AI Summary & Key Takeaways
AI InsightBoth defense strategies generally improved performance under the evaluated adversarial conditions: adversarial training substantially improved performance at ε = 0.01, whereas mixed-ε CAE purification generally showed stronger relative performance at higher perturbation levels.
📌 3 Key Takeaways
Abstract
Background/Aim: Deep learning models can achieve high accuracy in colorectal histopathology classification, but their performance may decrease under adversarial perturbations. This study aimed to evaluate the adversarial robustness of a 2D-CNN across two colorectal histopathology datasets under FGSM, PGD, and BIM attacks and to compare adversarial training with convolutional autoencoder (CAE)-based input purification as defense strategies. Methods: Experiments were conducted on the Kather Texture 2016 and CRC-VAL-HE-7K datasets, containing 5,000 and 7,180 image patches from eight and nine colorectal tissue classes, respectively. A 2D-CNN was trained using five-fold stratified cross-validation and evaluated on held-out test sets. White-box FGSM, PGD, and BIM attacks were applied across multiple perturbation levels. Adversarial training was examined using three clean-to-adversarial training compositions. For input purification, shallow, deep, and mixed-ε deep CAE models were evaluated. Performance was assessed using accuracy, macro precision, macro recall, and macro F1-score. Results: The 2D-CNN achieved 87.70% and 89.35% clean test accuracy on Kather Texture 2016 and CRC-VAL-HE-7K, respectively, but performance declined markedly under adversarial attacks, particularly on CRC-VAL-HE-7K. Adversarial training substantially improved robustness at ε = 0.01, although the best training composition varied across datasets and attacks. Mixed-ε deep CAE generally provided the strongest purification performance at higher perturbation levels. Conclusion: Despite its clean-image classification performance, the 2D-CNN remained vulnerable to adversarial perturbations. Both defense strategies generally improved performance under the evaluated adversarial conditions: adversarial training substantially improved performance at ε = 0.01, whereas mixed-ε CAE purification generally showed stronger relative performance at higher perturbation levels.
Özet
Arka Plan/Amaç: Derin öğrenme modelleri kolorektal histopatoloji sınıflandırmasında yüksek doğruluk sağlayabilse de adversarial pertürbasyonlar altında performansları azalabilmektedir. Bu çalışmada, bir 2D-CNN modelinin iki kolorektal histopatoloji veri setinde FGSM, PGD ve BIM saldırıları altındaki adversarial dayanıklılığının değerlendirilmesi ve adversarial eğitim ile evrişimsel otoenkoder (CAE) tabanlı girdi arındırma yöntemlerinin savunma stratejileri olarak karşılaştırılması amaçlanmıştır. Yöntemler: Deneyler, sırasıyla sekiz ve dokuz kolorektal doku sınıfına ait 5.000 ve 7.180 RGB görüntü yaması içeren Kather Texture 2016 ve CRC-VAL-HE-7K veri setleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bir 2D-CNN modeli beş katlı tabakalı çapraz doğrulama kullanılarak eğitilmiş ve eğitimden ayrı tutulan test setlerinde değerlendirilmiştir. Beyaz kutu FGSM, PGD ve BIM saldırıları birden fazla pertürbasyon düzeyinde uygulanmıştır. Adversarial eğitim, üç farklı temiz-adversarial eğitim verisi bileşimi kullanılarak incelenmiştir. Girdi arındırma için sığ, derin ve karma-ε derin CAE modelleri değerlendirilmiştir. Performans; doğruluk, makro kesinlik, makro duyarlılık ve makro F1-skoru kullanılarak değerlendirilmiştir. Bulgular: 2D-CNN modeli, Kather Texture 2016 ve CRC-VAL-HE-7K veri setlerinde temiz test görüntüleri üzerinde sırasıyla %87,70 ve %89,35 doğruluk elde etmiş; ancak adversarial saldırılar altında, özellikle CRC-VAL-HE-7K veri setinde, performans belirgin şekilde azalmıştır. Adversarial eğitim, ε=0,01 düzeyinde dayanıklılığı önemli ölçüde artırmış olmakla birlikte, en iyi eğitim bileşimi veri setine ve saldırı türüne göre değişiklik göstermiştir. Karma-ε derin CAE modeli ise genel olarak daha yüksek pertürbasyon düzeylerinde en güçlü arındırma performansını sağlamıştır. Sonuç: 2D-CNN, temiz görüntülerdeki sınıflandırma performansına rağmen adversarial pertürbasyonlara karşı savunmasız kalmıştır. Her iki savunma stratejisi de değerlendirilen adversarial koşullar altında genel olarak performansı artırmıştır: adversarial eğitim ε = 0.01 düzeyinde performansı önemli ölçüde iyileştirirken, karma-ε CAE tabanlı girdi arındırma genel olarak daha yüksek pertürbasyon düzeylerinde daha güçlü göreli performans göstermiştir.