维非线性假设

Szegedy等人[7]认为对抗样本是数据流形（data manifold）上形成的低概率的盲区（pockets），这些盲区通常很难通过简单的随机抽样被找到，他们认为难以采样的盲区正是深度神经网络的高度非线性导致的，因此模型的泛化能力较差，如图11所示，样本空间中的类别¡和+被分类模型很好地分开，但是每个类别的每个元素周围都密布着另外一个类别的元素，因为低概率的对抗性盲区密集地分布在图像空间中。Gu等人[51]和Song等人[52]认为这种盲区的出现主要是由于目标函数、训练过程以及训练样本的多样性和数据集的规模受限等的一些缺陷导致的，进而导致神经网络模型的泛化性较差。

图11 对抗样本存在的非线性解释Fig.11 Non-linear explanation for existence of AE

（2）线性假设

Goodfellow等人[14]的假设与Szegedy等人的非线性假设相反，他们认为深度神经网络中对抗样本的存在恰恰是线性原因导致的，由于深度神经网络学习高维特征空间的映射，因此在输入上的微小扰动经过高维空间的变换后会导致最终的输出结果大相径庭。Fawzi等人[53]表明神经网络模型的对抗鲁棒性是独立于训练过程的，深度神经网络表示的高阶模型中类别之间的距离比线性分类器更大，他们认为更深层次的模型中更难找到对抗样本，这种解释也与Szegedy等人的非线性假设相违背。除此之外也有研究结果与线性假设相反，Tabacof等人[54]发现对抗样本现象可能是一个更复杂的问题，实验结果表明浅层的模型比深层模型更容易受到对抗样本的影响。虽然有些研究对线性假设提出了批评，但一些相关的攻击（例如FGSM[14]和DeepFool[22]）和防御（例如thermometer encoding[55]）都是建立在线性假设的基础上的。

（3）边界倾斜假设

Tanay等人[56]否定了Goodfellow等人提出的线性假设，认为其不充分且没有说服力，他们提出了一个边界倾斜假设来解释对抗样本现象，具体的假设是深度神经网络虽然学习能力很强，但是通常学到的训练数据的类边界与训练数据的数据流形并非完全重合，而是存在一个倾斜的角度，因此在正常样本上添加的微小扰动容易导致对抗样本的产生。随着倾斜度的降低，所需的扰动量也更小，生成的对抗样本也具有更高的置信度和误导率，作者认为这种效果可能是模型过拟合的结果，如图12展示了边界倾斜假设的示意图，对抗样本存在于倾斜的边界之间，即训练数据学到的类边界和训练数据的数据流形之间。

图12 对抗样本存在的边界倾斜解释Fig.12 Boundary tilting explanation for existence of AE

（4）高维流形假设

Gilmer等人[57]、Mahloujifar等人[58]、Shafahi等人[59]和Fawzi等人[60]一致认为对抗样本现象是数据流形高维性导致的结果，为了提供证据，Gilmer等人创建了一个合成数据集来训练神经网络模型，以便更好地控制实验，模型被训练好以后，作者观察到被模型正确分类的输入接近于附近被错误分类的对抗性输入，基于该实验结果Gilmer等人否认对抗样本和正常样本的数据分布不同的假设[52，61]。

（5）缺乏足够的训练数据

Schmidt等人[62]认为经过训练学习到的模型必须具有很强的泛化性，需要借助鲁棒优化实现对抗鲁棒性。作者观察到对抗样本的存在并非神经网络分类模型的缺陷，而是统计学习的场景下无法避免的结果，迄今为止仍然没有可行的策略来实现模型的对抗鲁棒性。作者通过实验认为现存的数据集规模太小，不足以支撑训练鲁棒的神经网络模型。

（6）非鲁棒特征的假设

Ilyas等人[63]提出了一种不同的假设解释，他们认为对抗样本是神经网络的基本数据特征，而不是没有根据的错误。他们证明了对抗样本的存在可以归因于非鲁棒的特征，与标准训练框架无关，这与研究人员普遍认为的结论相反。非鲁棒的特征在数据集中普遍存在，这些特征有可能是深度学习模型实现更高准确性的有效来源。作者研究还证明了解耦鲁棒和非鲁棒特征的可能性，并且表明鲁棒的特征比非鲁棒的特征更加符合人类的感知。

