Complex queries and complex data

With the widespread availability of wearable computers, equipped with sensors such as GPS or cameras, and with the ubiquitous presence of micro-blogging platforms, social media sites and digital marketplaces, data can be collected and shared on a massive scale. A necessary building block for taking advantage from this vast amount of information are efficient and effective similarity search algorithms that are able to find objects in a database which are similar to a query object. Due to the general applicability of similarity search over different data types and applications, the formalization of this concept and the development of strategies for evaluating similarity queries has evolved to an important field of research in the database community, spatio-temporal database community, and others, such as information retrieval and computer vision. This thesis concentrates on a special instance of similarity queries, namely k-Nearest Neighbor (kNN) Queries and their close relative, Reverse k-Nearest Neighbor (RkNN) Queries. As a first contribution we provide an in-depth analysis of the RkNN join. While the problem of reverse nearest neighbor queries has received a vast amount of research interest, the problem of performing such queries in a bulk has not seen an in-depth analysis so far. We first formalize the RkNN join, identifying its monochromatic and bichromatic versions and their self-join variants. After pinpointing the monochromatic RkNN join as an important and interesting instance, we develop solutions for this class, including a self-pruning and a mutual pruning algorithm. We then evaluate these algorithms extensively on a variety of synthetic and real datasets. From this starting point of similarity queries on certain data we shift our focus to uncertain data, addressing nearest neighbor queries in uncertain spatio-temporal databases. Starting from the traditional definition of nearest neighbor queries and a data model for uncertain spatio-temporal data, we develop efficient query mechanisms that consider temporal dependencies during query evaluation. We define intuitive query semantics, aiming not only at returning the objects closest to the query but also their probability of being a nearest neighbor. After theoretically evaluating these query predicates we develop efficient querying algorithms for the proposed query predicates. Given the findings of this research on nearest neighbor queries, we extend these results to reverse nearest neighbor queries. Finally we address the problem of querying large datasets containing set-based objects, namely image databases, where images are represented by (multi-)sets of vectors and additional metadata describing the position of features in the image. We aim at reducing the number of kNN queries performed during query processing and evaluate a modified pipeline that aims at optimizing the query accuracy at a small number of kNN queries. Additionally, as feature representations in object recognition are moving more and more from the real-valued domain to the binary domain, we evaluate efficient indexing techniques for binary feature vectors.Nicht nur durch die Verbreitung von tragbaren Computern, die mit einer Vielzahl von Sensoren wie GPS oder Kameras ausgestattet sind, sondern auch durch die breite Nutzung von Microblogging-Plattformen, Social-Media Websites und digitale Marktplätze wie Amazon und Ebay wird durch die User eine gigantische Menge an Daten veröffentlicht. Um aus diesen Daten einen Mehrwert erzeugen zu können bedarf es effizienter und effektiver Algorithmen zur Ähnlichkeitssuche, die zu einem gegebenen Anfrageobjekt ähnliche Objekte in einer Datenbank identifiziert. Durch die Allgemeinheit dieses Konzeptes der Ähnlichkeit über unterschiedliche Datentypen und Anwendungen hinweg hat sich die Ähnlichkeitssuche zu einem wichtigen Forschungsfeld, nicht nur im Datenbankumfeld oder im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken, sondern auch in anderen Forschungsgebieten wie dem Information Retrieval oder dem Maschinellen Sehen entwickelt. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit einem speziellen Anfrageprädikat im Bereich der Ähnlichkeitsanfragen, mit k-nächste Nachbarn (kNN) Anfragen und ihrem Verwandten, den Revers k-nächsten Nachbarn (RkNN) Anfragen. In einem ersten Beitrag analysieren wir den RkNN Join. Obwohl das Problem von reverse nächsten Nachbar Anfragen in den letzten Jahren eine breite Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft erfahren hat, wurde das Problem eine Menge von RkNN Anfragen gleichzeitig auszuführen nicht ausreichend analysiert. Aus diesem Grund formalisieren wir das Problem des RkNN Joins mit seinen monochromatischen und bichromatischen Varianten. Wir identifizieren den monochromatischen RkNN Join als einen wichtigen und interessanten Fall und entwickeln entsprechende Anfragealgorithmen. In einer detaillierten Evaluation vergleichen wir die ausgearbeiteten Verfahren auf einer Vielzahl von synthetischen und realen Datensätzen. Nach diesem Kapitel über Ähnlichkeitssuche auf sicheren Daten konzentrieren wir uns auf unsichere Daten, speziell im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken. Ausgehend von der traditionellen Definition von Nachbarschaftsanfragen und einem Datenmodell für unsichere raum-zeitliche Daten entwickeln wir effiziente Anfrageverfahren, die zeitliche Abhängigkeiten bei der Anfragebearbeitung beachten. Zu diesem Zweck definieren wir Anfrageprädikate die nicht nur die Objekte zurückzugeben, die dem Anfrageobjekt am nächsten sind, sondern auch die Wahrscheinlichkeit mit der sie ein nächster Nachbar sind. Wir evaluieren die definierten Anfrageprädikate theoretisch und entwickeln effiziente Anfragestrategien, die eine Anfragebearbeitung zu vertretbaren Laufzeiten gewährleisten. Ausgehend von den Ergebnissen für Nachbarschaftsanfragen erweitern wir unsere Ergebnisse auf Reverse Nachbarschaftsanfragen. Zuletzt behandeln wir das Problem der Anfragebearbeitung bei Mengen-basierten Objekten, die zum Beispiel in Bilddatenbanken Verwendung finden: Oft werden Bilder durch eine Menge von Merkmalsvektoren und zusätzliche Metadaten (zum Beispiel die Position der Merkmale im Bild) dargestellt. Wir evaluieren eine modifizierte Pipeline, die darauf abzielt, die Anfragegenauigkeit bei einer kleinen Anzahl an kNN-Anfragen zu maximieren. Da reellwertige Merkmalsvektoren im Bereich der Objekterkennung immer öfter durch Bitvektoren ersetzt werden, die sich durch einen geringeren Speicherplatzbedarf und höhere Laufzeiteffizienz auszeichnen, evaluieren wir außerdem Indexierungsverfahren für Binärvektoren

