In hard-label black-box adversarial attacks, where only the top-1 predicted label is accessible, the prohibitive query complexity poses a major obstacle to practical deployment. In this paper, we focus on optimizing a representative class of attacks that search for the optimal ray direction yielding the minimum $\ell_2$-norm perturbation required to move a benign image into the adversarial region. Inspired by Nesterov's Accelerated Gradient (NAG), we propose a momentum-based algorithm, ARS-OPT, which proactively estimates the gradient with respect to a future ray direction inferred from accumulated momentum. We provide a theoretical analysis of its convergence behavior, showing that ARS-OPT enables more accurate directional updates and achieves faster, more stable optimization. To further accelerate convergence, we incorporate surrogate-model priors into ARS-OPT's gradient estimation, resulting in PARS-OPT with enhanced performance. The superiority of our approach is supported by theoretical guarantees under standard assumptions. Extensive experiments on ImageNet and CIFAR-10 demonstrate that our method surpasses 13 state-of-the-art approaches in query efficiency.


翻译:在硬标签黑盒对抗攻击中,仅能获取模型预测的top-1标签,其高昂的查询复杂度成为实际部署的主要障碍。本文聚焦于优化一类代表性攻击方法,该类方法通过搜索最优射线方向,以寻找使良性图像进入对抗区域所需的最小$\ell_2$范数扰动。受Nesterov加速梯度法(NAG)启发,我们提出一种基于动量的算法ARS-OPT,该算法通过累积动量推断未来射线方向,并主动估计其对应梯度。我们对其收敛行为进行了理论分析,证明ARS-OPT能够实现更精确的方向更新,并获得更快、更稳定的优化效果。为进一步加速收敛,我们将代理模型先验知识融入ARS-OPT的梯度估计过程,提出了性能增强的PARS-OPT方法。在标准假设下,本方法的优越性得到了理论保证的支持。在ImageNet和CIFAR-10数据集上的大量实验表明,我们的方法在查询效率方面超越了13种当前最先进的攻击方法。

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