4 对抗攻击的防御方法

对抗样本的存在严重威胁了深度学习模型在现实场景中的大量应用，甚至打击了研究者对于深度学习前景的信心。幸运的是，自对抗样本发现以来有许多研究工作来针对对抗攻击进行防御，总结起来可以大致分为4个大的方向：增强模型鲁棒性的防御、输入预处理的防御、对抗样本的检测防御和可验证鲁棒性的防御。

4.1 增强模型鲁棒性的防御

4.1.1 对抗训练

对抗训练框架被学术界普遍认为是对抗攻击的最强有力的防御策略，该策略的主要的做法是让模型在训练过程中暴露在对抗样本中，以获得对对抗样本的免疫力。对抗训练最初在文献[7]和[14]中使用，Madry等人[17]首次从理论上研究并且通过鲁棒优化的视角来表述它，随后很多研究工作专注于对抗训练。

Ding等人[64]指出对抗训练对训练数据分布很敏感。Song等人[65]强调对抗训练有很差的泛化性。对抗训练虽然有不足之处，但仍然被许多研究者关注。在近来的几年里，改进对抗训练的多种变体出现。Wang等人[66]提出了MART（misclassification aware adversarial training）方法，将正常样本的错误分类结果在训练过程中的显著影响考虑在内，进一步提升了对抗训练模型的鲁棒性。Vivek等人[67]提出了一种dropout调度方法，用单步方法提高对抗训练的有效性。Song等人[68]提出了对抗训练的鲁棒局部特征（robust local features for adversarial training，RLFAT），在训练过程中使用输入的随机块洗牌，提升了对抗训练模型的泛化能力。Zheng等人[69]提出在训练过程的多个迭代中使用相同的对抗扰动，在减少整个训练过程计算量的同时取得可接受的性能，使得对抗训练更加有效。

考虑对抗训练的进一步变体，Dong等人[70]提出了对抗分布训练（adversarial distributional training），该方法也将对抗训练形式化为极大极小化问题，但不同的是内部最大化的目的是在熵正则化下学习对抗分布，外部的最小化问题使最坏情况下对抗分布的损失最小化。Jia等人[71]提出了可学习攻击策略的对抗训练LAS-AT方法，通过学习自动生成攻击策略，在不同的训练阶段采用不同的攻击策略来提升对抗训练方法的鲁棒性。

文献中关于对抗训练还有很多侧重于分析对抗训练，而不是设计其变体。Xie等人[72]报告了对抗训练的一些有趣的特性，其中最引人注意的是对正常图像和对抗图像进行单独的批量归一化（batch normalization）导致对抗鲁棒性的改善，以及不受视觉模型中网络深度的限制，更深模型的对抗鲁棒性会持续地改善。Wong等人[73]研究表明，FGSM攻击结合随机初始化的对抗训练相比于PGD攻击的对抗训练同样有效。但Andriushchenko等人[74]对FGSM攻击结合随机初始化的对抗训练方面的改进表示了否定。

文献中还包含对抗训练被使用来满足特定任务的需要。Wu等人[75]提出了一种对抗训练方法，该方法中的对抗样本是专门针对物理世界的攻击生成的。作者指出，通常用于数字世界攻击的对抗训练和随机平滑对于物理世界的攻击效果不佳。

4.1.2 其他增强鲁棒性的防御

除了对抗训练通过专注于对抗样本来修改模型的权重外，还有许多方法通过正常的训练数据改变模型的相关结构，从而增强了模型的对抗鲁棒性。Pang等人[76]建议使用最大化马氏中心损失（maxMahalanobis center loss）替换softmax的交叉熵损失，以此来增强模型的对抗鲁棒性。Xiao等人[77]提出使用k-Winner-Takes-All（k-WTA）的不连续激活函数替换ReLU激活函数，从而保护模型不受基于梯度的攻击。