Complex queries and complex data

With the widespread availability of wearable computers, equipped with sensors such as GPS or cameras, and with the ubiquitous presence of micro-blogging platforms, social media sites and digital marketplaces, data can be collected and shared on a massive scale. A necessary building block for taking advantage from this vast amount of information are efficient and effective similarity search algorithms that are able to find objects in a database which are similar to a query object. Due to the general applicability of similarity search over different data types and applications, the formalization of this concept and the development of strategies for evaluating similarity queries has evolved to an important field of research in the database community, spatio-temporal database community, and others, such as information retrieval and computer vision. This thesis concentrates on a special instance of similarity queries, namely k-Nearest Neighbor (kNN) Queries and their close relative, Reverse k-Nearest Neighbor (RkNN) Queries. As a first contribution we provide an in-depth analysis of the RkNN join. While the problem of reverse nearest neighbor queries has received a vast amount of research interest, the problem of performing such queries in a bulk has not seen an in-depth analysis so far. We first formalize the RkNN join, identifying its monochromatic and bichromatic versions and their self-join variants. After pinpointing the monochromatic RkNN join as an important and interesting instance, we develop solutions for this class, including a self-pruning and a mutual pruning algorithm. We then evaluate these algorithms extensively on a variety of synthetic and real datasets. From this starting point of similarity queries on certain data we shift our focus to uncertain data, addressing nearest neighbor queries in uncertain spatio-temporal databases. Starting from the traditional definition of nearest neighbor queries and a data model for uncertain spatio-temporal data, we develop efficient query mechanisms that consider temporal dependencies during query evaluation. We define intuitive query semantics, aiming not only at returning the objects closest to the query but also their probability of being a nearest neighbor. After theoretically evaluating these query predicates we develop efficient querying algorithms for the proposed query predicates. Given the findings of this research on nearest neighbor queries, we extend these results to reverse nearest neighbor queries. Finally we address the problem of querying large datasets containing set-based objects, namely image databases, where images are represented by (multi-)sets of vectors and additional metadata describing the position of features in the image. We aim at reducing the number of kNN queries performed during query processing and evaluate a modified pipeline that aims at optimizing the query accuracy at a small number of kNN queries. Additionally, as feature representations in object recognition are moving more and more from the real-valued domain to the binary domain, we evaluate efficient indexing techniques for binary feature vectors.Nicht nur durch die Verbreitung von tragbaren Computern, die mit einer Vielzahl von Sensoren wie GPS oder Kameras ausgestattet sind, sondern auch durch die breite Nutzung von Microblogging-Plattformen, Social-Media Websites und digitale Marktplätze wie Amazon und Ebay wird durch die User eine gigantische Menge an Daten veröffentlicht. Um aus diesen Daten einen Mehrwert erzeugen zu können bedarf es effizienter und effektiver Algorithmen zur Ähnlichkeitssuche, die zu einem gegebenen Anfrageobjekt ähnliche Objekte in einer Datenbank identifiziert. Durch die Allgemeinheit dieses Konzeptes der Ähnlichkeit über unterschiedliche Datentypen und Anwendungen hinweg hat sich die Ähnlichkeitssuche zu einem wichtigen Forschungsfeld, nicht nur im Datenbankumfeld oder im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken, sondern auch in anderen Forschungsgebieten wie dem Information Retrieval oder dem Maschinellen Sehen entwickelt. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit einem speziellen Anfrageprädikat im Bereich der Ähnlichkeitsanfragen, mit k-nächste Nachbarn (kNN) Anfragen und ihrem Verwandten, den Revers k-nächsten Nachbarn (RkNN) Anfragen. In einem ersten Beitrag analysieren wir den RkNN Join. Obwohl das Problem von reverse nächsten Nachbar Anfragen in den letzten Jahren eine breite Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft erfahren hat, wurde das Problem eine Menge von RkNN Anfragen gleichzeitig auszuführen nicht ausreichend analysiert. Aus diesem Grund formalisieren wir das Problem des RkNN Joins mit seinen monochromatischen und bichromatischen Varianten. Wir identifizieren den monochromatischen RkNN Join als einen wichtigen und interessanten Fall und entwickeln entsprechende Anfragealgorithmen. In einer detaillierten Evaluation vergleichen wir die ausgearbeiteten Verfahren auf einer Vielzahl von synthetischen und realen Datensätzen. Nach diesem Kapitel über Ähnlichkeitssuche auf sicheren Daten konzentrieren wir uns auf unsichere Daten, speziell im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken. Ausgehend von der traditionellen Definition von Nachbarschaftsanfragen und einem Datenmodell für unsichere raum-zeitliche Daten entwickeln wir effiziente Anfrageverfahren, die zeitliche Abhängigkeiten bei der Anfragebearbeitung beachten. Zu diesem Zweck definieren wir Anfrageprädikate die nicht nur die Objekte zurückzugeben, die dem Anfrageobjekt am nächsten sind, sondern auch die Wahrscheinlichkeit mit der sie ein nächster Nachbar sind. Wir evaluieren die definierten Anfrageprädikate theoretisch und entwickeln effiziente Anfragestrategien, die eine Anfragebearbeitung zu vertretbaren Laufzeiten gewährleisten. Ausgehend von den Ergebnissen für Nachbarschaftsanfragen erweitern wir unsere Ergebnisse auf Reverse Nachbarschaftsanfragen. Zuletzt behandeln wir das Problem der Anfragebearbeitung bei Mengen-basierten Objekten, die zum Beispiel in Bilddatenbanken Verwendung finden: Oft werden Bilder durch eine Menge von Merkmalsvektoren und zusätzliche Metadaten (zum Beispiel die Position der Merkmale im Bild) dargestellt. Wir evaluieren eine modifizierte Pipeline, die darauf abzielt, die Anfragegenauigkeit bei einer kleinen Anzahl an kNN-Anfragen zu maximieren. Da reellwertige Merkmalsvektoren im Bereich der Objekterkennung immer öfter durch Bitvektoren ersetzt werden, die sich durch einen geringeren Speicherplatzbedarf und höhere Laufzeiteffizienz auszeichnen, evaluieren wir außerdem Indexierungsverfahren für Binärvektoren

