Analysis and use of the emotional context with wearable devices for games and intelligent assistants

In this paper, we consider the use of wearable sensors for providing affect-based adaptation in Ambient Intelligence (AmI) systems. We begin with discussion of selected issues regarding the applications of affective computing techniques. We describe our experiments for affect change detection with a range of wearable devices, such as wristbands and the BITalino platform, and discuss an original software solution, which we developed for this purpose. Furthermore, as a test-bed application for our work, we selected computer games. We discuss the state-of-the-art in affect-based adaptation in games, described in terms of the so-called affective loop. We present our original proposal of a conceptual design framework for games, called the affective game design patterns. As a proof-of-concept realization of this approach, we discuss some original game prototypes, which we have developed, involving emotion-based control and adaptation. Finally, we comment on a software framework, that we have previously developed, for context-aware systems which uses human emotional contexts. This framework provides means for implementing adaptive systems using mobile devices with wearable sensors

Flow-based reputation with uncertainty: Evidence-Based Subjective Logic

The concept of reputation is widely used as a measure of trustworthiness based on ratings from members in a community. The adoption of reputation systems, however, relies on their ability to capture the actual trustworthiness of a target. Several reputation models for aggregating trust information have been proposed in the literature. The choice of model has an impact on the reliability of the aggregated trust information as well as on the procedure used to compute reputations. Two prominent models are flow-based reputation (e.g., EigenTrust, PageRank) and Subjective Logic based reputation. Flow-based models provide an automated method to aggregate trust information, but they are not able to express the level of uncertainty in the information. In contrast, Subjective Logic extends probabilistic models with an explicit notion of uncertainty, but the calculation of reputation depends on the structure of the trust network and often requires information to be discarded. These are severe drawbacks. In this work, we observe that the `opinion discounting' operation in Subjective Logic has a number of basic problems. We resolve these problems by providing a new discounting operator that describes the flow of evidence from one party to another. The adoption of our discounting rule results in a consistent Subjective Logic algebra that is entirely based on the handling of evidence. We show that the new algebra enables the construction of an automated reputation assessment procedure for arbitrary trust networks, where the calculation no longer depends on the structure of the network, and does not need to throw away any information. Thus, we obtain the best of both worlds: flow-based reputation and consistent handling of uncertainties

The Role of preferences in logic programming: nonmonotonic reasoning, user preferences, decision under uncertainty