4.2 输入预处理的防御

基于输入预处理的防御旨在通过输入的变换来清除或者减轻对抗扰动对输入模型的影响。文献[78-80]研究了基于JPEG的输入压缩来消除图像中的对抗扰动，经过压缩处理的对抗图像显著失去了他们的模型欺骗能力。通常来说，输入预处理的防御的优点在于它可以很容易与其他防御机制结合使用，例如与对抗训练模型结合使用。Raff等人[81]提出将多个输入变换随机组合，从而确保他们对自适应攻击的防御，但作者也发现更多的输入变换会导致模型在正常图像上的性能显著下降。

输入数据的随机化变换有助于提升对抗鲁棒性。Xie等人[82]研究表明随机调整对抗样本的大小会降低攻击能力，作者还发现在对抗样本中添加随机填充会降低攻击性能。Wang等人[83]使用单独的数据变换模块对模型的输入数据进行变换来消除图像中可能存在的对抗扰动。在文献[84]中发现神经网络模型的训练过程中的高斯数据增强也有助于提升对抗鲁棒性，虽然效果很微小。

Samangouei等人[85]首次使用GAN进行输入的变换，他们的方法Defense-GAN学习正常图像的分布，在推理阶段，它计算一个接近输入图像的输出，来消除潜在的对抗扰动。Gupta等人[86]提出了一种基于去噪的防御，它有选择地去噪图像的显著影响区域，确保模型正常的输出结果。Akhtar等人[87]提出了一种针对通用扰动[23]生成的对抗图像的防御框架，该框架在目标网络添加了相关的预输入层，这些预输入层被训练来修正经过扰动的图像，从而使得分类器获得正确的预测。

4.3 对抗样本的检测防御

检测防御技术主要是为预先训练的模型提供相应的机制或者模块，来检测对抗样本，以保护模型免受对抗攻击。在大多数情况下，这些方法仅限于在模型的推理阶段检测输入的对抗样本的存在。

Xu等人[88]认为输入特征空间大得过于冗余，因此提出特征压缩（feature squeezing）机制，通过剔除不必要的输入特征来减少敌手可用的冗余特征自由度。特征压缩机制是一种简单的对抗样本检测框架，它将模型对原始正常图像的预测与压缩后的模型预测进行比较，如果前后两次的预测差异高于指定的阈值，则判定该图像是对抗图像，因此将被丢弃。作者的工作提出了两种技术，分别是压缩颜色位（squeezing color bits）和空间平滑（spatial smoothing），前者可以在不损失太多信息的情况下显著降低比特深度，后者是一种降低图像噪声的处理技术。

Meng等人[89]提出了神经网络检测对抗样本的框架MagNet，该框架由两个部分组成，分别是检测器（detector）和重整器（reformer），前者主要用于拒绝远离不同类别决策边界的样本，后者主要用于给定一个输入样本，寻找输入样本的近似值，该近似值靠近正常样本的决策边界，使用上述的构件来进行对抗样本的检测。

Liang等人[90]将图像的对抗扰动视为噪声，采用标量量化和空间平滑滤波检测对抗扰动。Feinman等人[91]提出利用不确定性估计和在神经网络的特征空间中执行密度估计来检测对抗扰动。

4.4 可验证鲁棒性的防御

虽然文献中有很多防御方法，但随着后来的研究表明存在更强的攻击可以击败现有的防御方法。尽管对抗训练被研究者广泛认可是一种相对出色的防御策略，但其也存在缺陷，例如研究发现在L∞范数约束的扰动下对抗训练的模型对于Lp范数约束的扰动下的攻击仍然很脆弱，其中的p≠∞。可验证的鲁棒性防御试图保证在正常图像的Lp范数球内目标模型不存在对抗攻击可以使模型出错。这个可验证的鲁棒性保证要么是提供打破给定防御的最小的Lp范数扰动[92-93]，要么是提供范数的下界[94-96]。还有一些工作，旨在提高网络的鲁棒性，并推动产生更适合鲁棒性验证技术的模型[97-98]。目前大多数的可验证防御仅能证明针对一种范数约束扰动的鲁棒性，却很难同时证明针对多种范数约束扰动的鲁棒性，但也存在一些工作可以同时证明针对多种范数约束扰动的鲁棒性[99-100]。

