Similarity processing in multi-observation data

Many real-world application domains such as sensor-monitoring systems for environmental research or medical diagnostic systems are dealing with data that is represented by multiple observations. In contrast to single-observation data, where each object is assigned to exactly one occurrence, multi-observation data is based on several occurrences that are subject to two key properties: temporal variability and uncertainty. When defining similarity between data objects, these properties play a significant role. In general, methods designed for single-observation data hardly apply for multi-observation data, as they are either not supported by the data models or do not provide sufficiently efficient or effective solutions. Prominent directions incorporating the key properties are the fields of time series, where data is created by temporally successive observations, and uncertain data, where observations are mutually exclusive. This thesis provides research contributions for similarity processing - similarity search and data mining - on time series and uncertain data. The first part of this thesis focuses on similarity processing in time series databases. A variety of similarity measures have recently been proposed that support similarity processing w.r.t. various aspects. In particular, this part deals with time series that consist of periodic occurrences of patterns. Examining an application scenario from the medical domain, a solution for activity recognition is presented. Finally, the extraction of feature vectors allows the application of spatial index structures, which support the acceleration of search and mining tasks resulting in a significant efficiency gain. As feature vectors are potentially of high dimensionality, this part introduces indexing approaches for the high-dimensional space for the full-dimensional case as well as for arbitrary subspaces. The second part of this thesis focuses on similarity processing in probabilistic databases. The presence of uncertainty is inherent in many applications dealing with data collected by sensing devices. Often, the collected information is noisy or incomplete due to measurement or transmission errors. Furthermore, data may be rendered uncertain due to privacy-preserving issues with the presence of confidential information. This creates a number of challenges in terms of effectively and efficiently querying and mining uncertain data. Existing work in this field either neglects the presence of dependencies or provides only approximate results while applying methods designed for certain data. Other approaches dealing with uncertain data are not able to provide efficient solutions. This part presents query processing approaches that outperform existing solutions of probabilistic similarity ranking. This part finally leads to the application of the introduced techniques to data mining tasks, such as the prominent problem of probabilistic frequent itemset mining.Viele Anwendungsgebiete, wie beispielsweise die Umweltforschung oder die medizinische Diagnostik, nutzen Systeme der Sensorüberwachung. Solche Systeme müssen oftmals in der Lage sein, mit Daten umzugehen, welche durch mehrere Beobachtungen repräsentiert werden. Im Gegensatz zu Daten mit nur einer Beobachtung (Single-Observation Data) basieren Daten aus mehreren Beobachtungen (Multi-Observation Data) auf einer Vielzahl von Beobachtungen, welche zwei Schlüsseleigenschaften unterliegen: Zeitliche Veränderlichkeit und Datenunsicherheit. Im Bereich der Ähnlichkeitssuche und im Data Mining spielen diese Eigenschaften eine wichtige Rolle. Gängige Lösungen in diesen Bereichen, die für Single-Observation Data entwickelt wurden, sind in der Regel für den Umgang mit mehreren Beobachtungen pro Objekt nicht anwendbar. Der Grund dafür liegt darin, dass diese Ansätze entweder nicht mit den Datenmodellen vereinbar sind oder keine Lösungen anbieten, die den aktuellen Ansprüchen an Lösungsqualität oder Effizienz genügen. Bekannte Forschungsrichtungen, die sich mit Multi-Observation Data und deren Schlüsseleigenschaften beschäftigen, sind die Analyse von Zeitreihen und die Ähnlichkeitssuche in probabilistischen Datenbanken. Während erstere Richtung eine zeitliche Ordnung der Beobachtungen eines Objekts voraussetzt, basieren unsichere Datenobjekte auf Beobachtungen, die sich gegenseitig bedingen oder ausschließen. Diese Dissertation umfasst aktuelle Forschungsbeiträge aus den beiden genannten Bereichen, wobei Methoden zur Ähnlichkeitssuche und zur Anwendung im Data Mining vorgestellt werden. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Ähnlichkeitssuche und Data Mining in Zeitreihendatenbanken. Insbesondere werden Zeitreihen betrachtet, welche aus periodisch auftretenden Mustern bestehen. Im Kontext eines medizinischen Anwendungsszenarios wird ein Ansatz zur Aktivitätserkennung vorgestellt. Dieser erlaubt mittels Merkmalsextraktion eine effiziente Speicherung und Analyse mit Hilfe von räumlichen Indexstrukturen. Für den Fall hochdimensionaler Merkmalsvektoren stellt dieser Teil zwei Indexierungsmethoden zur Beschleunigung von ähnlichkeitsanfragen vor. Die erste Methode berücksichtigt alle Attribute der Merkmalsvektoren, während die zweite Methode eine Projektion der Anfrage auf eine benutzerdefinierten Unterraum des Vektorraums erlaubt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Ähnlichkeitssuche im Kontext probabilistischer Datenbanken behandelt. Daten aus Sensormessungen besitzen häufig Eigenschaften, die einer gewissen Unsicherheit unterliegen. Aufgrund von Mess- oder übertragungsfehlern sind gemessene Werte oftmals unvollständig oder mit Rauschen behaftet. In diversen Szenarien, wie beispielsweise mit persönlichen oder medizinisch vertraulichen Daten, können Daten auch nachträglich von Hand verrauscht werden, so dass eine genaue Rekonstruktion der ursprünglichen Informationen nicht möglich ist. Diese Gegebenheiten stellen Anfragetechniken und Methoden des Data Mining vor einige Herausforderungen. In bestehenden Forschungsarbeiten aus dem Bereich der unsicheren Datenbanken werden diverse Probleme oftmals nicht beachtet. Entweder wird die Präsenz von Abhängigkeiten ignoriert, oder es werden lediglich approximative Lösungen angeboten, welche die Anwendung von Methoden für sichere Daten erlaubt. Andere Ansätze berechnen genaue Lösungen, liefern die Antworten aber nicht in annehmbarer Laufzeit zurück. Dieser Teil der Arbeit präsentiert effiziente Methoden zur Beantwortung von Ähnlichkeitsanfragen, welche die Ergebnisse absteigend nach ihrer Relevanz, also eine Rangliste der Ergebnisse, zurückliefern. Die angewandten Techniken werden schließlich auf Problemstellungen im probabilistischen Data Mining übertragen, um beispielsweise das Problem des Frequent Itemset Mining unter Berücksichtigung des vollen Gehalts an Unsicherheitsinformation zu lösen

