Unsupervised image anomaly detection (UAD) has become a critical process in industrial and medical applications, but it faces growing challenges due to increasing concerns over data privacy. The limited class diversity inherent to one-class classification tasks, combined with distribution biases caused by variations in products across and within clients, poses significant challenges for preserving data privacy with federated UAD. Thus, this article proposes an efficient federated learning method with dynamic memory and memory-reduce for unsupervised image anomaly detection, called FedDyMem. Considering all client data belongs to a single class (i.e., normal sample) in UAD and the distribution of intra-class features demonstrates significant skewness, FedDyMem facilitates knowledge sharing between the client and server through the client's dynamic memory bank instead of model parameters. In the local clients, a memory generator and a metric loss are employed to improve the consistency of the feature distribution for normal samples, leveraging the local model to update the memory bank dynamically. For efficient communication and data privacy, a memory-reduce method based on weighted averages is proposed to significantly decrease the scale of memory banks. This reduced representation inherently, thereby mitigating the risk of data reconstruction. On the server, global memory is constructed and distributed to individual clients through k-means aggregation. Experiments conducted on six industrial and medical datasets, comprising a mixture of six products or health screening types derived from eleven public datasets, demonstrate the effectiveness of FedDyMem.


翻译:无监督图像异常检测已成为工业和医疗应用中的关键流程,但由于日益增长的数据隐私担忧,其面临越来越大的挑战。单类分类任务固有的有限类别多样性,加之客户端之间及内部产品差异导致的分布偏差,为联邦无监督图像异常检测中的数据隐私保护带来了重大挑战。因此,本文提出一种用于无监督图像异常检测的、结合动态内存与内存缩减的高效联邦学习方法,称为FedDyMem。考虑到无监督图像异常检测中所有客户端数据均属于单一类别(即正常样本),且类内特征分布呈现显著偏斜性,FedDyMem通过客户端的动态内存库而非模型参数来促进客户端与服务器之间的知识共享。在本地客户端中,采用内存生成器和度量损失来提升正常样本特征分布的一致性,并利用本地模型动态更新内存库。为实现高效通信与数据隐私保护,提出一种基于加权平均的内存缩减方法,以显著降低内存库的规模。这种缩减后的表征本身即有助于降低数据重构风险。在服务器端,通过k-means聚合构建全局内存并将其分发给各个客户端。在六个工业和医疗数据集上进行的实验(这些数据集混合了源自十一个公开数据集的六种产品或健康筛查类型)验证了FedDyMem的有效性。

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