Intelligent systems that assist users in fulfilling complex tasks need a concise and processable representation of incomplete and uncertain information. In order to be able to choose among different options, these systems also need a compact and processable representation of the concept of preference. Preferences can provide an effective way to choose the best solutions to a given problem. These solutions can represent the most plausible states of the world when we model incomplete information, the most satisfactory states of the world when we express user preferences, or optimal decisions when we make decisions under uncertainty. Several domains, such as, reasoning under incomplete and uncertain information, user preference modeling, and qualitative decision making under uncertainty, have benefited from advances on preference representation. In the literature, several symbolic approaches of nonclassical reasoning have been proposed. Among them, logic programming under answer set semantics offers a good compromise between symbolic representation and computation of knowledge and several extensions for handling preferences. Nevertheless, there are still some open issues to be considered in logic programming. In nonmonotonic reasoning, first, most approaches assume that exceptions to logic program rules are already specified. However, sometimes, it is possible to consider implicit preferences based on the specificity of the rules to handle incomplete information. Secondly, the joint handling of exceptions and uncertainty has received little attention: when information is uncertain, the selection of default rules can be a matter of explicit preferences and uncertainty. In user preference modeling, although existing logic programming specifications allow to express user preferences which depend both on incomplete and contextual information, in some applications, some preferences in some context may be more important than others. Furthermore, more complex preference expressions need to be supported. In qualitative decision making under uncertainty, existing logic programming-based methodologies for making decisions seem to lack a satisfactory handling of preferences and uncertainty. The aim of this dissertation is twofold: 1) to tackle the role played by preferences in logic programming from different perspectives, and 2) to contribute to this novel field by proposing several frameworks and methods able to address the above issues. To this end, we will first show how preferences can be used to select default rules in logic programs in an implicit and explicit way. In particular, we propose (i) a method for selecting logic program rules based on specificity, and (ii) a framework for selecting uncertain default rules based on explicit preferences and the certainty of the rules. Then, we will see how user preferences can be modeled and processed in terms of a logic program (iii) in order to manage user profiles in a context-aware system and (iv) in order to propose a framework for the specification of nested (non-flat) preference expressions. Finally, in the attempt to bridge the gap between logic programming and qualitative decision under uncertainty, (v) we propose a classical- and a possibilistic-based logic programming methodology to compute an optimal decision when uncertainty and preferences are matters of degrees.Els sistemes intel.ligents que assisteixen a usuaris en la realització de tasques complexes necessiten una representació concisa i formal de la informació que permeti un raonament nomonòton en condicions d’incertesa. Per a poder escollir entre les diferents opcions, aquests sistemes solen necessitar una representació del concepte de preferència. Les preferències poden proporcionar una manera efectiva de triar entre les millors solucions a un problema. Aquestes solucions poden representar els estats del món més plausibles quan es tracta de modelar informació incompleta, els estats del món més satisfactori quan expressem preferències de l’usuari, o decisions òptimes quan estem parlant de presa de decisió incorporant incertesa. L’ús de les preferències ha beneficiat diferents dominis, com, el raonament en presència d’informació incompleta i incerta, el modelat de preferències d’usuari, i la presa de decisió sota incertesa. En la literatura, s’hi troben diferents aproximacions al raonament no clàssic basades en una representació simbòlica de la informació. Entre elles, l’enfocament de programació lògica, utilitzant la semàntica de answer set, ofereix una bona aproximació entre representació i processament simbòlic del coneixement, i diferents extensions per gestionar les preferències. No obstant això, en programació lògica es poden identificar diferents problemes pel que fa a la gestió de les preferències. Per exemple, en la majoria d’enfocaments de raonament no-monòton s’assumeix que les excepcions a default rules d’un programa lògic ja estan expressades. Però de vegades es poden considerar preferències implícites basades en l’especificitat de les regles per gestionar la informació incompleta. A més, quan la informació és també incerta, la selecció de default rules pot dependre de preferències explícites i de la incertesa. En el modelatge de preferències del usuari, encara que els formalismes existents basats en programació lògica permetin expressar preferències que depenen d’informació contextual i incompleta, en algunes aplicacions, donat un context, algunes preferències poden ser més importants que unes altres. Per tant, resulta d’interès un llenguatge que permeti capturar preferències més complexes. En la presa de decisions sota incertesa, les metodologies basades en programació lògica creades fins ara no ofereixen una solució del tot satisfactòria pel que fa a la gestió de les preferències i la incertesa. L’objectiu d’aquesta tesi és doble: 1) estudiar el paper de les preferències en la programació lògica des de diferents perspectives, i 2) contribuir a aquesta jove àrea d’investigació proposant diferents marcs teòrics i mètodes per abordar els problemes anteriorment citats. Per a aquest propòsit veurem com les preferències es poden utilitzar de manera implícita i explícita per a la selecció de default rules proposant: (i) un mètode basat en l’especificitat de les regles, que permeti seleccionar regles en un programa lògic; (ii) un marc teòric per a la selecció de default rules incertes basat en preferències explícites i la incertesa de les regles. També veurem com les preferències de l’usuari poden ser modelades i processades usant un enfocament de programació lògica (iii) que suporti la creació d’un mecanisme de gestió dels perfils dels usuaris en un sistema amb reconeixement del context; (iv) que permeti proposar un marc teòric capaç d’expressar preferències amb fòrmules imbricades. Per últim, amb l’objectiu de disminuir la distància entre programació lògica i la presa de decisió amb incertesa proposem (v) una metodologia basada en programació lògica clàssica i en una extensió de la programació lògica que incorpora lògica possibilística per modelar un problema de presa de decisions i per inferir una decisió òptima.Los sistemas inteligentes que asisten a usuarios en tareas complejas necesitan una representación concisa y procesable de la información que permita