Coping With New Challengens for Density-Based Clustering

Knowledge Discovery in Databases (KDD) is the non-trivial process of identifying valid, novel, potentially useful, and ultimately understandable patterns in data. The core step of the KDD process is the application of a Data Mining algorithm in order to produce a particular enumeration of patterns and relationships in large databases. Clustering is one of the major data mining tasks and aims at grouping the data objects into meaningful classes (clusters) such that the similarity of objects within clusters is maximized, and the similarity of objects from different clusters is minimized. Beside many others, the density-based clustering notion underlying the algorithm DBSCAN and its hierarchical extension OPTICS has been proposed recently, being one of the most successful approaches to clustering. In this thesis, our aim is to advance the state-of-the-art clustering, especially density-based clustering by identifying novel challenges for density-based clustering and proposing innovative and solid solutions for these challenges. We describe the development of the industrial prototype BOSS (Browsing OPTICS plots for Similarity Search) which is a first step towards developing a comprehensive, scalable and distributed computing solution designed to make the efficiency and analytical capabilities of OPTICS available to a broader audience. For the development of BOSS, several key enhancements of OPTICS are required which are addressed in this thesis. We develop incremental algorithms of OPTICS to efficiently reconstruct the hierarchical clustering structure in frequently updated databases, in particular, when a set of objects is inserted in or deleted from the database. We empirically show that these incremental algorithms yield significant speed-up factors over the original OPTICS algorithm. Furthermore, we propose a novel algorithm for automatic extraction of clusters from hierarchical clustering representations that outperforms comparative methods, and introduce two novel approaches for selecting meaningful representatives, using the density-based concepts of OPTICS and producing better results than the related medoid approach. Another major challenge for density-based clustering is to cope with high dimensional data. Many today's real-world data sets contain a large number of measurements (or features) for a single data object. Usually, global feature reduction techniques cannot be applied to these data sets. Thus, the task of feature selection must be combined with and incooperated into the clustering process. In this thesis, we present original extensions and enhancements of the density-based clustering notion to cope with high dimensional data. In particular, we propose an algorithm called SUBCLU (density based SUBspace CLUstering) that extends DBSCAN to the problem of subspace clustering. SUBCLU efficiently computes all clusters that would have been found if DBSCAN is applied to all possible subspaces of the feature space. An experimental evaluation on real-world data sets illustrates that SUBCLU is more effective than existing subspace clustering algorithms because it is able to find clusters of arbitrary size and shape, and produces determine results. A semi-hierarchical extension of SUBCLU called RIS (Ranking Interesting Subspaces) is proposed that does not compute the subspace clusters directly, but generates a list of subspaces ranked by their clustering characteristics. A hierarchical clustering algorithm can be applied to these interesting subspaces in order to compute a hierarchical (subspace) clustering. A comparative evaluation of RIS and SUBCLU shows that RIS in combination with OPTICS can achieve an information gain over SUBCLU. In addition, we propose the algorithm 4C (Computing Correlation Connected Clusters) that extends the concepts of DBSCAN to compute density-based correlation clusters. 