Multiscale Frequent Co-movement Pattern Mining
ICDE 2020 - 04/22/2020
Authors:
Shahab Helmi, shahab.helmi@ucdenver.edu Farnoush Banaei-Kashani, farnoush.banaei-kashani@ucdenver.edu
Multiscale Frequent Co-movement Pattern Mining ICDE 2020 - - - PowerPoint PPT Presentation
Multiscale Frequent Co-movement Pattern Mining ICDE 2020 - 04/22/2020 Authors: Shahab Helmi , shahab.helmi@ucdenver.edu Farnoush Banaei-Kashani, farnoush.banaei-kashani@ucdenver.edu Frequent Co-Movement Patterns (F-CoMP) 2 Movements of
Multiscale Frequent Co-movement Pattern Mining
ICDE 2020 - 04/22/2020
Authors:
Shahab Helmi, shahab.helmi@ucdenver.edu Farnoush Banaei-Kashani, farnoush.banaei-kashani@ucdenver.edu
2 Frequent Co-Movement Patterns (F-CoMP)
Movements of multiple objects at the same time
Frequent?
3 Related Work
Pattern Query Spatial Proximity Frequent Temporal Multi-object Track, Leadership [1] Y Y
Y Y Constance, Convergence, Concurrence, Meet [2] N Y Y N Y Y Trajectory Clustering [3] N Y Y N N Y Flock [4], Convoy [5], Swarm [6], Traveling Companions [7] N Y Y N Y Y Co-location [8] N Y Y Y N Y Co-location Episodes [9], Co- Occurrence [10], Mix-drove [11] N Y Y Y Y Y Frequent Periodic Movements [12] N Y Y Y Y N Frequent Complex Episodes [13] N N
Y Y Closed Multi-sequence Series [14] N N
Y Y Frequent Co-movement Patterns N Y N Y Y Y
4 Co-Movement Pattern Representation Definition
๐ = ๐1 ๐
11
๐
12
๐2 ๐
21
๐
22
โฆ ๐
1๐
โฆ ๐
2๐
โฎ โฎ ๐๐ ๐
๐1
๐
๐2
โฎ โฎ โฏ ๐
๐๐
where ๐
๐๐ is one or more spatial features
๐ = ๐1 โ โ ๐2 โ โ sup(๐) = 5
๐๐๐ฆ
Movement pattern In this paper
5 Problem Statement
Mining all F-CoMPs is challenging:
|๐| ฯ๐=2 ๐
๐๐๐ฆ |๐|
๐
ร
๐
๐๐๐ฆ
๐
ร ๐ possible CoMPs
๐๐๐ฆ = 10, ๐ = 100 โ >103M
๐๐๐ฆ = 10, ๐ = 100 โ >16B
Given ๐ธ, ๐ก๐ฃ๐๐๐๐, and ๐
๐๐๐ฆ
Our goal is to mine all F-CoMPs from ๐ธ
6 Outline
โIntroduction โRelated Work โProblem Definition
7 F-CoMP Mining: Baseline Solution
Mine frequent movement patterns (F-MP) Generate F-CoMPs by efficiently joining F-MPs
๐1 = ๐2 โ โ ๐3 = ๐1 + ๐2 = ๐2 โ โ ๐3 โ โ ๐1
โฒ = ๐2 โ
โ โ ๐2
โฒ = ๐3 โ
โ โ ๐2 = ๐3 โ โ ๐3
โฒ = ๐1 โฒ + ๐2 โฒ = ๐2 โ
โ โ ๐3 โ โ โ Iteration Iteration 1 Iteration 2
8 Movement Pattern Mining
Mine frequent movement patterns (F-MP) โ Extension instead of generation Generate F-CoMPs by efficiently joining F-MPs
๐1 = ๐2 โ โ ๐3 = ๐1 + ๐2 = ๐2 โ โ ๐3 โ โ ๐1
โฒ = ๐2 โ
โ โ ๐2
โฒ = ๐3 โ
โ โ ๐2 = ๐3 โ โ ๐3
โฒ = ๐1 โฒ + ๐2 โฒ = ๐2 โ
โ โ ๐3 โ โ โ Iteration Iteration 1 Iteration 2
9 Extending Movement Patterns
Basic apriori algorithm:
joinable k movements
Joinable if share a k-1 items Extension method:
trajectory
๐1 {โ โ โ} 3 โ โ โ {โ โ โ โ} 2 {โ โ โ โ } 1 ๐1 {โ โ โ} ๐2 {โ โ โ} ๐3 {โ โ โ} {โ โ โ โ }
10 Frequent Gapped Movement Pattern
the support
generated for each window .
identified.
