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[人工智能]Pytorch实现FGSM(Fast Gradient Sign Attack)

1. 相关说明

最近在整理相关实验代码的时候,无意中需要重新梳理下对抗攻击里的FGSM,于是自己参考网上的一些资料以及自己的心得写下这篇文章,用来以后回忆。

2. 相关简述

快速梯度标志攻击(FGSM),是迄今为止最早和最受欢迎的对抗性攻击之一,它由 Goodfellow 等人在[Explaining and Harnessing Adversarial Examples] (https://arxiv.org/abs/1412.6572)中提出,是一种简单但是有效的对抗样本生成算法。它旨在通过利用模型学习的方式和渐变来攻击神经 网络。这个想法很简单,攻击调整输入数据以基于相同的反向传播梯度来最大化损失,而不是通过基于反向传播的梯度调整权重来最小化损失。 换句话说,攻击是利用损失函数的梯度,然后调整输入数据以最大化损失。

3. 代码实现

3.1 引入相关包

# 这句话的作用:即使是在Python2.7版本的环境下,print功能的使用格式也遵循Python3.x版本中的加括号的形式
from __future__ import print_function
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torchvision import datasets, transforms
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

3.2 输入

    # 设置不同扰动大小
    epsilons = [0, .05, .1, .15, .2, .25, .3]
    # 预训练模型
    pretrained_model = "./data/lenet_mnist_model.pth"
    # 是否使用cuda
    use_cuda = True

3.3 定义被攻击的模型

# 定义LeNet模型
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5)
        self.conv2_drop = nn.Dropout2d()
        self.fc1 = nn.Linear(320, 50)
        self.fc2 = nn.Linear(50, 10)

    def forward(self, x):
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv1(x), 2))
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv2_drop(self.conv2(x)), 2))
        x = x.view(-1, 320)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.dropout(x, training=self.training)
        x = self.fc2(x)
        return F.log_softmax(x, dim=1)

#声明 MNIST 测试数据集何数据加载
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(
    datasets.MNIST('../data', train=False, download=True, transform=transforms.Compose([
            transforms.ToTensor(),
            ])),
        batch_size=1, shuffle=True)

# 定义我们正在使用的设备
print("CUDA Available: ",torch.cuda.is_available())
device = torch.device("cuda" if (use_cuda and torch.cuda.is_available()) else "cpu")

# 初始化网络
model = Net().to(device)

# 加载已经预训练的模型
model.load_state_dict(torch.load(pretrained_model, map_location='cpu'))

# 在评估模式下设置模型。在这种情况下,这适用于Dropout图层
model.eval()

然后我们运行下,出现下面结果,主要是在下载数据集。

Downloading http://yann.lecun.com/exdb/mnist/train-images-idx3-ubyte.gz to …/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte.gz
Extracting …/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte.gz
Downloading http://yann.lecun.com/exdb/mnist/train-labels-idx1-ubyte.gz to …/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte.gz
Extracting …/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte.gz
Downloading http://yann.lecun.com/exdb/mnist/t10k-images-idx3-ubyte.gz to …/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte.gz
Extracting …/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte.gz
Downloading http://yann.lecun.com/exdb/mnist/t10k-labels-idx1-ubyte.gz to …/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte.gz
Extracting …/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte.gz
Processing…
Done!
CUDA Available: True

3.4 定义FGSM攻击函数

# FGSM算法攻击代码
def fgsm_attack(image, epsilon, data_grad):
    # 收集数据梯度的元素符号
    sign_data_grad = data_grad.sign()
    # 通过调整输入图像的每个像素来创建扰动图像
    perturbed_image = image + epsilon*sign_data_grad
    # 添加剪切以维持[0,1]范围
    perturbed_image = torch.clamp(perturbed_image, 0, 1)
    # 返回被扰动的图像
    return perturbed_image

3.5 测试函数

def test( model, device, test_loader, epsilon ):