4C benefits from an innovative, well-defined and effective clustering model, outperforming related approaches in terms of clustering quality on real-world data sets.Knowledge Discovery in Databases (KDD) ist der Prozess der (semi-)automatischen Extraktion von Wissen aus Datenbanken, das gültig, bisher unbekannt und potentiell nützlich für eine gegebene Anwendung ist. Der zentrale Schritt des KDD-Prozesses ist das Data Mining. Eine der wichtigsten Aufgaben des Data Mining ist Clustering. Dabei sollen die Objekte einer Datenbank in Gruppen (Cluster) partitioniert werden, so dass Objekte eines Clusters möglichst ähnlich und Objekte verschiedener Cluster möglichst unähnlich zu einander sind. Das dichtebasierte Clustermodell und die darauf aufbauenden Algorithmen DBSCAN und OPTICS sind unter einer Vielzahl anderer Clustering-Ansätze eine der erfolgreichsten Methoden zum Clustering. Im Rahmen dieser Dissertation wollen wir den aktuellen Stand der Technik im Bereich Clustering und speziell im Bereich dichtebasiertes Clustering voranbringen. Dazu erarbeiten wir neue Herausforderungen für das dichtebasierte Clustermodell und schlagen dazu innovative Lösungen vor. Zunächst steht die Entwicklung des industriellen Prototyps BOSS (Browsing OPTICS plots for Similarity Search) im Mittelpunkt dieser Arbeit. BOSS ist ein erster Beitrag zu einer umfassenden, skalierbaren und verteilten Softwarelösung, die eine Nutzung der Effizienzvorteile und die analytischen Möglichkeiten des dichtebasierten, hierarchischen Clustering-Algorithmus OPTICS für ein breites Publikum ermöglichen. Zur Entwicklung von BOSS werden drei entscheidende Erweiterungen von OPTICS benötigt: Wir entwickeln eine inkrementelle Version von OPTICS um nach einem Update der Datenbank (Einfügen/Löschen einer Menge von Objekten) die hierarchische Clustering Struktur effizient zu reorganisieren. Anhand von Experimenten mit synthetischen und realen Daten zeigen wir, dass die vorgeschlagenen, inkrementellen Algorithmen deutliche Beschleunigungsfaktoren gegenüber dem originalen OPTICS-Algorithmus erzielen. Desweiteren schlagen wir einen neuen Algorithmus zur automatischen Clusterextraktion aus hierarchischen Repräsentationen und zwei innovative Methoden zur automatischen Auswahl geeigneter Clusterrepräsentaten vor. Unsere neuen Techniken erzielen bei Tests auf mehreren realen Datenbanken im Vergleich zu den konkurrierenden Verfahren bessere Ergebnisse. Eine weitere Herausforderung für Clustering-Verfahren stellen hochdimensionale Featureräume dar. Reale Datensätze beinhalten dank moderner Verfahren zur Datenerhebung häufig sehr viele Merkmale. Teile dieser Merkmale unterliegen oft Rauschen oder Abhängigkeiten und können meist nicht im Vorfeld ausgesiebt werden, da diese Effekte jeweils in Teilen der Datenbank unterschiedlich ausgeprägt sind. Daher muss die Wahl der Features mit dem Data-Mining-Verfahren verknüpft werden. Im Rahmen dieser Arbeit stellen wir innovative Erweiterungen des dichtebasierten Clustermodells für hochdimensionale Daten vor. Wir entwickeln SUBCLU (dichtebasiertes SUBspace CLUstering), ein auf DBSCAN basierender Subspace Clustering Algorithmus. SUBCLU erzeugt effizient alle Cluster, die gefunden werden, wenn man DBSCAN auf alle möglichen Teilräume des Datensatzes anwendet. Experimente auf realen Daten zeigen, dass SUBCLU effektiver als vergleichbare Algorithmen ist. RIS (Ranking Interesting Subspaces), eine semi-hierarchische Erweiterung von SUBCLU, wird vorgeschlagen, das nicht mehr direkt die Teilraumcluster berechnet, sondern eine Liste von Teilräumen geordnet anhand ihrer Clustering-Qualität erzeugt. Dadurch können hierarchische Partitionierungen auf ausgewählten Teilräumen erzeugt werden. Experimente belegen, dass RIS in Kombination mit OPTICS ein Informationsgewinn gegenüber SUBCLU erreicht. Außerdem stellen wir den neuartigen Korrelationscluster Algorithmus 4C (Computing Correlation Connected Clusters) vor. 4C basiert auf einem innovativen und wohldefinierten Clustermodell und erzielt in unseren Experimenten mit realen Daten bessere Ergebnisse als vergleichbare Clustering-Ansätze