Searching to Translate and Translating to Search: When Information Retrieval Meets Machine Translation

With the adoption of web services in daily life, people have access to tremendous amounts of information, beyond any human's reading and comprehension capabilities. As a result, search technologies have become a fundamental tool for accessing information. Furthermore, the web contains information in multiple languages, introducing another barrier between people and information. Therefore, search technologies need to handle content written in multiple languages, which requires techniques to account for the linguistic differences. Information Retrieval (IR) is the study of search techniques, in which the task is to find material relevant to a given information need. Cross-Language Information Retrieval (CLIR) is a special case of IR when the search takes place in a multi-lingual collection. Of course, it is not helpful to retrieve content in languages the user cannot understand. Machine Translation (MT) studies the translation of text from one language into another efficiently (within a reasonable amount of time) and effectively (fluent and retaining the original meaning), which helps people understand what is being written, regardless of the source language. Putting these together, we observe that search and translation technologies are part of an important user application, calling for a better integration of search (IR) and translation (MT), since these two technologies need to work together to produce high-quality output. In this dissertation, the main goal is to build better connections between IR and MT, for which we present solutions to two problems: Searching to translate explores approximate search techniques for extracting bilingual data from multilingual Wikipedia collections to train better translation models. Translating to search explores the integration of a modern statistical MT system into the cross-language search processes. In both cases, our best-performing approach yielded improvements over strong baselines for a variety of language pairs. Finally, we propose a general architecture, in which various components of IR and MT systems can be connected together into a feedback loop, with potential improvements to both search and translation tasks. We hope that the ideas presented in this dissertation will spur more interest in the integration of search and translation technologies

Arquitectura, técnicas y modelos para posibilitar la Ciencia de Datos en el Archivo de la Misión Gaia

