Output constraints in multimedia database systems

Zusammenfassung Semantische Fehler treten bei jeder Art von Datenverwaltung auf. Herkömmliche Datenbanksysteme verwenden eine Integritätskontrolle, um semantische Fehler zu vermeiden. Um die Integrität der Daten zu gewährleisten werden Integritätsregeln benutzt. Diese Regeln können allerdings nur die Konsistenz einfach strukturierter Daten überprüfen. Multimedia Datenbanksystem verwalten neben einfachen alphanumerischen Daten auch komplexe Mediendaten wie Videos. Um die Konsistenz dieser Daten zu sichern, bedarf es einer erheblichen Erweiterung des bestehenden Integritätskonzeptes. Dabei muss besonders auf die konsistente Datenausgabe geachtet werden. Im Gegensatz zu alphanumerischen Daten können Mediendaten während der Ausgabe verfälscht werden. Dieser Fall kann eintreten, wenn eine geforderte Datenqualität bei der Ausgabe nicht erreicht werden kann oder wenn Synchronisationsbedingungen zwischen Medienobjekten nicht eingehalten werden können. Es besteht daher die Notwendigkeit, Ouptut Constraints einzuführen. Mit ihrer Hilfe kann definiert werden, wann die Ausgabe von Mediendaten semantisch korrekt ist. Das Datenbanksystem kann diese Bedingungen überprüfen und so gewährleisten, dass der Nutzer semantisch einwandfreie Daten erhält. In dieser Arbeit werden alle Aspekte betrachtet, die notwendig sind, um Ausgabebedingungen in ein Multimedia Datenbanksystem zu integrieren. Im einzelnen werden die Modellierung der Bedingungen, deren datenbankinterne Repräsentation sowie die Bedingungsüberprüfung betrachtet. Für die Bedingungsmodellierung wird eine Constraint Language auf Basis der Prädikatenlogik eingeführt. Um die Definition von zeitlichen und räumlichen Synchronisationen zu ermöglichen, verwenden wir Allen-Relationen. Für die effiziente Überprüfung der Ausgabebedingungen müssen diese aus der Spezifikationssprache in eine datenbankinterne Darstellung überführt werden. Für die datenbankinterne Darstellung werden Difference Constraints verwendet. Diese erlauben eine sehr effiziente Bedingungsüberprüfung. Wir haben Algorithmen entwickelt, die eine effiziente Überprüfung von Ausgabebedingungen erlauben und dies anhand von Experimenten nachgewiesen. Neben der Überprüfung der Bedingungen müssen Mediendaten so synchronisiert werden, dass dies den Ausgabebedingungen entspricht. Wir haben dazu das Konzept des Output Schedules entwickelt. Dieser wird aufgrund der definierten Ausgabebedingungen generiert. Durch die Ausgabebedingungen, die in dieser Arbeit eingeführt werden, werden semantische Fehler bei der Verwaltung von Mediendaten erheblich reduziert. Die Arbeit stellt daher einen Beitrag zur qualitativen Verbesserung der Verwaltung von Mediendaten dar.Semantic errors exist as long as data are managed. Traditional database systems try to prevent this errors by proposing integrity concepts for stored data. Integrity constraints are used to implement these integrity concepts. However, integrity constraints can only detect semantic errors in elementary data. Multimedia database systems manage elementary data as well as complex media data, like videos. Considering these media data we need a much wider consistency concept as traditional database systems provide. Especially, data output of media data must be taken into account. In contrast to alphanumeric data the semantics of media data can be falsified during data output if data quality or synchronization of data are not suitable. Thus, we need a concept for output constraints that allow for preventing semantic errors in case of data output. For integrating output constraints into a multimedia database system we have to consider modelling, representation and checking of output constraints. For modelling output constraints we have introduced a constraint language which uses the same principles as traditional constraint languages. Our constraint specification language must support temporal and spatial synchronization constraints. However, it is desired to support both kinds of synchronization in almost the same manner. Therefore, we use Allen-Relations for defining temporal synchronization constraints as well as for defining spatial synchronization constraints. We need a database internal representation of output constraints that makes efficient constraint checking possible. The Allen-Relations used in the constraint language cannot be checked efficiently. However, difference constraints are a class of constraints that allows an very efficient checking. Therefore, we use difference constraints as database internal representation of output constraints. As methods for checking consistency of output constraints we use an approach based on graph theory as well as an analytical approach. Both approaches require a constraint graph as data structure. For data output we need an output order that is adequate to the defined output constraints. This output schedule can be produced based on the output constraints. With output constraints, proposed in this thesis, semantical correctness of media data considering the data output can be supported.Thus, the contribution of this work is an qualitative improvement of managing media data by database systems

Neue Indexingverfahren für die Ähnlichkeitssuche in metrischen Räumen über großen Datenmengen

Ein zunehmend wichtiges Thema in der Informatik ist der Umgang mit Ähnlichkeit in einer großen Anzahl unterschiedlicher Domänen. Derzeit existiert keine universell verwendbare Infrastruktur für die Ähnlichkeitssuche in allgemeinen metrischen Räumen. Ziel der Arbeit ist es, die Grundlage für eine derartige Infrastruktur zu legen, die in klassische Datenbankmanagementsysteme integriert werden könnte. Im Rahmen einer Analyse des State of the Art wird der M-Baum als am besten geeignete Basisstruktur identifiziert. Dieser wird anschließend zum EM-Baum erweitert, wobei strukturelle Kompatibilität mit dem M-Baum erhalten wird. Die Abfragealgorithmen werden im Hinblick auf eine Minimierung notwendiger Distanzberechnungen optimiert. Aufbauend auf einer mathematischen Analyse der Beziehung zwischen Baumstruktur und Abfrageaufwand werden Freiheitsgrade in Baumänderungsalgorithmen genutzt, um Bäume so zu konstruieren, dass Ähnlichkeitsanfragen mit einer minimalen Anzahl an Anfrageoperationen beantwortet werden können.A topic of growing importance in computer science is the handling of similarity in multiple heterogenous domains. Currently there is no common infrastructure to support this for the general metric space. The goal of this work is lay the foundation for such an infrastructure, which could be integrated into classical data base management systems. After some analysis of the state of the art the M-Tree is identified as most suitable base and enhanced in multiple ways to the EM-Tree retaining structural compatibility. The query algorithms are optimized to reduce the number of necessary distance calculations. On the basis of a mathematical analysis of the relation between the tree structure and the query performance degrees of freedom in the tree edit algorithms are used to build trees optimized for answering similarity queries using a minimal number of distance calculations