对抗攻击算法：FGSM和PGD

FGSM

传送门
FGSM 利用了梯度上升的思想，通过损失函数相对于输入图像的梯度来找到 最容易 迷惑网络的方向，并沿着这个方向对图像进行微小的扰动。

FGSM 的基本想法是，沿着这个梯度的符号方向对图像进行微调，以最大化损失函数。具体公式为：

FGSM攻击算法代码：

# 定义 FGSM 攻击函数
def fgsm_attack(image, epsilon, data_grad):# 生成扰动方向sign_data_grad = data_grad.sign()# 生成对抗样本perturbed_image = image + epsilon * sign_data_grad# 对抗样本像素值范围约束在 [0,1]perturbed_image = torch.clamp(perturbed_image, 0, 1)return perturbed_image

PGD：

传送门
PGD算法在论文 《Towards Deep Learning Models Resistant to Adversarial Attacks 》中提出，它既是产生对抗样本的攻击算法，也是对抗训练的防御算法。
除此之外，PGD算法也是一阶中的最强攻击（一阶是指利用一阶导数）

设想目标模型如果是一个线性模型，损失函数对输入的导数一定是一个固定值，一次迭代和多次迭代时扰动的方向都不会发生改变，但是，如果目标模型为非线性，每次迭代之间的方向都有可能会发生变化，这时FGSM的单次迭代效果肯定不如PGD的效果好。FGSM算法通过一步计算，可能达不到最优效果，而PGD算法则是每次走一小步，但是多走几次，如果超过了扰动半径为ε的空间，就重新映射回来。

下面来看一下PGD算法的公式：

这里主要看一下公式最前面的投影到x+S的意思：就是通过一系列操作得到对抗样本后，将对抗样本减去原始图像得到了扰动值，然后将扰动值限制在-ε到+ε之间，得到了新的扰动值，原始图像加上新的扰动值就是最终生成的对抗样本。

关于对式子中sgn(L(θ,x,y)’)的理解可从FGSM中获取：

在FGSM中引入符号函数可以确定对抗扰动的方向。Goodfellow指出，如果我们的变化量与梯度的变化方向完全一致，那么将对分类结果产生较大的变化。因此，在FGSM中不需要关心具体的梯度大小，只需要知道方向即可。

符号函数sign：

PGD的核心代码：

# PGD攻击方式,属于FGSM攻击的变体
def PGD_attack(model, image, label, epsilon=0.8, alpha=0.1, iters=40):image = image.to(device)label = label.to(device)loss = nn.CrossEntropyLoss()ori_image = image.datafor i in range(iters): # 每次走一小步，但是多走几次image.requires_grad = Trueoutput = model(image)model.zero_grad()cost = loss(output, label).to(device)cost.backward()# 对抗样本 = 原始图像 + 扰动adv_image = image + alpha * image.grad.sign()# 限制扰动范围eta = torch.clamp(adv_image - ori_image, min=-epsilon, max=epsilon)# 进行下一轮的对抗样本生成image = torch.clamp(ori_image + eta, min=0, max=1).detach()return image