只需修改一個像素，讓神經網路連貓都認不出

夏乙 編譯整理

量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

想騙過神經網路，讓它認錯圖像，需要對圖像做多少修改？

一個像素就夠了。

一項來自日本的研究表明，改動圖片上的一個像素，就能讓神經網路認錯圖，甚至還可以誘導它返回特定的結果。

研究由日本九州大學的Jiawei Su、Danilo Vasconcellos Vargas和Kouichi Sakurai三人共同完成，他們不僅寫論文詳細介紹了這項改一個像素就騙過神經網路的神技，還開源了相應的Keras實現。這項技術被稱為「一像素攻擊」(One Pixel Attack)。

可惜了VGG一世英名，連貓都認錯

在CIFAR-10和ImageNet兩個數據集上，一像素攻擊分別實現了68.36%和41.22%的成功率。

一個像素，怎麼攻擊神經網路？

實驗在CIFAR-10和ImageNet數據集上進行，我們以CIFAR-10為例來做一下說明。CIFAR-10是一個圖像識別數據集，包含60000張32×32像素的RGB彩色圖片，共10類。神經網路在這個數據集上的任務，就是正確預測圖片所屬的分類。

而一像素攻擊的目標，是通過從圖片上選定一個像素，更改它的顏色來製造對抗性圖像，改變神經網路輸出的類別標籤，降低對正確類別的置信度，提高對其他某個類別的置信度。也就是說，讓神經網路將它分到錯誤的類別。

任務看似簡單，但是，32×32=1024個像素，該選哪一個？改成什麼顏色？

這些研究人員用了一種名叫差分進化（Differential Evolution，簡稱DE）的進化演算法（Evolutionary Algorithm）。

具體來說，首先要通過隨機修改像素來生成400個對抗樣本，輸入到神經網路中；然後，將這些修改像素的位置和顏色結合起來，再生成400個對抗樣本，輸入到神經網路中；接下來，如果某個新樣本與父代相比，降低了神經網路對正確類別的置信度，就將用這個樣本上修改的像素替換父代，作為目前已知的最優解。

之後就要多次重複以上三步，然後在最後一次迭代時，選出將神經網路對正確類別的置信度降得最低的對抗樣本。

如果有其他類別的置信度高於正確類別最終的置信度，我們就成功了。最後選出的樣本就是我們所要的結果。

在對全連接神經網路（AllConv）、Network

in Network(NiN)、VGG16、和AlexNet的測試中，這種方法取得的成功率如下表所示：

表中的targeted attack，指的是在攻擊中讓神經網路將圖像誤認為特定某個類別

幾位研究人員還把這種方法用在了ImageNet上，將圖像大小統一為227×227，大約是CIFAR-10圖像尺寸的50倍。

在ImageNet上的測試表明，這種欺騙神經網路的方法也適用於解析度比較高的圖像。

據論文介紹，DE方法不會像基於梯度的方法那麼容易陷入局部最小值，也不需要關於攻擊目標系統的太多信息，因此生成的對抗樣本適用於多種神經網路。

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