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

Indexing and Retrieval of 3D Articulated Geometry Models

In this PhD research study, we focus on building a content-based search engine for 3D articulated geometry models. 3D models are essential components in nowadays graphic applications, and are widely used in the game, animation and movies production industry. With the increasing number of these models, a search engine not only provides an entrance to explore such a huge dataset, it also facilitates sharing and reusing among different users. In general, it reduces production costs and time to develop these 3D models. Though a lot of retrieval systems have been proposed in recent years, search engines for 3D articulated geometry models are still in their infancies. Among all the works that we have surveyed, reliability and efficiency are the two main issues that hinder the popularity of such systems. In this research, we have focused our attention mainly to address these two issues. We have discovered that most existing works design features and matching algorithms in order to reflect the intrinsic properties of these 3D models. For instance, to handle 3D articulated geometry models, it is common to extract skeletons and use graph matching algorithms to compute the similarity. However, since this kind of feature representation is complex, it leads to high complexity of the matching algorithms. As an example, sub-graph isomorphism can be NP-hard for model graph matching. Our solution is based on the understanding that skeletal matching seeks correspondences between the two comparing models. If we can define descriptive features, the correspondence problem can be solved by bag-based matching where fast algorithms are available. In the first part of the research, we propose a feature extraction algorithm to extract such descriptive features. We then convert the skeletal matching problems into bag-based matching. We further define metric similarity measure so as to support fast search. We demonstrate the advantages of this idea in our experiments. The improvement on precision is 12\% better at high recall. The indexing search of 3D model is 24 times faster than the state of the art if only the first relevant result is returned. However, improving the quality of descriptive features pays the price of high dimensionality. Curse of dimensionality is a notorious problem on large multimedia databases. The computation time scales exponentially as the dimension increases, and indexing techniques may not be useful in such situation. In the second part of the research, we focus ourselves on developing an embedding retrieval framework to solve the high dimensionality problem. We first argue that our proposed matching method projects 3D models on manifolds. We then use manifold learning technique to reduce dimensionality and maximize intra-class distances. We further propose a numerical method to sub-sample and fast search databases. To preserve retrieval accuracy using fewer landmark objects, we propose an alignment method which is also beneficial to existing works for fast search. The advantages of the retrieval framework are demonstrated in our experiments that it alleviates the problem of curse of dimensionality. It also improves the efficiency (3.4 times faster) and accuracy (30\% more accurate) of our matching algorithm proposed above. In the third part of the research, we also study a closely related area, 3D motions. 3D motions are captured by sticking sensor on human beings. These captured data are real human motions that are used to animate 3D articulated geometry models. Creating realistic 3D motions is an expensive and tedious task. Although 3D motions are very different from 3D articulated geometry models, we observe that existing works also suffer from the problem of temporal structure matching. This also leads to low efficiency in the matching algorithms. We apply the same idea of bag-based matching into the work of 3D motions. From our experiments, the proposed method has a 13\% improvement on precision at high recall and is 12 times faster than existing works. As a summary, we have developed algorithms for 3D articulated geometry models and 3D motions, covering feature extraction, feature matching, indexing and fast search methods. Through various experiments, our idea of converting restricted matching to bag-based matching improves matching efficiency and reliability. These have been shown in both 3D articulated geometry models and 3D motions. We have also connected 3D matching to the area of manifold learning. The embedding retrieval framework not only improves efficiency and accuracy, but has also opened a new area of research

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