un razonamiento nomonótono e incierto. Para poder escoger entre las diferentes opciones, estos sistemas suelen necesitar una representación del concepto de preferencia. Las preferencias pueden proporcionar una manera efectiva para elegir entre las mejores soluciones a un problema. Dichas soluciones pueden representar los estados del mundo más plausibles cuando hablamos de representación de información incompleta, los estados del mundo más satisfactorios cuando hablamos de preferencias del usuario, o decisiones óptimas cuando estamos hablando de toma de decisión con incertidumbre. El uso de las preferencias ha beneficiado diferentes dominios, como, razonamiento en presencia de información incompleta e incierta, modelado de preferencias de usuario, y toma de decisión con incertidumbre. En la literatura, distintos enfoques simbólicos de razonamiento no clásico han sido creados. Entre ellos, la programación lógica con la semántica de answer set ofrece un buen acercamiento entre representación y procesamiento simbólico del conocimiento, y diferentes extensiones para manejar las preferencias. Sin embargo, en programación lógica se pueden identificar diferentes problemas con respecto al manejo de las preferencias. Por ejemplo, en la mayoría de enfoques de razonamiento no-monótono se asume que las excepciones a default rules de un programa lógico ya están expresadas. Pero, a veces se pueden considerar preferencias implícitas basadas en la especificidad de las reglas para manejar la información incompleta. Además, cuando la información es también incierta, la selección de default rules pueden depender de preferencias explícitas y de la incertidumbre. En el modelado de preferencias, aunque los formalismos existentes basados en programación lógica permitan expresar preferencias que dependen de información contextual e incompleta, in algunas aplicaciones, algunas preferencias en un contexto puede ser más importantes que otras. Por lo tanto, un lenguaje que permita capturar preferencias más complejas es deseable. En la toma de decisiones con incertidumbre, las metodologías basadas en programación lógica creadas hasta ahora no ofrecen una solución del todo satisfactoria al manejo de las preferencias y la incertidumbre. El objectivo de esta tesis es doble: 1) estudiar el rol de las preferencias en programación lógica desde diferentes perspectivas, y 2) contribuir a esta joven área de investigación proponiendo diferentes marcos teóricos y métodos para abordar los problemas anteriormente citados. Para este propósito veremos como las preferencias pueden ser usadas de manera implícita y explícita para la selección de default rules proponiendo: (i) un método para seleccionar reglas en un programa basado en la especificad de las reglas; (ii) un marco teórico para la selección de default rules basado en preferencias explícitas y incertidumbre. También veremos como las preferencias del usuario pueden ser modeladas y procesadas usando un enfoque de programación lógica (iii) para crear un mecanismo de manejo de los perfiles de los usuarios en un sistema con reconocimiento del contexto; (iv) para crear un marco teórico capaz de expresar preferencias con formulas anidadas. Por último, con el objetivo de disminuir la distancia entre programación lógica y la toma de decisión con incertidumbre proponemos (v) una metodología para modelar un problema de toma de decisiones y para inferir una decisión óptima usando un enfoque de programación lógica clásica y uno de programación lógica extendida con lógica posibilística.Sistemi intelligenti, destinati a fornire supporto agli utenti in processi decisionali complessi, richiedono una rappresentazione dell’informazione concisa, formale e che permetta di ragionare in maniera non monotona e incerta. Per poter scegliere tra le diverse opzioni, tali sistemi hanno bisogno di disporre di una rappresentazione del concetto di preferenza altrettanto concisa e formale. Le preferenze offrono una maniera efficace per scegliere le miglior soluzioni di un problema. Tali soluzioni possono rappresentare gli stati del mondo più credibili quando si tratta di ragionamento non monotono, gli stati del mondo più soddisfacenti quando si tratta delle preferenze degli utenti, o le decisioni migliori quando prendiamo una decisione in condizioni di incertezza. Diversi domini come ad esempio il ragionamento non monotono e incerto, la strutturazione del profilo utente, e i modelli di decisione in condizioni d’incertezza hanno tratto beneficio dalla rappresentazione delle preferenze. Nella bibliografia disponibile si possono incontrare diversi approcci simbolici al ragionamento non classico. Tra questi, la programmazione logica con answer set semantics offre un buon compromesso tra rappresentazione simbolica e processamento dell’informazione, e diversi estensioni per la gestione delle preferenze sono state proposti in tal senso. Nonostante ció, nella programmazione logica esistono ancora delle problematiche aperte. Prima di tutto, nella maggior parte degli approcci al ragionamento non monotono, si suppone che nel programma le eccezioni alle regole siano già specificate. Tuttavia, a volte per trattare l’informazione incompleta è possibile prendere in considerazione preferenze implicite basate sulla specificità delle regole. In secondo luogo, la gestione congiunta di eccezioni e incertezza ha avuto scarsa attenzione: quando l’informazione è incerta, la scelta di default rule può essere una questione di preferenze esplicite e d’incertezza allo stesso tempo. Nella creazione di preferenze dell’utente, anche se le specifiche di programmazione logica esistenti permettono di esprimere preferenze che dipendono sia da un’informazione incompleta che da una contestuale, in alcune applicazioni talune preferenze possono essere più importanti di altre, o espressioni più complesse devono essere supportate. In un processo decisionale con incertezza, le metodologie basate sulla programmazione logica viste sinora, non offrono una gestione soddisfacente delle preferenze e dell’incertezza. Lo scopo di questa dissertazione è doppio: 1) chiarire il ruolo che le preferenze giocano nella programmazione logica da diverse prospettive e 2) contribuire proponendo in questo nuovo settore di ricerca, diversi framework e metodi in grado di affrontare le citate problematiche. Per prima cosa, dimostreremo come le preferenze possono essere usate per selezionare default rule in un programma in maniera implicita ed esplicita. In particolare proporremo: (i) un metodo per la selezione delle regole di un programma logico basato sulla specificità dell’informazione; (ii) un framework per la selezione di default rule basato sulle preferenze esplicite e sull’incertezza associata alle regole del programma. Poi, vedremo come le preferenze degli utenti possono essere modellate attraverso un programma logico, (iii) per creare il profilo dell’utente in un sistema context-aware, e (iv) per proporre un framework che supporti la definizione di preferenze complesse. Infine, per colmare le lacune in programmazione logica applicata a un processo di decisione con incertezza (v) proporremo una metodologia basata sulla programmazione logica classica e una metodologia basata su un’estensione della programmazione logica con logica possibilistica