    # 精度计数器
    correct = 0
    adv_examples = []

    # 循环遍历测试集中的所有示例
    for data, target in test_loader:

        # 把数据和标签发送到设备
        data, target = data.to(device), target.to(device)

        # 设置张量的requires_grad属性,这对于攻击很关键
        data.requires_grad = True

        # 通过模型前向传递数据
        output = model(data)
        init_pred = output.max(1, keepdim=True)[1] # get the index of the max log-probability

        # 如果初始预测是错误的,不打断攻击,继续
        if init_pred.item() != target.item():
            continue

        # 计算损失
        loss = F.nll_loss(output, target)

        # 将所有现有的渐变归零
        model.zero_grad()

        # 计算后向传递模型的梯度
        loss.backward()

        # 收集datagrad
        data_grad = data.grad.data

        # 唤醒FGSM进行攻击
        perturbed_data = fgsm_attack(data, epsilon, data_grad)

        # 重新分类受扰乱的图像
        output = model(perturbed_data)

        # 检查是否成功
        final_pred = output.max(1, keepdim=True)[1] # get the index of the max log-probability
        if final_pred.item() == target.item():
            correct += 1
            # 保存0 epsilon示例的特例
            if (epsilon == 0) and (len(adv_examples) < 5):
                adv_ex = perturbed_data.squeeze().detach().cpu().numpy()
                adv_examples.append( (init_pred.item(), final_pred.item(), adv_ex) )
        else:
            # 稍后保存一些用于可视化的示例
            if len(adv_examples) < 5:
                adv_ex = perturbed_data.squeeze().detach().cpu().numpy()
                adv_examples.append( (init_pred.item(), final_pred.item(), adv_ex) )

    # 计算这个epsilon的最终准确度
    final_acc = correct/float(len(test_loader))
    print("Epsilon: {}\tTest Accuracy = {} / {} = {}".format(epsilon, correct, len(test_loader), final_acc))

    # 返回准确性和对抗性示例
    return final_acc, adv_examples

再次运行,输出下面结果:

Epsilon: 0 Test Accuracy = 9810 / 10000 = 0.981
Epsilon: 0.05 Test Accuracy = 9426 / 10000 = 0.9426
Epsilon: 0.1 Test Accuracy = 8510 / 10000 = 0.851
Epsilon: 0.15 Test Accuracy = 6826 / 10000 = 0.6826
Epsilon: 0.2 Test Accuracy = 4303 / 10000 = 0.4303
Epsilon: 0.25 Test Accuracy = 2087 / 10000 = 0.2087
Epsilon: 0.3 Test Accuracy = 871 / 10000 = 0.0871

4. 可视化结果

在上面的基础上我们添加下面的代码:

plt.figure(figsize=(5,5))
plt.plot(epsilons, accuracies, "*-")
plt.yticks(np.arange(0, 1.1, step=0.1))
plt.xticks(np.arange(0, .35, step=0.05))
plt.title("Accuracy vs Epsilon")
plt.xlabel("Epsilon")
plt.ylabel("Accuracy")
plt.show()

运行,出现下面结果:
在这里插入图片描述

5. 可视化对抗样本

# 在每个epsilon上绘制几个对抗样本的例子
cnt = 0
plt.figure(figsize=(8,10))
for i in range(len(epsilons)):
    for j in range(len(examples[i])):
        cnt += 1
        plt.subplot(len(epsilons),len(examples[0]),cnt)
        plt.xticks([], [])
        plt.yticks([], [])
        if j == 0:
            plt.ylabel("Eps: {}".format(epsilons[i]), fontsize=14)
        orig,adv,ex = examples[i][j]
        plt.title("{} -> {}".format(orig, adv))
        plt.imshow(ex, cmap="gray")
plt.tight_layout()
plt.show()

运行,结果如下:
在这里插入图片描述

6. 预训练模型下载

文中我们有一个预训练好的模型,如果自己不想训练可以在这里下载:
模型下载地址

7. 训练模型

如果自己想训练一个模型,可以运行下面这个函数main.py:

from __future__ import print_function
import argparse
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR


