圖像領域的對抗樣本對人類來說難以區(qū)分，但語音識別領域的對抗樣本卻往往是可以察覺的，而且聽起來非常明顯。在本文中，Ian Goodfellow 等人提出了用于自動語音識別體統(tǒng)的針對性對抗樣本，這些樣本不易被人類察覺，而且非常魯棒。

對抗樣本是由攻擊方專門設計的輸入，其目的是使機器學習算法產生錯誤分類。最初的對抗樣本研究主要集中于圖像分類領域。為了將神經網絡中一般對抗樣本的性質與僅適用于圖像的對抗樣本的性質區(qū)分開來，研究不同領域的對抗樣本非常重要。

實際上，從強化學習到閱讀理解再到語音識別領域都存在對抗樣本。本文主要研究的是語音識別領域的對抗樣本，表明任何給定的源音頻樣本都可能受到輕微擾動，因此自動語音識別系統(tǒng)（ASR）會把音頻轉錄為任何不同的目標句子。

到目前為止，ASR 系統(tǒng)的對抗樣本和圖像領域的對抗樣本主要有兩個不同之處。

首先，圖像領域的對抗樣本對人類來說難以區(qū)分：在不改變 8 位亮度表征的情況下生成對抗樣本是可能的。相反，ASR 系統(tǒng)的對抗樣本通常是可以察覺的。雖然引入的擾動幅度通常很小，但聽起來很明顯，附加擾動是存在的。

其次，圖像領域的對抗樣本主要在物理世界發(fā)揮作用（例如在給它們拍照時）。相比之下，ASR 系統(tǒng)的對抗樣本還不能在這種由揚聲器播放并由麥克風錄制的無線環(huán)境中發(fā)揮作用。

在本文中，研究人員改善了 ASR 系統(tǒng)中對抗樣本的構造，開發(fā)了不可察覺的對抗樣本，其能力可以媲美圖像類對抗樣本，朝著穩(wěn)健的對抗樣本邁出了一步。

為了生成不可察覺的對抗樣本，研究人員沒有選擇對抗樣本研究中廣泛使用的常用 l_p 距離度量。相反，他們使用了聽覺掩碼（auditory masking）的心理聲學原理，并且僅在人類聽不到的音頻區(qū)域添加了對抗擾動，即使這種擾動就絕對能量而言并不是「安靜的」。

對語音識別領域的對抗樣本性質進一步調查后發(fā)現(xiàn)，其性質似乎與圖像領域對抗樣本的性質不同。研究人員調查了攻擊方構建物理世界對抗樣本的能力。即使考慮了物理世界引入的扭曲，這些輸入在分類時仍然是對抗的。通過設計經過隨機空間環(huán)境模擬器處理后仍然具有對抗性的音頻，研究人員朝著開發(fā)能夠無線播放的音頻邁近了一步。

最后，研究人員證明，其對抗能夠攻擊當前最先進的現(xiàn)代 Lingvo ASR 系統(tǒng)。

論文：Imperceptible, Robust, and Targeted Adversarial Examples for Automatic Speech Recognition

論文地址：https://arxiv.org/abs/1903.10346

對抗樣本是由攻擊方設計的機器學習模型輸入，目的是導致錯誤輸出。到目前為止，對抗樣本在圖像領域中的研究最為廣泛。在圖像領域中，對抗樣本可以通過圖像的細微修改來構建，進而導致誤分類，并且對抗樣本在現(xiàn)實世界很實用。

相比之下，目前應用于語音識別系統(tǒng)的針對性對抗樣本不具有這兩種特性：人類很容易識別對抗擾動，而且這些擾動在無線播放下就會失去作用。本論文在這兩方面均取得了進展。

其一，研究人員利用聽覺掩碼（auditory masking）的心理聲學原理開發(fā)出了不可察覺的音頻對抗樣本（已經人類研究證實），同時保持任意完整句 100% 的針對性成功率。其二，通過構建在應用真實模擬環(huán)境失真后依然有效的擾動，研究人員在物理世界無線音頻對抗樣本方面取得進展。

如何生成不可察覺的對抗樣本

在圖像領域，將圖像和最近的分類樣本之間的 l_p 失真最小化會生成肉眼無法區(qū)分的圖像，但在語音領域并非如此。因此，本研究脫離了 l_p 失真度量，轉而依賴于在聲音空間中捕獲人類音頻感知的廣泛工作。

如何生成魯棒的對抗樣本

為了提高對抗樣本在無線播放時的魯棒性，研究人員用一個聲學空間模擬器來創(chuàng)建模擬無線播放的人工語音（帶有混響的語音）。他們的目標是使用混響（而不是干凈的音頻）擾動語音欺騙 ASR 系統(tǒng)。同時，對抗擾動δ應該比較小，以使其不被人聽見。

如何生成不可察覺的魯棒樣本

結合先前已開發(fā)的兩項技術，研究人員現(xiàn)在提出了一種生成不可察覺和魯棒的對抗樣本的方法。將損失降至最低可以實現(xiàn)這一點。在中，交叉熵損失函數 又是用于 Lingvo 的損失，不可察覺性損失與等式 5 中定義的一樣。當語音在隨機擾動后播放時，研究人員需要欺騙 ASR 系統(tǒng)，所以交叉熵損失迫使轉換的對抗樣本 t(x + δ) 轉錄成 y（與之前再次一樣）。

評估

圖 1：人們對不可察覺性的研究結果。圖中的 baseline 表示由 Carlini & Wagner（2018 年）制作的對抗樣本，「ours」表示根據章節(jié) 4 中的算法生成的不可察覺對抗樣本。

表 1：1000 個 clean 和（不可察覺）對抗性擾動樣本的句子級準確率和詞錯率（WER），并且在沒有無線模擬的情況下輸入 Lingvo 模型。在「Clean」中，真實值為初始轉錄。在「Adversarial」中，ground truth 為針對性轉錄。

表 2：100 個 clean 和對抗性擾動樣本的句子級準確率和 WER，并且在無線模擬的情況下輸入 Lingvo 模型?！竎lean」輸入的真實值為初始轉錄，而對抗性輸入的真實值為針對性轉錄。擾動以為界。