Исследование эффективности трансферного обучения при проведении состязательных атак
Authors: Парфёнов Д.И. , Болодурина И.П. , Гришина Л.С. , Жигалов А.Ю. , Толмачев С.В. 
Published: December 2024

Глубокие нейронные сети становятся всё более эффективным инструментом решения широкого спектра сложных прикладных задач, т.к. способны устанавливать закономерности в неструктурированных данных, таких как изображения, видео- и аудиоинформация. Несмотря на то, что вероятность ошибки современных моделей нейронных сетей снижается, ML-модели остаются уязвимыми к состязательным атакам. В связи с этим, вопросы обеспечения безопасности моделей машинного обучения от состязательных атак являются одними из наиболее актуальных. В рамках данной работы проведено исследование эффективности применения технологии трансферного обучения для повышения устойчивости сверточных нейронных сетей от состязательных атак. Исследование проводилось на примере задачи распознавания дорожных знаков на снимках, которая является ключевой в области автомобильных беспилотных транспортных сетей. В ходе эксперимента построена базовая модель нейронной сети для решения задачи классификации дорожных знаков и реализованы атаки на основе алгоритмов PGD и FGSM, которые снизили точность классификации примерно в 2,8 раза. Для защиты от рассмотренных атак белого ящика на нейронную сеть проведено состязательное обучение, которое повысило точность модели на 12,11%. Кроме того, для рассмотрена технология трансферного обучения, которое позволило добиться повышения надежности после состязательного обучения на 42,38% по сравнению с исходным набором данных. Полученные результаты исследования могут быть использованы при разработке защищенной интеллектуальной системы поддержки принятия решений для обнаружения на кадре с видеорегистратора области, содержащей дорожный знак, и последующей классификации выделенного сегмента изображения.

Deep neural networks are becoming an increasingly effective tool for solving a wide range of complex applied tasks, because they are able to establish patterns in unstructured data, such as images, video and audio information. Despite the fact that the probability of error of modern neural network models decreases, ML models remain vulnerable to adversarial attacks. In this regard, the issues of ensuring the security of machine learning models from adversarial attacks are among the most urgent. Within the framework of this work, a study was conducted on the effectiveness of the transfer learning technology to increase the stability of convolutional neural networks from adversarial attacks. The study was conducted on the example of the task of recognizing road signs in images, which is key in the field of automotive unmanned transport networks. During the experiment, a basic neural network model was built to solve the problem of classifying road signs and attacks based on PGD and FGSM algorithms were implemented, which reduced the classification accuracy by about 2.8 times. To protect against the considered white box attacks on the neural network, competitive training was conducted, which increased the accuracy of the model by 12.11%. In addition, the technology of transfer training was considered, which made it possible to achieve an increase in reliability after competitive training by 42.38% compared to the original data set. The obtained research results can be used in the development of a secure intelligent decision support system for detecting an area containing a road sign on a DVR frame and subsequent classification of the selected image segment.