Principal Component Analysis (PCA) is a pivotal technique in the fields of machine learning and data analysis. In this study, we present a novel approach for privacy-preserving PCA using an approximate numerical arithmetic homomorphic encryption scheme. We build our method upon a proposed PCA routine known as the PowerMethod, which takes the covariance matrix as input and produces an approximate eigenvector corresponding to the first principal component of the dataset. Our method surpasses previous approaches (e.g., Pandas CSCML 21) in terms of efficiency, accuracy, and scalability. To achieve such efficiency and accuracy, we have implemented the following optimizations: (i) We optimized a homomorphic matrix multiplication technique (Jiang et al. SIGSAC 2018) that will play a crucial role in the computation of the covariance matrix. (ii) We devised an efficient homomorphic circuit for computing the covariance matrix homomorphically. (iii) We designed a novel and efficient homomorphic circuit for the PowerMethod that incorporates a systematic strategy for homomorphic vector normalization enhancing both its accuracy and practicality. Our matrix multiplication optimization reduces the minimum rotation key space required for a $128\times 128$ homomorphic matrix multiplication by up to 64\%, enabling more extensive parallel computation of multiple matrix multiplication instances. Our homomorphic covariance matrix computation method manages to compute the covariance matrix of the MNIST dataset ($60000\times 256$) in 51 minutes. Our privacy-preserving PCA scheme based on our new homomorphic PowerMethod circuit successfully computes the top 8 principal components of datasets such as MNIST and Fashion-MNIST in approximately 1 hour, achieving an r2 accuracy of 0.7 to 0.9, achieving an average speed improvement of over 4 times and offers higher accuracy compared to previous approaches.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
73+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
25+阅读 · 2021年4月2日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
大数据 | 顶级SCI期刊专刊/国际会议信息7条
Call4Papers
10+阅读 · 2018年12月29日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
【论文】图上的表示学习综述
机器学习研究会
14+阅读 · 2017年9月24日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
大数据 | 顶级SCI期刊专刊/国际会议信息7条
Call4Papers
10+阅读 · 2018年12月29日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
【论文】图上的表示学习综述
机器学习研究会
14+阅读 · 2017年9月24日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员