日前，被譽(yù)為數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域歷史最悠久、規(guī)模最大的國際頂級學(xué)術(shù)會(huì)議ACM SIGKDD（國際數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)大會(huì)，KDD）正于美國華盛頓召開。會(huì)上，火山語音多篇論文被KDD 2022 Research track接收并發(fā)表，同時(shí)創(chuàng)新性地提出基于語音合成來有效攻擊語音識(shí)別系統(tǒng)(Audio Adversarial Attack)的新技術(shù)路徑，用于高效并準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)語音安全領(lǐng)域的新漏洞。
伴隨機(jī)器學(xué)習(xí)在語音識(shí)別上的技術(shù)突破，形式多樣的語音助手已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ撸绕湓谝恍┨囟▓鼍跋拢Z音助手可以通過識(shí)別語義信息幫助人們完成例如購物、轉(zhuǎn)賬、繳費(fèi)、郵件處理等簡單動(dòng)作，便利正逐漸滲透到生活的方方面面。
但據(jù)近些年的研究表明：由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的冗余特性可以讓攻擊者在輸入中加入人類無法識(shí)別的微小擾動(dòng)，從而誤導(dǎo)原本訓(xùn)練好的模型，甚至可以給出攻擊者想要獲得的輸出結(jié)果，著實(shí)有些驚悚，例如：
明明聽上去是：Send a greeting email to Tom？
但經(jīng)過語音識(shí)別系統(tǒng)之后的輸出竟然是“Transfer one million dollars to Jerry.”
人們不禁靈魂發(fā)問語音識(shí)別究竟還能否被信任？
不可否認(rèn)，這種安全隱患正逐漸成為限制語音識(shí)別系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，所以研究如何設(shè)計(jì)高效的攻擊方案發(fā)現(xiàn)語音識(shí)別系統(tǒng)的弱點(diǎn)和漏洞，進(jìn)而緩解消除上述語音安全隱患，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
基于此，火山語音經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的語音攻擊主要源于一種良性語音依賴假設(shè)（上述圖a），即Audio dependent attack，這種假設(shè)要求對抗語音樣本(Adversarial audio)是基于已有的干凈語音(Benign audio)上添加擾動(dòng)產(chǎn)生。但在現(xiàn)實(shí)場景中，這種干凈語音有可能不存在（比方說，說話人可能根本沒有發(fā)出聲音）或者無法包含特定的語義信息（例如，說話人在交談中沒有說出某句話），如果遭遇上述情況，現(xiàn)有的方案將難以被應(yīng)用：對已有干凈語音的依賴性極大限制了語音攻擊的廣泛性，造成了判斷的不準(zhǔn)確。
對此火山語音團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的“無中生有式”對抗語音攻擊方案（上述圖b），所謂“無中生有”是指不再依賴已有的一段干凈語音，而是采用語音合成模型直接生成包含特定語義信息的語音對抗樣本，避免對干凈語音(Benign audio)的依賴，改變過去通過“已有”來判斷的思路，進(jìn)而降低安全漏洞的誤判率。目前該方案的介紹論文（https://dl.acm.org/doi/10.1145/3534678.3539268）已被KDD 2022接收并發(fā)表。
方法概述
如圖所示，火山語音團(tuán)隊(duì)提出的Speech Synthesising Attack (SSA)，可以合成文首所示包含“Send a greeting email to Tom”的語音，同時(shí)欺騙ASR系統(tǒng)翻譯為欺騙目標(biāo)“Transfer one million dollars to Jerry”。如果要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)挑戰(zhàn)性任務(wù)，兩個(gè)重要的條件需要同時(shí)被考慮到，分別是：ASR系統(tǒng)需要最終轉(zhuǎn)錄成任意設(shè)定的欺騙目標(biāo)，以及合成語音需要足夠自然，讓人類無法輕易覺察到該語音為對抗攻擊樣本。
為此團(tuán)隊(duì)引入基于Conditional Variational Auto-Encoder的VITS模型作為語音合成模塊，通過優(yōu)化Audio Style Vector z從而達(dá)成以上兩個(gè)重要前提，具體的loss如公式所示：
