Deep Autoencoding Gaussian Mixture Model for Unsupervised Anomaly Detection

自编码 异常检测 计算机科学 人工智能 混合模型 模式识别(心理学) 降维 无监督学习 水准点(测量) 深度学习 机器学习 大地测量学 地理
作者
Bo Zong,Song Qi,Martin Renqiang Min,Wei Cheng,Cristian Lumezanu,Dae-Ki Cho,Haifeng Chen
摘要

Unsupervised anomaly detection on multi- or high-dimensional data is of great importance in both fundamental machine learning research and industrial applications, for which density estimation lies at the core. Although previous approaches based on dimensionality reduction followed by density estimation have made fruitful progress, they mainly suffer from decoupled model learning with inconsistent optimization goals and incapability of preserving essential information in the low-dimensional space. In this paper, we present a Deep Autoencoding Gaussian Mixture Model (DAGMM) for unsupervised anomaly detection. Our model utilizes a deep autoencoder to generate a low-dimensional representation and reconstruction error for each input data point, which is further fed into a Gaussian Mixture Model (GMM). Instead of using decoupled two-stage training and the standard Expectation-Maximization (EM) algorithm, DAGMM jointly optimizes the parameters of the deep autoencoder and the mixture model simultaneously in an end-to-end fashion, leveraging a separate estimation network to facilitate the parameter learning of the mixture model. The joint optimization, which well balances autoencoding reconstruction, density estimation of latent representation, and regularization, helps the autoencoder escape from less attractive local optima and further reduce reconstruction errors, avoiding the need of pre-training. Experimental results on several public benchmark datasets show that, DAGMM significantly outperforms state-of-the-art anomaly detection techniques, and achieves up to 14% improvement based on the standard F1 score.

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