Croce等人[99]对使用ReLU激活函数的神经网络提出了一个正则化方法，以此来增强模型对于L1和L∞攻击的鲁棒性，并且表明了它的结果对于任何的Lp范数(p≥1)都是可证明的，都能保证构建可证明的鲁棒模型。相较于为模型的top-1预测提供可验证的鲁棒性，Jia等人[101]使用高斯随机平滑（Gaussian randomized smoothing）方法为模型的top-k预测推导出L2范数约束扰动下的严格鲁棒性，该方法建立在文献[102]介绍的随机平滑概念上。Zhai等人[103]也基于随机平滑的想法提出了一种模型的MACER（maximizing the certified radius）方法，该方法可以扩展到大型模型上。Fischer等人[104]扩展了随机平滑的概念，将平移、旋转等参数化转换纳入其中，并且验证了模型在参数空间的鲁棒性。Zhang等人[105]将随机分类器中的高斯平滑噪声扩展至非高斯噪声，他们设计了一个非高斯的平滑分布族，该工作对L1、L2和L∞攻击的防御更加有效。文献[106-107]中研究了更多的针对对抗补丁攻击[45]的可验证防御。

近来可验证鲁棒性防御的研究方向在对抗机器学习领域逐渐变得热门起来，吸引了机器学习社区的众多研究人员的关注，该领域未来是极有前景的研究方向，必将促进可信机器学习领域的进一步的发展。

综上所述，对抗样本的防御可以被分为4个大的方向，表3对其进行了分类总结。

表3 图像分类领域对抗样本的防御方法总结Table 3 Summary of adversarial defense methods in image classification field

5 对抗样本的总体发展趋势和未来研究展望

5.1 对抗攻击

最近的对抗攻击方法通常旨在进一步减小对抗扰动的范数约束大小以及增强黑盒攻击中对抗样本的可迁移性，使攻击对现实场景中更具威胁性。近来的黑盒攻击研究比较活跃，根据基于迁移的黑盒攻击的相关文献的报告，它在具有相似网络架构的模型之间可以更好迁移。基于决策边界的攻击相比于基于置信度分数查询的攻击更受欢迎。通常基于置信度分数查询的攻击优化两个相互矛盾的目标：（1）通过使用更少的查询次数获得更高的错误率；（2）限制对抗扰动的范数约束尽可能得小，以确保不可察觉性。通常基于决策边界的攻击最常用的策略是先查询黑盒模型得到较大的扰动，然后在保持错误预测的同时，通过微调来减小扰动的范数。

5.2 对抗防御

尽管针对攻击的防御层出不穷，但对抗机器学习社区公认的相对有前途的防御仍然是对抗训练。比较有趣的是，在对抗样本的开山之作Szegedy等人[7]的工作中，对抗样本的概念和对抗训练的概念同时被提出，后来的关于防御方面的大多数文献都偏离了最初的增强模型自身鲁棒性的想法，大多防御策略依赖于特定的规则和启发式的方法，因此在更强的攻击或者不同的攻击条件下，它们中的许多会被攻破。事实上，Tramer等人[108]表明顶级学术会议上的十三种不同的防御措施可以被适应性攻击（adaptive attack）所攻破。对抗机器学习社区从防御角度来看更关注于对抗训练和可验证鲁棒性的防御上，因为这两个方向相对来说最有发展前景，但是也存在经过训练的鲁棒模型在正常图像上的精度下降的挑战，在文献中很容易观察到一般经受住较强攻击的方法在正常图像上的精度会降低。

5.3 未来展望

自对抗样本发现以来，其论文就如雨后春笋般大量涌现，世界各国都推出相应的可信人工智能计划，为构建可信人工智能做好了顶层设计，为人工智能在安全至关重要场景中的大量应用铺平了道路。由于该领域仍有很多悬而未决的重大挑战，因此可以预见该方向仍然会是非常活跃的研究领域，以下将探讨一些未来有前景的研究方向。

深度神经网络在安全关键领域的大量应用使得模型需要更好的鲁棒性，大多数的对抗防御策略仅限于经验评估，并不声称对未知攻击具有鲁棒性，可验证鲁棒性的防御虽然提供了鲁棒性的下限，确保被评估的防御系统的性能不会低于下限，但可验证鲁棒性防御的评估通常缺乏通用性和可扩展性[109]，因此研究其通用性和可扩展性是有前景的方向。

