Information Fusion
Decentralized Federated Learning with Multimodal Prototypes for Heterogeneous Data
Modalis aborda clientes con modalidades diferentes o ausentes en aprendizaje descentralizado. Intercambia prototipos compactos de clase y alinea representaciones locales para colaborar con datos heterogéneos.
Modalis: Multimodal Node-to-node Prototype Learning
Heterogeneous Clients
Clients possess non-IID local class distributions and incomplete modalities (some have only image & audio, others text & audio, etc.).
Optimization Losses
Key Empirical Results
- 01
Heterogeneous Clients
- 02
Local Encoding & Imputation
- 03
Prototype Construction
- 04
Node-to-node Prototype Exchange
- 05
Knowledge Fusion & Loss
- 06
Local Model Update
Completa la progresión técnica hacia DFL multimodal heterogéneo: los clientes intercambian prototipos compactos conscientes de la modalidad en lugar de parámetros completos del modelo, conectando gestión de modalidades ausentes, alineación de representaciones, ponderación de modalidades y eficiencia de las comunicaciones.
+4.0%
mejora relativa de F1
Alta heterogeneidad frente al siguiente mejor método
82.1%
F1 solo imagen
Clientes unimodales en AVMNIST
0.11 MB
carga por cliente
Tamaño medio de mensaje por ronda
>40x
reducción de coste
Frente a métodos de referencia basados en modelos completos
Contribuciones científicas clave
- 01DFL multimodal descentralizado:Estudia la colaboración descentralizada cuando los clientes tienen distribuciones de clase non-IID y disponibilidad incompleta de modalidades.
- 02Protocolo centrado en prototipos:Intercambia prototipos compactos de clase conscientes de la modalidad en lugar de parámetros completos o actualizaciones completas del modelo.
- 03Robustez ante modalidades ausentes:Combina incrustaciones nulas contextuales, ponderación adaptativa de modalidades, fusión multimodal y objetivos de alineación de representaciones.
Conclusiones principales
- 01El intercambio de prototipos reportó aproximadamente 0.11 MB por mensaje de cliente, más de 40x menos que métodos de referencia intensivos en comunicación basados en intercambio de modelos completos.
- 02Los mecanismos evaluados apoyan la colaboración bajo modalidades ausentes, datos non-IID y configuraciones heterogéneas controladas.
- 03Las conclusiones permanecen vinculadas a los conjuntos de datos, configuraciones de modalidad, métodos de referencia y supuestos experimentales documentados.
Resultados empíricos (AVMNIST)
FedAvg
F1 score
69.5%
Coste uplink / ronda
~4.75 MB
FedProto
F1 score
74.8%
Coste uplink / ronda
~0.03 MB
Modalis
F1 score
83.4%
Coste uplink / ronda
~0.11 MB
Fases metodológicas
Codificar
Embeddings multimodales locales e incrustaciones nulas contextuales
Prototipar
Prototipos compactos de clase intercambiados entre vecinos
Fusionar
Ponderación adaptativa de modalidades y alineación de representaciones
Resumen
Decentralized Federated Learning (DFL) enables collaborative machine learning across numerous devices while avoiding bottlenecks and reliance on a single trusted entity inherent to centralized architectures. However, its practical application is challenged by modern scenarios where data is increasingly multimodal. The key obstacles in such settings are severe data heterogeneity, characterized by non-Independent and Identically Distributed (non-IID) class distributions, and incomplete data, where modalities are often missing across clients. Existing solutions struggle with these challenges, either incurring high communication costs or lacking effective mechanisms for fusing partial information. To overcome these limitations, this work introduces Modalis, a novel framework for multimodal DFL that achieves superior model performance under data heterogeneity while minimizing network consumption. It pioneers a communication-efficient, prototype-centric protocol in which clients exchange compact, modality-aware class representations rather than high-dimensional model parameters. This process is guided by a multi-objective loss function enforcing inter-modality coherence and representation alignment for effective knowledge fusion. The framework integrates sophisticated architectural innovations, including contextual null embeddings for intelligent data imputation and robust multimodal fusion using adaptive gating and multi-way transformers. The approach is validated through theoretical analysis, providing formal convergence guarantees, and extensive experiments on standard multimodal benchmarks. These results demonstrate that Modalis achieves superior performance, improving F1 scores by up to 4% under high heterogeneity and reducing communication costs by over 40 times compared to state-of-the-art baselines, establishing it as a highly effective solution for collaborative AI.
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