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

MirBot: A collaborative object recognition system for smartphones using convolutional neural networks

MirBot is a collaborative application for smartphones that allows users to perform object recognition. This app can be used to take a photograph of an object, select the region of interest and obtain the most likely class (dog, chair, etc.) by means of similarity search using features extracted from a convolutional neural network (CNN). The answers provided by the system can be validated by the user so as to improve the results for future queries. All the images are stored together with a series of metadata, thus enabling a multimodal incremental dataset labeled with synset identifiers from the WordNet ontology. This dataset grows continuously thanks to the users' feedback, and is publicly available for research. This work details the MirBot object recognition system, analyzes the statistics gathered after more than four years of usage, describes the image classification methodology, and performs an exhaustive evaluation using handcrafted features, convolutional neural codes and different transfer learning techniques. After comparing various models and transformation methods, the results show that the CNN features maintain the accuracy of MirBot constant over time, despite the increasing number of new classes. The app is freely available at the Apple and Google Play stores.Comment: Accepted in Neurocomputing, 201

Vector database management systems: Fundamental concepts, use-cases, and current challenges

Vector database management systems have emerged as an important component in modern data management, driven by the growing importance for the need to computationally describe rich data such as texts, images and video in various domains such as recommender systems, similarity search, and chatbots. These data descriptions are captured as numerical vectors that are computationally inexpensive to store and compare. However, the unique characteristics of vectorized data, including high dimensionality and sparsity, demand specialized solutions for efficient storage, retrieval, and processing. This study provides an accessible introduction to the fundamental concepts, use-cases, and current challenges associated with vector database management systems, offering an overview for researchers and practitioners seeking to explore this burgeoning technology aimed to facilitate effective vector data management.Comment: 12 pages, 5 figure

Ranked Spatial-keyword Search over Web-accessible Geotagged Data: State of the Art

Search engines, such as Google and Yahoo!, provide efficient retrieval and ranking of web pages based on queries consisting of a set of given keywords. Recent studies show that 20% of all Web queries also have location constraints, i.e., also refer to the location of a geotagged web page. An increasing number of applications support location based keyword search, including Google Maps, Bing Maps, Yahoo! Local, and Yelp. Such applications depict points of interest on the map and combine their location with the keywords provided by the associated document(s). The posed queries consist of two conditions: a set of keywords and a spatial location. The goal is to find points of interest with these keywords close to the location. We refer to such a query as spatial-keyword query. Moreover, mobile devices nowadays are enhanced with built-in GPS receivers, which permits applications (such as search engines or yellow page services) to acquire the location of the user implicitly, and provide location-based services. For instance, Google Mobile App provides a simple search service for smartphones where the location of the user is automatically captured and employed to retrieve results relevant to her current location. As an example, a search for ”pizza” results in a list of pizza restaurants nearby the user. Given the popularity of spatial-keyword queries and their wide applicability in practical scenarios, it is critical to (i) establish mechanisms for efficient processing of spatial-keyword queries, and (ii) support more expressive query formulation by means of novel 1 query types. Although studies on both keyword search and spatial queries do exist, the problem of combining the search capabilities of both simultaneously has received little attention