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 26/05/2017.The massive amounts of data that the world produces every day pose new challenges to modern societies in terms of how to leverage their inherent value. Social networks, instant messaging, video, smart devices and scientific missions are just mere examples of the vast number of sources generating data every second. As the world becomes more and more digitalized, new needs arise for organizing, archiving, sharing, analyzing, visualizing and protecting the ever-increasing data sets, so that we can truly develop into a data-driven economy that reduces inefficiencies and increases sustainability, creating new business opportunities on the way. Traditional approaches for harnessing data are not suitable any more as they lack the means for scaling to the larger volumes in a timely and cost efficient manner. This has somehow changed with the advent of Internet companies like Google and Facebook, which have devised new ways of tackling this issue. However, the variety and complexity of the value chains in the private sector as well as the increasing demands and constraints in which the public one operates, needs an ongoing research that can yield newer strategies for dealing with data, facilitate the integration of providers and consumers of information, and guarantee a smooth and prompt transition when adopting these cutting-edge technological advances. This thesis aims at providing novel architectures and techniques that will help perform this transition towards Big Data in massive scientific archives. It highlights the common pitfalls that must be faced when embracing it and how to overcome them, especially when the data sets, their transformation pipelines and the tools used for the analysis are already present in the organizations. Furthermore, a new perspective for facilitating a smoother transition is laid out. It involves the usage of higher-level and use case specific frameworks and models, which will naturally bridge the gap between the technological and scientific domains. This alternative will effectively widen the possibilities of scientific archives and therefore will contribute to the reduction of the time to science. The research will be applied to the European Space Agency cornerstone mission Gaia, whose final data archive will represent a tremendous discovery potential. It will create the largest and most precise three dimensional chart of our galaxy (the Milky Way), providing unprecedented position, parallax and proper motion measurements for about one billion stars. The successful exploitation of this data archive will depend to a large degree on the ability to offer the proper architecture, i.e. infrastructure and middleware, upon which scientists will be able to do exploration and modeling with this huge data set. In consequence, the approach taken needs to enable data fusion with other scientific archives, as this will produce the synergies leading to an increment in scientific outcome, both in volume and in quality. The set of novel techniques and frameworks presented in this work addresses these issues by contextualizing them with the data products that will be generated in the Gaia mission. All these considerations have led to the foundations of the architecture that will be leveraged by the Science Enabling Applications Work Package. Last but not least, the effectiveness of the proposed solution will be demonstrated through the implementation of some ambitious statistical problems that will require significant computational capabilities, and which will use Gaia-like simulated data (the first Gaia data release has recently taken place on September 14th, 2016). These ambitious problems will be referred to as the Grand Challenge, a somewhat grandiloquent name that consists in inferring a set of parameters from a probabilistic point of view for the Initial Mass Function (IMF) and Star Formation Rate (SFR) of a given set of stars (with a huge sample size), from noisy estimates of their masses and ages respectively. This will be achieved by using Hierarchical Bayesian Modeling (HBM). In principle, the HBM can incorporate stellar evolution models to infer the IMF and SFR directly, but in this first step presented in this thesis, we will start with a somewhat less ambitious goal: inferring the PDMF and PDAD. Moreover, the performance and scalability analyses carried out will also prove the suitability of the models for the large amounts of data that will be available in the Gaia data archive.Las grandes cantidades de datos que se producen en el mundo diariamente plantean nuevos retos a la sociedad en términos de cómo extraer su valor inherente. Las redes sociales, mensajería instantánea, los dispositivos inteligentes y las misiones científicas son meros ejemplos del gran número de fuentes generando datos en cada momento. Al mismo tiempo que el mundo se digitaliza cada vez más, aparecen nuevas necesidades para organizar, archivar, compartir, analizar, visualizar y proteger la