如何用DL4J对人脸识别模型进行攻击
如何用DL4J对人脸识别模型进行攻击，针对这个问题，这篇文章详细介绍了相对应的分析和解答，希望可以帮助更多想解决这个问题的小伙伴找到更简单易行的方法。
一、前言
下面就来介绍一下如何用DeepLearning4J对人脸识别模型进行FGSM攻击。主要包含两块内容。
1、ML Attack的基本原理。
2、结合天池人脸识别对抗比赛实例讲解攻击过程。
二、机器学习模型的攻击
1、对ML攻击的过程
对机器学习模型的攻击，一句话描述就是给input特征加入一些微小的噪声让模型识别错误，以图像识别为例。
上图展示的就是原图加上噪声之后，让猫被识别为了狗，这就是攻击的过程。
2、攻击的原理
我们来回想一下，机器学习模型大部分时候是在对Loss Function求极小值，攻击这个Loss函数即可，固定住模型参数，反过来求解一个特征X，让Loss Function值越大越好。
回想一下模型的训练过程，假设有一个图片x，模型的参数p，label为c1（假设c1表示猫的分类），我们定义一个损失函数：L = Loss(x，p，c1)，其中x和c1都是固定的，通过调节参数p在训练集上求得L的最小值。
（1）、无目标攻击
无目标攻击就是没有定向目标，让模型分类错误即可，那么用公式描述为：argmax Loss(y，p，c1)，在p和c1固定的情况下求得一个y，使得Loss函数最大。
例如，输入一张猫的图片，希望模型预测错误，无论模型预测为什么都可以，只要不是猫就行。
（2）、有目标攻击
有目标攻击是让模型将input识别为我们想要的对象，比方说，我们输入一张猫的图像，希望模型预测为狗的分类。设c2为狗的分类，那么用公式描述有目标攻击如下：
argmin （-Loss(y，p，c1)+Loss(y，p，c2)）
在p、c1、c2固定的情况下，求解一个y使得上述函数最小，通俗一点就是说，输入一张猫的图片，希望模型预测为狗
备注：其中y表示原图x加上了噪声，c1表示猫的分类，c2表示狗的分类。
最后还有一个问题，加入噪声如果强度过大，原始图片就失真了，我们希望加入的杂讯很微小，不容易不察觉，我们需要做一个限定，定义函数d(x,y) 我们知道模型的结构，就可以进行攻击了，这个是白盒攻击，但是大部分时候，模型的结构我们无从得知，可以进行黑盒攻击。黑盒攻击就是攻击代理模型，比方说对vggnet的攻击在ResNet上同样管用。下面是一些数据，来证明黑盒攻击有用。（表格里的数字表示正确率） 三、FGSM攻击 论文地址：https://arxiv.org/abs/1412.6572 求解一个y = 四、天池人脸识别对抗 1、比赛地址：https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/231745/information 2、比赛评分规则： 为了保证扰动后人脸的视觉效果，本次比赛限制单个像素的扰动在[-25.5, 25.5]区间内，对于扰动超出该范围的提交结果，我们会在后台强制把图像扰动截断至[-25.5, 25.5]区间(使用numpy.clip函数)。所以请参赛选手控制提交的对抗样本与原图在单像素上的差异。 对每个生成的对抗样本，后台会采用模型对该样本进行预测，并根据识别结果计算相应的扰动量，具体计算公式如下： 其中 M表示后台模型预测结果， y表示样本 I的真实标签。如果防御算法对样本识别正确，此次攻击不成功，扰动量直接置为上限44.1673。该上限可由约束的最大扰动25.5计算得出。如果攻击成功，计算对抗样本 I^a 和原始样本I的 L2 距离，作为得分，得分越小越好。 一句话描述规则就是改动越小，攻击成功率越高，成绩越好。 五、DeepLearning4j进行FGSM攻击 1、解决dl4j对input求梯度问题 我们攻击的代理模型同样是VggFace（为什么一直都是选vggface，确实dl4j只有vggface，哎，也没有其他选择），ComputationGraph中梯度反向传播完成Gradient对象就被回收了 ，这样设计的目的就是为了节省内存。在MultiLayerNetwork中可以通过org.deeplearning4j.nn.multilayer.MultiLayerNetwork#calculateGradients求Loss对input的偏导数，但我们怎么拿的ComputationGraph中Loss对input的偏导数呢？不着急，我们在源码中找答案，我们细看源码org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph#calcBackpropGradients中反向传播做了什么？ 跟进org.deeplearning4j.nn.graph.vertex.GraphVertex#doBackward方法 里面有个org.deeplearning4j.nn.conf.InputPreProcessor#backprop将梯度回传给InputPreProcessor处理。于是我们就有思路了，我们只需要给第一层卷积层设置一个InputPreProcessor即可获取回传的梯度，注意LayerVertex的InputPreProcessor是final修饰的，那么怎么设置InputPreProcessor呢？这个难不倒Javaer，反射。 接下来先实现一个InputPreProcessor，把回传的梯度放在一个static变量里 接下来先dl4j transfer learning API加载vggface的模型，去掉全连接层，加上CnnLossLayer作为output，这里Loss函数用的COSINE_PROXIMITY（尝试过多种方法之后，发现cosine距离效果最好），然后反射给第一层卷积层加上InputPreProcessor，反射时调用Field的setAccessible(true)方法，开放private属性的访问权限（当然这是迫不得已的方法），请看下面代码。 到此为止，Loss对input的偏导数就可以通过Preprocessor.epsilon获取到了，这个问题解决了，就可以进行攻击了。最终代理模型的结构如下： 2、生成Label张量 下面把需要攻击的目标图片下载下来，我放在D盘了，目标图片如下。 下面用vggFace读取所有图片，把图片转化为张量，我们只需要获取最后一个池化层的输出就可以了。请看下面代码 3、无目标攻击 用第2步获取的张量作为label，用gradient ascent方法找到COSINE_PROXIMITY的极大值，COSINE_PROXIMITY的实现里将consine加了负号，所以是求cosine的最小值。换句话讲就是找到一张改动最小，且最不像自己的图片。代码如下 说明： （1）、目标图片为112*112的图片，经过尝试，先拓宽为224*224图片后再攻击，效果会提升。（推测dl4j vggface是用224*224的人脸进行训练，所以做了这个尝试）。 （2）、在label中随机加入微小的噪声，可以提升效果，这段代码就是这个原因labelMap.get(i).add(Nd4j.rand(new long[] { 1, 512, 7, 7 }, new NormalDistribution(0, 0.07)))。 （3）、在gradient ascent的过程中，同样加入动量作为更新因素效果会好一点，代码中的NesterovsUpdater就是实现这个功能。 （4）、代码中BooleanIndexing.replaceWhere是为了将图像的改动量限定在一个范围上，实际上是一个clip操作，却写了这么多代码，这一点确实不如Python方便。 （5）、为了进步提升分数，在更新图片时，最对嘴巴、眼睛、鼻子处进行变更，也能提升分数。 （6）、目标Loss Function为COSINE_PROXIMITY，之前也尝试过MSE和MAE效果不佳。 4、最终生成的攻击样本 关于如何用DL4J对人脸识别模型进行攻击问题的解答就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，如果你还有很多疑惑没有解开，可以关注行业资讯频道了解更多相关知识。