Uncertainty modeling in higher dimensions

Moderne Design Probleme stellen Ingenieure vor mehrere elementare Aufgaben. 1) Das Design muss die angestrebten Funktionalitäten aufweisen. 2) Es muss optimal sein in Hinsicht auf eine vorgegebene Zielfunktion. 3) Schließlich muss das Design abgesichert sein gegen Unsicherheiten, die nicht zu Versagen des Designs führen dürfen. All diese Aufgaben lassen sich unter dem Begriff der robusten Design Optimierung zusammenfassen und verlangen nach computergestützten Methoden, die Unsicherheitsmodellierung und Design Optimierung in sich vereinen. Unsicherheitsmodellierung enthält einige fundamentale Herausforderungen: Der Rechenaufwand darf gewisse Grenzen nicht überschreiten; unbegründete Annahmen müssen so weit wie möglich vermieden werden. Die beiden kritischsten Probleme betreffen allerdings den Umgang mit unvollständiger stochastischer Information und mit hoher Dimensionalität. Der niedrigdimensionale Fall ist gut erforscht, und es existieren diverse Methoden, auch unvollständige Informationen zu verarbeiten. In höheren Dimensionen hingegen ist die Anzahl der Möglichkeiten derzeit sehr begrenzt. Ungenauigkeit und Unvollständigkeit von Daten kann schwerwiegende Probleme verursachen - aber die Lage ist nicht hoffnungslos. In dieser Dissertation zeigen wir, wie man den hochdimensionalen Fall mit Hilfe von "Potential Clouds" in ein eindimensionales Problem übersetzt. Dieser Ansatz führt zu einer Unsicherheitsanalyse auf Konfidenzregionen relevanter Szenarien mittels einer Potential Funktion. Die Konfidenzregionen werden als Nebenbedingungen in einem Design Optimierungsproblem formuliert. Auf diese Weise verknüpfen wir Unsicherheitsmodellierung und Design Optimierung, wobei wir außerdem eine adaptive Aktualisierung der Unsicherheitsinformationen ermöglichen. Abschließend wenden wir unsere Methode in zwei Fallstudien an, in 24, bzw. in 34 Dimensionen.Modern design problems impose multiple major tasks an engineer has to accomplish. 1) The design should account for the designated functionalities. 2) It should be optimal with respect to a given design objective. 3) Ultimately the design must be safeguarded against uncertain perturbations which should not cause failure of the design. These tasks are united in the problem of robust design optimization giving rise to the development of computational methods for uncertainty modeling and design optimization, simultaneously. Methods for uncertainty modeling face some fundamental challenges: The computational effort should not exceed certain limitations; unjustified assumptions must be avoided as far as possible. However, the most critical issues concern the handling of incomplete information and of high dimensionality. While the low dimensional case is well studied and several methods exist to handle incomplete information, in higher dimensions there are only very few techniques. Imprecision and lack of sufficient information cause severe difficulties - but the situation is not hopeless. In this dissertation, it is shown how to transfer the high-dimensional to the one-dimensional case by means of the potential clouds formalism. Using a potential function, this enables a worst-case analysis on confidence regions of relevant scenarios. The confidence regions are weaved into an optimization problem formulation for robust design as safety constraints. Thus an interaction between optimization phase and worst-case analysis is modeled which permits a posteriori adaptive information updating. Finally, we apply our approach in two case studies in 24 and 34 dimensions, respectively