# 定义LeNet模型
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5)
        self.conv2_drop = nn.Dropout2d()
        self.fc1 = nn.Linear(320, 50)
        self.fc2 = nn.Linear(50, 10)

    def forward(self, x):
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv1(x), 2))
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv2_drop(self.conv2(x)), 2))
        x = x.view(-1, 320)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.dropout(x, training=self.training)
        x = self.fc2(x)
        return F.log_softmax(x, dim=1)


def train(args, model, device, train_loader, optimizer, epoch):
    model.train()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(device), target.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if batch_idx % args.log_interval == 0:
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))
            if args.dry_run:
                break


def test(model, device, test_loader):
    model.eval()
    test_loss = 0
    correct = 0
    with torch.no_grad():
        for data, target in test_loader:
            data, target = data.to(device), target.to(device)
            output = model(data)
            test_loss += F.nll_loss(output, target, reduction='sum').item()  # sum up batch loss
            pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True)  # get the index of the max log-probability
            correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item()

    test_loss /= len(test_loader.dataset)

    print('\nTest set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'.format(
        test_loss, correct, len(test_loader.dataset),
        100. * correct / len(test_loader.dataset)))


def main():
    # Training settings
    parser = argparse.ArgumentParser(description='PyTorch MNIST Example')
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=64, metavar='N',
                        help='input batch size for training (default: 64)')
    parser.add_argument('--test-batch-size', type=int, default=1000, metavar='N',
                        help='input batch size for testing (default: 1000)')
    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=14, metavar='N',
                        help='number of epochs to train (default: 14)')
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=1.0, metavar='LR',
                        help='learning rate (default: 1.0)')
    parser.add_argument('--gamma', type=float, default=0.7, metavar='M',
                        help='Learning rate step gamma (default: 0.7)')
    parser.add_argument('--no-cuda', action='store_true', default=False,
                        help='disables CUDA training')
    parser.add_argument('--dry-run', action='store_true', default=False,
                        help='quickly check a single pass')
    parser.add_argument('--seed', type=int, default=1, metavar='S',
                        help='random seed (default: 1)')
    parser.add_argument('--log-interval', type=int, default=10, metavar='N',
                        help='how many batches to wait before logging training status')
    parser.add_argument('--save-model', action='store_true', default=True,
                        help='For Saving the current Model')
    args = parser.parse_args()
    use_cuda = not args.no_cuda and torch.cuda.is_available()

    torch.manual_seed(args.seed)

    device = torch.device("cuda" if use_cuda else "cpu")

    train_kwargs = {'batch_size': args.batch_size}
    test_kwargs = {'batch_size': args.test_batch_size}
    if use_cuda:
        cuda_kwargs = {'num_workers': 1,
                       'pin_memory': True,
                       'shuffle': True}
        train_kwargs.update(cuda_kwargs)
        test_kwargs.update(cuda_kwargs)

    transform=transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
        ])
    dataset1 = datasets.MNIST('../data_row', train=True, download=True,
                       transform=transform)
    dataset2 = datasets.MNIST('../data_row', train=False,
                       transform=transform)
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset1,**train_kwargs)
    test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset2, **test_kwargs)

    model = Net().to(device)
    optimizer = optim.Adadelta(model.parameters(), lr=args.lr)

    scheduler = StepLR(optimizer, step_size=1, gamma=args.gamma)
    for epoch in range(1, args.epochs + 1):
        train(args, model, device, train_loader, optimizer, epoch)
        test(model, device, test_loader)
        scheduler.step()

    # 保存网络中的参数, 速度快,占空间少
    if args.save_model:
        torch.save(model.state_dict(), "lenet_mnist_model.pth")

if __name__ == '__main__':
    main()

8. 完整代码

上面是将每个模块单独拿出来写的,需要完整代码的可以在我的GitHub上下载,如果您觉得好的话记得给个Star。
完整代码链接地址

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