creciente cantidad de datos, para que podamos desarrollar economías basadas en datos e información que sean capaces de reducir las ineficiencias e incrementar la sostenibilidad, creando nuevas oportunidades de negocio por el camino. La forma en la que se han manejado los datos tradicionalmente no es la adecuada hoy en día, ya que carece de los medios para escalar a los volúmenes más grandes de datos de una forma oportuna y eficiente. Esto ha cambiado de alguna manera con la llegada de compañías que operan en Internet como Google o Facebook, ya que han concebido nuevas aproximaciones para abordar el problema. Sin embargo, la variedad y complejidad de las cadenas de valor en el sector privado y las crecientes demandas y limitaciones en las que el sector público opera, necesitan una investigación continua en la materia que pueda proporcionar nuevas estrategias para procesar las enormes cantidades de datos, facilitar la integración de productores y consumidores de información, y garantizar una transición rápida y fluida a la hora de adoptar estos avances tecnológicos innovadores. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar nuevas arquitecturas y técnicas que ayudarán a realizar esta transición hacia Big Data en archivos científicos masivos. La investigación destaca los escollos principales a encarar cuando se adoptan estas nuevas tecnologías y cómo afrontarlos, principalmente cuando los datos y las herramientas de transformación utilizadas en el análisis existen en la organización. Además, se exponen nuevas medidas para facilitar una transición más fluida. Éstas incluyen la utilización de software de alto nivel y específico al caso de uso en cuestión, que haga de puente entre el dominio científico y tecnológico. Esta alternativa ampliará de una forma efectiva las posibilidades de los archivos científicos y por tanto contribuirá a la reducción del tiempo necesario para generar resultados científicos a partir de los datos recogidos en las misiones de astronomía espacial y planetaria. La investigación se aplicará a la misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) Gaia, cuyo archivo final de datos presentará un gran potencial para el descubrimiento y hallazgo desde el punto de vista científico. La misión creará el catálogo en tres dimensiones más grande y preciso de nuestra galaxia (la Vía Láctea), proporcionando medidas sin precedente acerca del posicionamiento, paralaje y movimiento propio de alrededor de mil millones de estrellas. Las oportunidades para la explotación exitosa de este archivo de datos dependerán en gran medida de la capacidad de ofrecer la arquitectura adecuada, es decir infraestructura y servicios, sobre la cual los científicos puedan realizar la exploración y modelado con esta inmensa cantidad de datos. Por tanto, la estrategia a realizar debe ser capaz de combinar los datos con otros archivos científicos, ya que esto producirá sinergias que contribuirán a un incremento en la ciencia producida, tanto en volumen como en calidad de la misma. El conjunto de técnicas e infraestructuras innovadoras presentadas en este trabajo aborda estos problemas, contextualizándolos con los productos de datos que se generarán en la misión Gaia. Todas estas consideraciones han conducido a los fundamentos de la arquitectura que se utilizará en el paquete de trabajo de aplicaciones que posibilitarán la ciencia en el archivo de la misión Gaia (Science Enabling Applications). Por último, la eficacia de la solución propuesta se demostrará a través de la implementación de dos problemas estadísticos que requerirán cantidades significativas de cómputo, y que usarán datos simulados en el mismo formato en el que se producirán en el archivo de la misión Gaia (la primera versión de datos recogidos por la misión está disponible desde el día 14 de Septiembre de 2016). Estos ambiciosos problemas representan el Gran Reto (Grand Challenge), un nombre grandilocuente que consiste en inferir una serie de parámetros desde un punto de vista probabilístico para la función de masa inicial (Initial Mass Function) y la tasa de formación estelar (Star Formation Rate) dado un conjunto de estrellas (con una muestra grande), desde estimaciones con ruido de sus masas y edades respectivamente. Esto se abordará utilizando modelos jerárquicos bayesianos (Hierarchical Bayesian Modeling). Enprincipio,losmodelospropuestos pueden incorporar otros modelos de evolución estelar para inferir directamente la función de masa inicial y la tasa de formación estelar, pero en este primer paso presentado en esta tesis, empezaremos con un objetivo algo menos ambicioso: la inferencia de la función de masa y distribución de edades actual (Present-Day Mass Function y Present-Day Age Distribution respectivamente). Además, se llevará a cabo el análisis de rendimiento y escalabilidad para probar la idoneidad de la implementación de dichos modelos dadas las enormes cantidades de datos que estarán disponibles en el archivo de la misión Gaia...Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu

Tuning the Computational Effort: An Adaptive Accuracy-aware Approach Across System Layers

This thesis introduces a novel methodology to realize accuracy-aware systems, which will help designers integrate accuracy awareness into their systems. It proposes an adaptive accuracy-aware approach across system layers that addresses current challenges in that domain, combining and tuning accuracy-aware methods on different system layers. To widen the scope of accuracy-aware computing including approximate computing for other domains, this thesis presents innovative accuracy-aware methods and techniques for different system layers. The required tuning of the accuracy-aware methods is integrated into a configuration layer that tunes the available knobs of the accuracy-aware methods integrated into a system

Exploiting Spatio-Temporal Coherence for Video Object Detection in Robotics

This paper proposes a method to enhance video object detection for indoor environments in robotics. Concretely, it exploits knowledge about the camera motion between frames to propagate previously detected objects to successive frames. The proposal is rooted in the concepts of planar homography to propose regions of interest where to find objects, and recursive Bayesian filtering to integrate observations over time. The proposal is evaluated on six virtual, indoor environments, accounting for the detection of nine object classes over a total of ∼ 7k frames. Results show that our proposal improves the recall and the F1-score by a factor of 1.41 and 1.27, respectively, as well as it achieves a significant reduction of the object categorization entropy (58.8%) when compared to a two-stage video object detection method used as baseline, at the cost of small time overheads (120 ms) and precision loss (0.92).</p

A picture is worth a thousand words : content-based image retrieval techniques

In my dissertation I investigate techniques for improving the state of the art in content-based image retrieval. To place my work into context, I highlight the current trends and challenges in my field by analyzing over 200 recent articles. Next, I propose a novel paradigm called __artificial imagination__, which gives the retrieval system the power to imagine and think along with the user in terms of what she is looking for. I then introduce a new user interface for visualizing and exploring image collections, empowering the user to navigate large collections based on her own needs and preferences, while simultaneously providing her with an accurate sense of what the database has to offer. In the later chapters I present work dealing with millions of images and focus in particular on high-performance techniques that minimize memory and computational use for both near-duplicate image detection and web search. Finally, I show early work on a scene completion-based image retrieval engine, which synthesizes realistic imagery that matches what the user has in mind.LEI Universiteit LeidenNWOImagin