為達(dá)成條件一，團(tuán)隊(duì)使用Connectionist Temporal Classification (CTC) loss來迫使ASR系統(tǒng)輸出設(shè)定的目標(biāo)文本(target text)。為達(dá)成條件二，考慮到VITS模型訓(xùn)練時(shí)z服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布，作者對z做出如下約束：
為了使對抗語音樣本合成更加高效，火山語音團(tuán)隊(duì)還提出了一種Adaptive Sign Gradient Descent的優(yōu)化策略，整體算法流程如下圖所示：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
火山語音團(tuán)隊(duì)在Audio Mnist、CommonVoice以及LibriSpeech三個(gè)數(shù)據(jù)集上分別對算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如下表所示）顯示：相比之前的語音對抗攻擊算法，新范式在攻擊成功率(Success rate) 上表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，已經(jīng)達(dá)到過去方法的兩倍左右。
同時(shí)團(tuán)隊(duì)還分析了此種辦法帶來優(yōu)勢的原因，圖b為傳統(tǒng)方法在一段干凈語音（圖a）上加載噪聲的攻擊方式。可以看出，噪聲的加噪受限于原始語音波形，但基于SSA產(chǎn)生的語音對抗樣本，雖然包含的語義信息與圖a&b一致，但對比之下波形差異很大，這說明SSA在產(chǎn)生對抗語音樣本時(shí)相較于已有方法，能夠更加直觀發(fā)現(xiàn)安全漏洞不易被誤導(dǎo)，預(yù)期將會(huì)成為一種發(fā)現(xiàn)語音識(shí)別系統(tǒng)安全漏洞的方案被廣泛采用。
除上述論文外，火山語音團(tuán)隊(duì)推出的另外一篇論文“重要性優(yōu)先的策略蒸餾”(Importance Prioritized Policy Distillation)也成功被KDD 2022接收并發(fā)表。
論文地址： https://dl.acm.org/doi/10.1145/3534678.3539266
該論文主要解決了強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型蒸餾過程中Data bias問題。在傳統(tǒng)的策略蒸餾(Policy distillation)方法中，每一個(gè)Frame(State-Action pair, 狀態(tài)&動(dòng)作組合)對于學(xué)生策略(Student policy)的重要性在訓(xùn)練中是被假設(shè)為均勻的。然而在強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)中，每個(gè)Frame上的Action選擇實(shí)際上是對應(yīng)著不一樣的獎(jiǎng)勵(lì)(Reward)。
為了自適應(yīng)的根據(jù)Reward收益進(jìn)行Policy Distillation訓(xùn)練，火山語音團(tuán)隊(duì)提出了一種基于香農(nóng)熵(Shannon Entropy)對強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)Frame importance進(jìn)行估計(jì)的方法，并基于Atari游戲任務(wù)驗(yàn)證了該方法在策略蒸餾以及壓縮(Policy compression)任務(wù)上的有效性。這種基于重要性優(yōu)先的策略蒸餾方法將會(huì)更好地服務(wù)于強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型在部署時(shí)的模型壓縮任務(wù)，從而助力在各個(gè)強(qiáng)化學(xué)習(xí)場景下的實(shí)際落地。
火山語音，作為字節(jié)跳動(dòng) AI Lab Speech & Audio 智能語音與音頻團(tuán)隊(duì)，長期以來面向字節(jié)跳動(dòng)內(nèi)部各業(yè)務(wù)線以及火山引擎ToB行業(yè)與創(chuàng)新場景，提供全球領(lǐng)先的語音AI技術(shù)能力以及卓越的全棧語音產(chǎn)品解決方案。目前團(tuán)隊(duì)的語音識(shí)別和語音合成覆蓋了多種語言和方言，多篇論文入選各類AI 頂級會(huì)議，技術(shù)能力已成功應(yīng)用到抖音、剪映、番茄小說等多款產(chǎn)品上，并通過火山引擎開放給外部企業(yè)。