在对抗机器学习领域，即使在小的数据集上，生成高质量对抗样本的计算代价依然很高，因此对于响应时间要求很高的应用系统来说，攻击算法的效率至关重要[110]。对于防御而言，一个优秀的防御评估需要测试大量的攻击，因为计算效率的问题，这些攻击在给定数据集（例如ImageNet数据集）上的计算是不可行的，因此设计强大且高效的攻击算法势在必行。

目前存在大量针对经典的卷积神经网络架构攻击和防御的研究，但鲜有针对新颖网络架构的研究，例如二值化神经网络模型（binarized neural networks，BNNs）、神经常微分方程模型（neural ordinary differential equations，Neural ODEs）以及在计算机视觉领域越来越受欢迎Transformer模型及其变体。近来的研究指出，BNN模型[111]、Neural ODEs模型[112]以及Transformer模型[113-114]都可以在保证正常样本上精度的前提下，在对抗鲁棒性上超越传统的卷积神经网络模型。虽然有一些积极的结果，但是并没有被大家接受的答案来解释这些模型鲁棒性优越的根本原因，该方向的深入研究有利于设计更高效更鲁棒的模型，因此是一个充满希望的研究领域。

基于前文的文献梳理和总结可以发现对抗样本研究中还存在一些具有挑战性的研究问题，例如关于对抗样本存在性和可迁移性公认的可证明解释[115]，寻找具有内在鲁棒性的新型网络架构模型[116]，模型对抗鲁棒性和准确性的平衡[117]，模型对抗鲁棒性和公平性的平衡[118]，有前景的对抗训练相关问题的深入研究[119]以及对抗样本和可解释性相结合方向的研究[120]，希望未来有工作可以解决这些有趣且重要的开放问题。

事物都有两面性，对抗样本样本也不例外。近期的许多研究表明对抗样本也可以有积极的作用。例如对抗样本被用来进行个人隐私保护[121]，被用来生成数据或模型水印[122]和指纹[123]保护深度学习模型免受知识产权侵害。对抗样本也可以被很好地利用来提升不平衡学习的性能[124]，适当设计的对抗样本也是有效的数据增强工具，可以同时提高模型的泛化性和对抗鲁棒性[125]。此外，值得注意的是对抗样本也可以被用来设计更加鲁棒的文本验证码[126]。综上，在未来的研究中，如何合理地利用对抗样本来达到“对抗向善”的效果也是一个非常有前景的研究方向。

基础模型采用与任务无关的大规模数据预训练来进行表征学习，然后根据特定下游任务进行微调适应，因为基础模型的缺陷会被下游的所有适应性模型继承，因此如何将对抗鲁棒性纳入基础模型的预训练，以及如何从预训练到微调最大化迁移对抗鲁棒性是至关重要的。Fan等人[127]和Wang等人[128]在元学习和对比学习中对抗鲁棒性保存和迁移方面展示了有前景的结果。基础模型的快速增长和日益强烈的需求创造了一个独特的机会，其对抗性鲁棒性被倡导作为下一代可信人工智能原生属性，因此基础模型对抗鲁棒性的研究是一个有前景的研究问题。

对抗样本的出现影响了深度神经网络在安全至关重要领域的部署，导致一些研究者甚至出现了对深度学习发展持悲观的态度，从目前来看，对抗样本的痛点似乎要长期留在深度学习研究中，解决对抗样本问题仍然任重而道远。

6 结束语

本文旨在总结和梳理对抗样本在图像分类领域的攻击和防御方法，以期促进对抗机器学习领域构建更加可信、更加鲁棒的深度学习模型。为了增强研究人员对现实世界中的对抗样本的重视，简单梳理了物理世界中的对抗样本。对抗样本为什么会存在这个问题，迄今为止没有达成一个有理论依据的统一共识，这仍然是一个有趣且具有挑战性的问题，因此梳理和总结了解释对抗样本存在性相关的工作，以期为后续的研究者解决该问题提供一些概况和灵感。最后，基于梳理的大量文献，思考和分析了对抗样本的总体发展趋势和面临的挑战以及未来研究展望。