try (MemoryWorkspace wsWorkingMem = workspaceMgr.notifyScopeEntered(ArrayType.BP_WORKING_MEM)) { pair = current.doBackward(truncatedBPTT, workspaceMgr); epsilons = pair.getSecond(); //Validate workspace location for the activation gradients: //validateArrayWorkspaces(LayerWorkspaceMgr mgr, INDArray array, ArrayType arrayType, String vertexName, boolean isInputVertex, String op){ for (INDArray epsilon : epsilons) { if (epsilon != null) { //May be null for EmbeddingLayer, etc validateArrayWorkspaces(workspaceMgr, epsilon, ArrayType.ACTIVATION_GRAD, vertexName, false, "Backprop"); } } }public Pair
public class LayerVertex extends BaseGraphVertex { private Layer layer; private final InputPreProcessor layerPreProcessor; private boolean setLayerInput;public class Preprocessor implements InputPreProcessor { private static final long serialVersionUID = 1L; public static INDArray epsilon; @Override public INDArray preProcess(INDArray input, int miniBatchSize, LayerWorkspaceMgr workspaceMgr) { return workspaceMgr.dup(ArrayType.ACTIVATIONS, input); } @Override public InputType getOutputType(InputType inputType) { return inputType; } @Override public PairComputationGraph pretrained = (ComputationGraph) VGG16.builder().build().initPretrained(PretrainedType.VGGFACE); System.out.println(pretrained.summary()); FineTuneConfiguration fineTuneConf = new FineTuneConfiguration.Builder().updater(new Sgd(0)).seed(123).build(); ComputationGraph vgg16Transfer = new TransferLearning.GraphBuilder(pretrained) .fineTuneConfiguration(fineTuneConf).removeVertexAndConnections("flatten") .removeVertexAndConnections("fc6").removeVertexAndConnections("fc7").removeVertexAndConnections("fc8") .addLayer("out", new CnnLossLayer.Builder(LossFunctions.LossFunction.COSINE_PROXIMITY) .activation(Activation.IDENTITY).build(), "pool5") .setOutputs("out").build(); LayerVertex conv1_1 = (LayerVertex) vgg16Transfer.getVertex("conv1_1"); Class clz = conv1_1.getClass(); Field nameField = clz.getDeclaredField("layerPreProcessor"); nameField.setAccessible(true); nameField.set(conv1_1, new Preprocessor()); System.out.println(vgg16Transfer.summary());================================================================================================VertexName (VertexType) nIn,nOut TotalParams ParamsShape Vertex Inputs================================================================================================input_1 (InputVertex) -,- - - - conv1_1 (ConvolutionLayer) 3,64 1,792 W:{64,3,3,3}, b:{1,64} [input_1] conv1_2 (ConvolutionLayer) 64,64 36,928 W:{64,64,3,3}, b:{1,64} [conv1_1] pool1 (SubsamplingLayer) -,- 0 - [conv1_2] conv2_1 (ConvolutionLayer) 64,128 73,856 W:{128,64,3,3}, b:{1,128} [pool1] conv2_2 (ConvolutionLayer) 128,128 147,584 W:{128,128,3,3}, b:{1,128} [conv2_1] pool2 (SubsamplingLayer) -,- 0 - [conv2_2] conv3_1 (ConvolutionLayer) 128,256 295,168 W:{256,128,3,3}, b:{1,256} [pool2] conv3_2 (ConvolutionLayer) 256,256 590,080 W:{256,256,3,3}, b:{1,256} [conv3_1] conv3_3 (ConvolutionLayer) 256,256 590,080 W:{256,256,3,3}, b:{1,256} [conv3_2] pool3 (SubsamplingLayer) -,- 0 - [conv3_3] conv4_1 (ConvolutionLayer) 256,512 1,180,160 W:{512,256,3,3}, b:{1,512} [pool3] conv4_2 (ConvolutionLayer) 512,512 2,359,808 W:{512,512,3,3}, b:{1,512} [conv4_1] conv4_3 (ConvolutionLayer) 512,512 2,359,808 W:{512,512,3,3}, b:{1,512} [conv4_2] pool4 (SubsamplingLayer) -,- 0 - [conv4_3] conv5_1 (ConvolutionLayer) 512,512 2,359,808 W:{512,512,3,3}, b:{1,512} [pool4] conv5_2 (ConvolutionLayer) 512,512 2,359,808 W:{512,512,3,3}, b:{1,512} [conv5_1] conv5_3 (ConvolutionLayer) 512,512 2,359,808 W:{512,512,3,3}, b:{1,512} [conv5_2] pool5 (SubsamplingLayer) -,- 0 - [conv5_3] out (CnnLossLayer) -,- 0 - [pool5] ------------------------------------------------------------------------------------------------ Total Parameters: 14,714,688 Trainable Parameters: 14,714,688 Frozen Parameters: 0================================================================================================NativeImageLoader loader = new NativeImageLoader(224, 224, 3, new ResizeImageTransform(224, 224)); File file = new File("D:/securityAI_round1_images/images"); ImageLoader imageLoader = new ImageLoader(112, 112, 3); Listfor (int i = 0; i < list.size(); i++) { vgg16Transfer.clear(); INDArray oldImage = loader.asMatrix(list.get(i)).div(255); INDArray newImage = oldImage; NesterovsUpdater nesterovsUpdater = new NesterovsUpdater(0.9, 0.01, new long[] { 1, 3, 224, 224 }); for (int m = 0; m < 2; m++) { vgg16Transfer.setInputs(newImage); vgg16Transfer.setLabels( labelMap.get(i).add(Nd4j.rand(new long[] { 1, 512, 7, 7 }, new NormalDistribution(0, 0.07)))); vgg16Transfer.computeGradientAndScore(); INDArray epsilon = Preprocessor.epsilon; epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(0, 30), NDArrayIndex.all())// 去掉30行 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(0, 75), NDArrayIndex.interval(0, 60))// 额头 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(0, 75), NDArrayIndex.interval(164, 224))// 额头 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(30, 45), NDArrayIndex.interval(0, 60))// 额头 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(30, 45), NDArrayIndex.interval(164, 224))// 额头 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(0, 75), NDArrayIndex.interval(72, 80))// 额头 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(0, 75), NDArrayIndex.interval(135, 152))// 额头 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(75, 115), NDArrayIndex.interval(0, 40))// 眼睛 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(75, 115), NDArrayIndex.interval(184, 224))// 眼睛 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(115, 