第一次竞赛-OPPO AI安全竞赛-人脸识别攻防
1. 概述
本次比赛将会聚焦于人脸识别场景中的反AI的对抗攻击。为了模拟真实的人脸识别场景并增加比赛的难度，我们将在后台使用防御性较好的一组模型作为黑盒模型。选手在不清楚模型细节的前提之下，构造有目标或无目标的对抗样本
从比赛内容可以看出来是关于人脸模型的黑盒攻击，而由于无法使用基于查询的方式，所以只能从基于迁移的角度构造人脸对抗样本。
本次比赛结果：总共2349个队伍，我们团队初赛10，复赛14，有那么一丝遗憾没有进入决赛…
2.方法总结
模型相关
我们采用集成模型的方式训练人脸对抗样本，模型结构包括FaceNet, MobileFaceNet, IR_101,IR_152, IR_50, IRSE_50等，IRSE_50是在IR_50的基础上了SE(Squeeze-and-Excitation)，可以理解为加了一个Attention。
因为是黑盒攻击，所以采用Backbone提取人脸特征，用于分类。
| 模型名称 | 简介 | 参考链接（code） |
|---|---|---|
| Facenet | Inception Resnet V1作为Backbone | https://github.com/timesler/facenet-pytorch/blob/master/models/inception_resnet_v1.py |
| MobileFaceNet | mobilenet替换了facenet的inception，进行提取人脸特征 | https://github.com/JDAI-CV/FaceX-Zoo/blob/main/backbone/MobileFaceNets.py |
| IR_101 | ResNet101作为BackBone | https://gitee.com/heronwang/face.evoLVe.PyTorch/blob/master/backbone/model_irse.py |
| IR_152 | ResNet152作为BackBone | https://gitee.com/heronwang/face.evoLVe.PyTorch/blob/master/backbone/model_irse.py |
| IR_50 | ResNet50作为BackBone | https://gitee.com/heronwang/face.evoLVe.PyTorch/blob/master/backbone/model_irse.py |
针对不同的model，我们选择加载在不同训练集上训练的权重，facenet，mobileFaceNet，irse50，IR_152加载在LFW上训练参数（https://drive.google.com/drive/folders/1G_2R_7XQhzzMQdEhph0ZI7dV4sGYjjzu），ir50_ms1m，IR_50_LFW_AdvTrain，IR_101，分别加载baseline中model参数。具体加载方式可见run.py中set_model_info方法。
我们已为所需加载的model_list设置了默认参数，每次运行时会首先加载上述7个model。
解决方案和算法介绍
针对本次比赛赛题，由于每日上传次数的限制，我们从基于迁移性的人脸对抗攻击出发，以FGSM为基本方法，结合目前提高攻击迁移性方法 momentum(MI)，input-diversity（DI），ensemble-model，translation-Invariant（TI），Patch-wise(PI)， Staircase Sign **Method(SSM)**等（这些方法将在后面具体介绍，包括公式，paper，作者等）。
算法流程：
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输入输出阶段
我们通过将攻击图像adv_image和face pair的比对图像com_image（题目中提及到的样本I构建的face pair的比对）输入model，在输入阶段我们参考了 【CVPR2019】Improving transferability of adversarial examples with input diversity（Cihang Xie, Zhishuai Zhang, Yuyin Zhou, Song Bai, Jianyu Wang, Zhou Ren, Alan L. Yuille)，对adv_image和com_image做同样的resize和padding后使用interpolate方法将图像调整为model输入尺寸，然后输入model，最后输出[1,512]的特征值。
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LOSS及权重
使用余弦相似度计算adv_image的特征与com_image的特征距离作为攻击强度目标（攻击损失-adv_loss），另一方面使用MSSSIM计算adv_image与ori_image的结构相似度（质量损失-struct_loss）将这两部分作为total loss用于更新adv_image。
我们将迭代次数设置为40次，在每次迭代后根据当前的adv_loss和struct_loss更新不同损失权重：
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梯度计算
根据loss可以得到gradient，第一步使用了动量的方法，参考了 【CVPR2018】Boosting adversarial attacks with momentum（Yinpeng Dong, Fangzhou Liao, Tianyu Pang, Hang Su, Jun Zhu, Xiaolin Hu, Jianguo Li）我们将此次计算得到的gradient与上次迭代的gradient结合，
然后第二步参考了 【CVPR2019】Evading Defenses to Transferable Adversarial Examples by Translation-Invariant Attacks(Yinpeng Dong, Tianyu Pang, Hang Su, Jun Zhu)，将梯度做一次平移转换（考虑CNN的平移不变性）
第三步参考 【ECCV2020】Patch-wise Attack for Fooling Deep Neural Network（Lianli Gao，Qilong Zhang，Jingkuan Song，Xianglong Liu，Heng Tao Shen），这个方法是将当前区域干扰超出设置值的部分映射到周围区域（减少直接clip掉的数值造成的信息丢失），同时这部分参考Staircase Sign Method for Boosting Adversarial Attacks（Lianli Gao, Qilong Zhang, Xiaosu Zhu， Jingkuan Song Heng Tao Shen）将sign值做一个百分值计算，这一步的作用是不仅仅考虑gradient的方向，同时考虑数值的影响。（计算参数直接参考文章中参数设置）
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adv_image选取
我们最开始设置的干扰大小的是8，MSSSIM是0.96。迭代40次得到的adv_image，我们使用Face++的人脸比对API验证当前adv_image与com_image的相似程度，满足阙值后保存为待提交数据集。
3. 结语
第一次参加AI与安全相关竞赛，后续还有发表其他比赛的参赛分享，感兴趣的可以关注一波哦，也可私聊我探讨比赛思路。