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苹果研究人员提出集成反演技术,可从不同机器学习模型中重建训练数据

2021-12-15 15:36:33

近几年,模型反演(Model inversion, MI)攻击备受关注。MI 攻击是指滥用经过训练的机器学习(ML)模型,并借此推断模型原始训练数据中的敏感信息。遭受攻击的模型经常会在反演期间被冻结,从而被攻击者用于引导训练生成对抗网络之类的生成器,最终重建模型原始训练数据的分布。

因此,审查 MI 技术对正确建立模型保护机制至关重要。

借助单一模型高质量地重建训练数据的过程非常复杂,然而,现有的 MI 相关文献并没有考虑到多个模型同时被攻击的可能性,这类情况中攻击者可以找到额外的信息和切入点。

如果攻击成功,原始训练样本泄露,而其训练数据中如果包含个人的身份信息,那么数据集中的数据本体的隐私将会受到威胁。

集成反演技术

苹果的研究人员提出了一种集成反演的技术,借助生成器来估计模型原始训练数据的分布,而该生成器则被限制在一系列共享对象或实体的训练模型之中。

对比使用单一机器学习模型的 MI,使用该技术生成的样本质量得到了显著的提升,并具备了区分数据集实体间属性的能力。这证明了如果借助与预期训练结果相类似的辅助数据集,可以在不使用任何数据集的情况下依旧可以得到高质量结果,改善反演的结果。通过深入研究集成中模型多样性对结果的影响,并添加多重限制以激励重建样本获得高精确度和高激活度,训练图片的重建准确程度得到了提升。

对比针对单一模型的 MI 攻击,该研究所提出的模型在重建性能上展现了明显的提升。该研究不仅利用最远模型采样法(FMS)进行集成中模型多样性的优化,还创建了一个模型间等级对应关系明确的反演集成,模型的输出向量中的增强信息也被用来生成更优的限制条件,以更好地确定目标质量的高低。

通过随机训练的形式,小批量随机梯度下降(SGD)这类的主流动态卷积神经网络(DCNN),可以使用任意的大型数据集进行训练。DCNN 模型对训练数据集中最初的随机权重和统计上的噪音非常敏感,而由于学习算法的随机性,同一训练集可能会生成侧重特征不同的模型。因此,为减少差异性,研究者一般会使用集成学习,一种简单的技巧来提升 DCNN 辨别式训练的性能。

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