怎样通过在图片中植入对抗性像素来欺骗多模态LLM的判断？

多模态大型语言模型（MLLM），例如GPT-4V或开源的LLaVA，结合了强大的视觉理解和语言生成能力。然而，正如传统的计算机视觉模型一样，MLLM也容易受到“对抗性攻击”的影响。这些攻击通过向图片添加人眼难以察觉的微小扰动（即对抗性像素），就能使模型产生完全错误的判断。这种漏洞对于依赖MLLM进行安全审查或关键决策的AI基础设施构成了严重的风险。

本文将深入探讨如何利用最基础且有效的快速梯度符号方法（FGSM）来生成针对MLLM视觉编码器的对抗性样本，并提供具体的PyTorch实现代码。

1. MLLM的攻击面分析

MLLM（如LLaVA）通常由三个核心组件构成：
1. 视觉编码器（Vision Encoder）：通常是一个预训练的Transformer模型（如CLIP的ViT），负责将图像转换为特征向量。
2. 连接器（Connector）：将视觉特征映射到LLM的嵌入空间。
3. 大型语言模型（LLM）：处理整合后的文本和视觉特征，生成回复。

对抗性攻击主要针对视觉编码器。如果视觉编码器被欺骗，生成错误的特征向量，那么后续的LLM无论推理能力多强，都会基于错误的输入得出错误的结论。

2. 快速梯度符号方法 (FGSM) 原理

FGSM是一种高效的单步攻击方法。其核心思想是利用模型损失函数相对于输入图像的梯度，沿着梯度上升的方向对原始图像进行微小修改。这确保了修改后的图像（对抗性样本）能够最大化模型的预测误差。

对抗性样本 $x’$ 的计算公式如下：

$$x’ = x + \epsilon \cdot \text{sign}(\nabla_x J(\theta, x, y))$$

其中：
* $x$ 是原始输入图像。
* $\epsilon$ 是扰动强度（人眼不可见的关键参数）。
* $J(\cdot)$ 是模型的损失函数。
* $\nabla_x J$ 是损失函数相对于输入 $x$ 的梯度。
* $\text{sign}(\cdot)$ 是符号函数，取梯度的方向。

3. 实操：使用PyTorch生成对抗性图像

为了演示这个过程，我们使用一个标准的预训练图像分类模型（如ResNet）作为MLLM内部视觉编码器的代理目标。在实际攻击中，您需要针对具体的开源MLLM（如LLaVA）的视觉编码器执行相同的梯度计算。

环境准备

pip install torch torchvision pillow

Python 代码实现

以下代码展示了如何加载模型、定义FGSM函数，并生成对抗性扰动。

import torch
import torch.nn as nn
from torchvision import models, transforms
from PIL import Image
import numpy as np

# 1. 定义FGSM攻击函数
def fgsm_attack(image_tensor, epsilon, data_grad):
    """生成FGSM对抗性扰动"""
    # 收集梯度的符号
    sign_data_grad = data_grad.sign()
    # 生成对抗性样本
    perturbed_image = image_tensor + epsilon * sign_data_grad
    # 裁剪到有效范围 [0, 1] (取决于原始图像的标准化)
    perturbed_image = torch.clamp(perturbed_image, 0, 1)
    return perturbed_image

# 2. 设置模型和数据
# 使用预训练的ResNet18作为MLLM视觉编码器的代理目标
model = models.resnet18(pretrained=True)
model.eval()

# 假设我们加载了一张图片，并进行了标准化处理
# 注意：在实操中，您需要加载实际图片并进行正确的预处理
# 这里使用随机张量作为演示输入，假设其原始标签为 'Target Class Index'
input_tensor = torch.randn(1, 3, 224, 224)
# 假设原始图片真实标签的索引是 208 (e.g., 'Labrador retriever')
target_label = torch.tensor([208]) 

# 启用梯度追踪
input_tensor.requires_grad = True

# 3. 执行攻击步骤

# 前向传播
output = model(input_tensor)

# 计算损失 (针对真实标签，我们希望最大化这个损失)
loss_criterion = nn.CrossEntropyLoss()
loss = loss_criterion(output, target_label)

# 梯度清零并反向传播，计算损失相对于输入的梯度
model.zero_grad()
loss.backward()

# 获取梯度数据
data_grad = input_tensor.grad.data

# 4. 生成对抗性样本
epsilon = 0.01  # 扰动强度参数，通常很小
adversarial_image = fgsm_attack(input_tensor, epsilon, data_grad)

# 5. 验证攻击效果
print(f"原始预测类别: {torch.argmax(output).item()}")

# 重新运行前向传播，使用对抗性样本
new_output = model(adversarial_image)
new_prediction = torch.argmax(new_output).item()

print(f"对抗性样本预测类别: {new_prediction}")

# 如果攻击成功，new_prediction 将是一个与 target_label 完全不同的类别，
# 这意味着模型被植入的对抗性像素欺骗了。

4. 影响与防御

这种攻击展示了AI模型的脆弱性。对于MLLM而言，如果它们部署在需要高可靠性的场景（如自动驾驶的场景理解或医疗图像分析），这种视觉欺骗可能导致灾难性的后果。

防御措施（AI Infra层面）：

1. 对抗性训练 (Adversarial Training)：将对抗性样本纳入模型的训练集，提高模型对微小扰动的鲁棒性。
2. 输入预处理：在图像进入视觉编码器之前，使用滤波、降噪或像素深度随机化等技术，试图消除或减弱对抗性扰动。
3. 模型蒸馏或量化：有时模型的鲁棒性与模型复杂度或精度有关。部署时使用更鲁棒的部署格式可能有所帮助，但这不是对抗性攻击的根本解决方案。