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https://hdl.handle.net/10216/168303| Author(s): | Tiago Filipe Magalhães Barbosa |
| Title: | Safe-DL: A Modular Framework for Evaluating and Mitigating Adversarial Threats in Deep Learning |
| Issue Date: | 2025-07-08 |
| Abstract: | The increasing adoption of deep neural network-based systems in critical domains, such as medicine, mobility, and security, raises serious concerns regarding their robustness against adversarial threats. Despite their strong performance, these systems exhibit exploitable vulnerabilities that may compromise automated decision-making processes. While partial solutions to mitigate such threats exist, the current ecosystem is characterised by fragmented, complex, and hard-to-integrate approaches, often disconnected from emerging regulatory guidelines such as the European AI Act. This dissertation introduces Safe-DL, a modular, extensible, and auditable framework designed to evaluate and mitigate adversarial threats in deep learning systems. The solution is organised into six modules: threat modelling, attack simulation, risk analysis, defence application, mitigation assessment, and final reporting. Together, these modules enable a systematic and integrated security analysis of machine learning models. Experimental validation was carried out in a realistic image classification scenario, including data poisoning, backdoor, and evasion attacks. The results demonstrate the framework's ability to identify vulnerabilities and apply effective countermeasures, producing traceable and human-readable outputs. By combining reproducibility, usability, and alignment with ethical and legal requirements, this framework offers a practical and scientific contribution toward building more robust, transparent, and trustworthy AI systems. The work developed using Safe-DL lays a solid foundation for future extensions of the framework to other modalities and regulatory contexts. |
| Description: | A crescente adoção de sistemas baseados em redes neuronais profundas em domínios críticos, nomeadamente na medicina, mobilidade e segurança, levanta sérias preocupações quanto à sua robustez face a ataques adversariais. Apesar do seu elevado desempenho, estes sistemas revelam vulnerabilidades que podem ser exploradas de forma a comprometer decisões automatizadas. Embora existam soluções parciais para mitigar tais ameaças, o ecossistema atual caracteriza-se por abordagens fragmentadas, complexas e de difícil integração prática, muitas vezes desconectadas de orientações regulatórias emergentes como o AI Act europeu. Esta dissertação propõe a Safe-DL, uma framework modular, extensível e auditável para avaliação e mitigação de ameaças adversariais em sistemas de aprendizagem profunda. A solução organiza-se em seis módulos: modelação de ameaças, simulação de ataques, análise de risco, aplicação de defesas, avaliação da mitigação e geração de relatórios. Em conjunto, estes módulos permitem uma análise sistemática e integrada da segurança dos modelos. A validação experimental foi realizada num cenário realista de classificação de imagens, com ataques de envenenamento de dados, backdoors e evasão. Os resultados demonstram a capacidade da framework para identificar vulnerabilidades e aplicar contramedidas eficazes, com resultados rastreáveis e de fácil interpretação. Combinando reprodutibilidade, usabilidade e alinhamento com exigências ético-legais, esta framework representa um contributo prático e científico para o desenvolvimento de sistemas de inteligência artificial mais robustos, transparentes e confiáveis. O trabalho desenvolvido com a Safe-DL constitui uma base sólida para futuras extensões da framework a outras modalidades e contextos regulatórios. |
| Subject: | Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| Scientific areas: | Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| TID identifier: | 204119901 |
| URI: | https://hdl.handle.net/10216/168303 |
| Document Type: | Dissertação |
| Rights: | openAccess |
| Appears in Collections: | FEUP - Dissertação |
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| 733335.pdf | Safe-DL: A Modular Framework for Evaluating and Mitigating Adversarial Threats in Deep Learning | 2.86 MB | Adobe PDF | ![]() View/Open |
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