165), NDArrayIndex.interval(0, 40))// 脸 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(115, 165), NDArrayIndex.interval(179, 224))// 脸 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(165, 195), NDArrayIndex.interval(0, 50))// 嘴巴 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(165, 195), NDArrayIndex.interval(174, 224))// 嘴巴 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(195, 224), NDArrayIndex.interval(0, 70))// 下巴 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(195, 224), NDArrayIndex.interval(154, 224))// 下巴 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(195, 224), NDArrayIndex.interval(75, 97))// 下巴 .assign(0); epsilon.get(NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.interval(195, 224), NDArrayIndex.interval(127, 149))// 下巴 .assign(0); epsilon = Transforms.sign(epsilon); nesterovsUpdater.applyUpdater(epsilon); INDArray preUpdate = newImage.add(epsilon); INDArray delta = oldImage.sub(preUpdate); INDArray tooLarge = delta.dup();// 因为减的太多了 BooleanIndexing.replaceWhere(tooLarge, 0, Conditions.absLessThanOrEqual(max)); BooleanIndexing.replaceWhere(tooLarge, 0, Conditions.lessThan(0)); tooLarge.subi(max); BooleanIndexing.replaceWhere(tooLarge, 0, Conditions.lessThan(0)); INDArray tooSmall = delta.dup();// 因为加的太多了 BooleanIndexing.replaceWhere(tooSmall, 0, Conditions.absLessThanOrEqual(max)); BooleanIndexing.replaceWhere(tooSmall, 0, Conditions.greaterThan(0)); tooSmall.addi(max); BooleanIndexing.replaceWhere(tooSmall, 0, Conditions.greaterThan(0)); INDArray bias = tooLarge.add(tooSmall); newImage = preUpdate.add(bias); vgg16Transfer.clear(); System.out.println(vgg16Transfer.score()); } System.out.println("平均偏差：" + (max - Transforms.abs(oldImage.sub(newImage)).meanNumber().doubleValue())); System.out.println("==========================="); newImage = newImage.mul(255); BooleanIndexing.replaceWhere(newImage, 0, Conditions.lessThan(0.0)); BooleanIndexing.replaceWhere(newImage, 255, Conditions.greaterThan(255)); BufferedImage bufferedImage = new BufferedImage(224, 224, BufferedImage.TYPE_INT_RGB); imageLoader.toBufferedImageRGB(newImage.get(new INDArrayIndex[] { NDArrayIndex.point(0), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all() }), bufferedImage); ImageIO.write(bufferedImage, "jpg", new File("D:/preImage/" + list.get(i).getName())); INDArray oldSmallLoader = originalLoad.asMatrix(list.get(i)).div(255); INDArray smallImage = smallLoader.asMatrix(new File("D:/preImage/" + list.get(i).getName())); System.out.println("原始平均偏差：" + (max - Transforms.abs(oldSmallLoader.sub(smallImage.div(255))).meanNumber().doubleValue())); System.out.println("==========================="); BufferedImage smallBufferedImage = new BufferedImage(112, 112, BufferedImage.TYPE_INT_RGB); imageLoader.toBufferedImageRGB(smallImage.get(new INDArrayIndex[] { NDArrayIndex.point(0), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all(), NDArrayIndex.all() }), smallBufferedImage); ImageIO.write(smallBufferedImage, "jpg", new File("D:/images/" + list.get(i).getName())); }
