Adversarial training has been empirically proven to be one of the most effective and reliable defense methods against adversarial attacks. However, almost all existing studies about adversarial training are focused on balanced datasets, where each class has an equal amount of training examples. Research on adversarial training with imbalanced training datasets is rather limited. As the initial effort to investigate this problem, we reveal the facts that adversarially trained models present two distinguished behaviors from naturally trained models in imbalanced datasets: (1) Compared to natural training, adversarially trained models can suffer much worse performance on under-represented classes, when the training dataset is extremely imbalanced. (2) Traditional reweighting strategies may lose efficacy to deal with the imbalance issue for adversarial training. For example, upweighting the under-represented classes will drastically hurt the model's performance on well-represented classes, and as a result, finding an optimal reweighting value can be tremendously challenging. In this paper, to further understand our observations, we theoretically show that the poor data separability is one key reason causing this strong tension between under-represented and well-represented classes. Motivated by this finding, we propose Separable Reweighted Adversarial Training (SRAT) to facilitate adversarial training under imbalanced scenarios, by learning more separable features for different classes. Extensive experiments on various datasets verify the effectiveness of the proposed framework.


翻译:实践证明,在对抗性攻击方面,对抗性训练是最为有效和可靠的防御方法之一,但是,几乎所有关于对抗性训练的现有研究都侧重于平衡的数据集,每个班级都有同等数量的培训实例。关于对抗性训练与不平衡的培训数据集的研究相当有限。由于最初调查这一问题的努力,我们揭示了事实,即对抗性训练模式在不平衡的数据集中代表了与自然训练模式的两种不同行为:(1) 与自然训练相比,敌对性训练模型在代表性不足的班级上的表现可能要差得多,而培训数据集则极不平衡。 (2) 传统的重新加权战略可能会失去处理对抗性训练不平衡问题的效率。例如,对代表性不足的班级进行加权将极大地损害模型在代表性强的班级上的绩效,结果就是,找到最佳的重新加权价值可能具有巨大的挑战。 在本文中,为了进一步理解我们的观察,我们理论上表明,数据差异性分析能力差是造成代表性不足和代表性强的班级之间严重紧张的主要原因之一。 (2) 传统的重新加权战略可能会失去处理对抗性训练的不平衡问题,例如,提高代表性的班级将极大地调整性,通过学习不同程度的训练,我们提议的弹性的研拟。

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