Certified defense methods against adversarial perturbations have been recently investigated in the black-box setting with a zeroth-order (ZO) perspective. However, these methods suffer from high model variance with low performance on high-dimensional datasets due to the ineffective design of the denoiser and are limited in their utilization of ZO techniques. To this end, we propose a certified ZO preprocessing technique for removing adversarial perturbations from the attacked image in the black-box setting using only model queries. We propose a robust UNet denoiser (RDUNet) that ensures the robustness of black-box models trained on high-dimensional datasets. We propose a novel black-box denoised smoothing (DS) defense mechanism, ZO-RUDS, by prepending our RDUNet to the black-box model, ensuring black-box defense. We further propose ZO-AE-RUDS in which RDUNet followed by autoencoder (AE) is prepended to the black-box model. We perform extensive experiments on four classification datasets, CIFAR-10, CIFAR-10, Tiny Imagenet, STL-10, and the MNIST dataset for image reconstruction tasks. Our proposed defense methods ZO-RUDS and ZO-AE-RUDS beat SOTA with a huge margin of $35\%$ and $9\%$, for low dimensional (CIFAR-10) and with a margin of $20.61\%$ and $23.51\%$ for high-dimensional (STL-10) datasets, respectively.


翻译:在黑盒情况下使用可靠的 UNet 去噪器进行认证零阶防御。最近针对对抗性干扰在零阶(ZO)黑盒情况下的认证防御方法一直在进行研究。然而,这些方法由于去噪器设计不良,在高维数据集上具有高模型方差和低性能,并且在使用 ZO 技术方面有限。因此,我们提出了一种认证的零阶预处理技术,仅使用模型查询即可从被攻击的图像中去除对抗性扰动。我们提出了一种坚固的 UNet 去噪器(RDUNet),确保在高维数据集上训练的黑盒模型的鲁棒性。我们提出了一种新的黑盒去噪平滑防御机制,ZO-RUDS,通过在黑盒模型之前插入 RDUNet 来确保黑盒防御。我们进一步提出了 ZO-AE-RUDS,即先传入 RDUNet,再传入自编码器(AE)至黑盒模型中。我们在四个分类数据集上进行了大量实验,即 CIFAR-10、CIFAR-10、Tiny Imagenet、STL-10 和 MNIST 数据集,用于图像重建任务。我们提出的防御方法 ZO-RUDS 和 ZO-AE-RUDS 在低维度(CIFAR-10)上领先 SOTA 高达 $35\%$,在高维度 (STL-10) 上领先 SOTA 高达 $20.61\%$ 和 $23.51\%$,超过对手一个巨大的边际。

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在科学,计算和工程学中,黑盒是一种设备,系统或对象,可以根据其输入和输出(或传输特性)对其进行查看,而无需对其内部工作有任何了解。 它的实现是“不透明的”(黑色)。 几乎任何事物都可以被称为黑盒:晶体管,引擎,算法,人脑,机构或政府。为了使用典型的“黑匣子方法”来分析建模为开放系统的事物,仅考虑刺激/响应的行为,以推断(未知)盒子。 该黑匣子系统的通常表示形式是在该方框中居中的数据流程图。黑盒的对立面是一个内部组件或逻辑可用于检查的系统,通常将其称为白盒(有时也称为“透明盒”或“玻璃盒”)。
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