11 F-CoMP Mining
Mine frequent movement patterns (F-MP) Generate F-CoMPs by efficiently joining F-MPs
๐1 = ๐2 โ โ ๐3 = ๐1 + ๐2 = ๐2 โ โ ๐3 โ โ ๐2 = ๐3 โ โ
12 F-CoMP Mining
๐
๐๐๐ฆ ฯ๐=2
|๐| |๐๐| ๐
13 Basic Apriori for F-CoMP Mining
๐
๐๐๐ฆ |๐บ
๐,๐ |2
๐1 = ๐2 โ โ โ
โ โ โ
โ โ โ ๐3 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐7 โ โ โ ๐1 + ๐3 = ๐2 ๐3 โ โ โ โ โ โ ๐4 ๐7 โ โ โ โ โ โ
14 Improving the Search for Joinable Patterns
b1 (o2, o3, o4) ๐1 = ๐2 โ โ โ
โ โ โ
โ โ โ ๐2 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐4 โ โ โ b3 (๐3, ๐8, o10) ๐5 = ๐4 โ โ โ ๐5 โ โ โ ๐6 โ โ โ ๐6 = ๐4 โ โ โ ๐5 โ โ โ ๐6 โ โ โ ๐5 = ๐4 โ โ โ ๐5 โ โ โ ๐6 โ โ โ ๐2 (๐2, o3, o7) ๐3 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐7 โ โ โ ๐4 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐7 โ โ โ
Objects Buckets (๐2, ๐3) ๐1 (๐2, ๐4) ๐1 (๐3, ๐4) ๐1 Objects Buckets (๐2, ๐3) ๐1, ๐2 (๐2, ๐4) ๐1 (๐3, ๐4) ๐1 (๐2, ๐7) ๐2 (๐3, ๐7) ๐2 Objects Buckets (๐2, ๐3) ๐1, ๐2 (๐2, ๐4) ๐1 (๐3, ๐4) ๐1 (๐2, ๐7) ๐2 (๐3, ๐7) ๐2 (๐3, ๐8) ๐3 โฆ โฆ
First look for joinable buckets rather than joinable patterns
15 Improving the Search for Joinable Patterns (contโd)
Look for joinable patterns only in the joinable buckets
b1 (o2, o3, o4)
๐1 = ๐2 โ โ โ
โ โ โ
โ โ โ ๐2 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐4 โ โ โ
๐2 (๐2, o3, o7)
๐3 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐7 โ โ โ ๐4 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐7 โ โ โ Objects Buckets
(๐2, ๐3) ๐1, ๐2 Objects Patterns ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐1, ๐3 ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐2 ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐4
๐1 + ๐3 = ๐2 ๐3 โ โ โ โ โ โ ๐4 ๐7 โ โ โ โ โ โ เท
๐=2 ๐
๐๐๐ฆ
เท
๐=2 |๐|
๐ถ๐ + ๐๐ ๐๐ค๐ เท
๐=2 ๐
๐๐๐ฆ
เท
๐=2 |๐|
|๐บ
๐, ๐ แ 2 Objects Patterns ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐1
๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐2
16 F-CoMP Extension
Mine frequent movement patterns (F-MP)
Generate F-CoMPs by efficiently joining F-MPs
๐1 = ๐2 โ โ ๐3 = ๐1 + ๐2 ๐2 โ โ ๐3 โ โ ๐1
โฒ = ๐2 โ
โ โ ๐2
โฒ = ๐3 โ
โ โ ๐2 = ๐3 โ โ ๐3
โฒ = ๐1 โฒ + ๐2 โฒ ๐2 โ
โ โ ๐3 โ โ โ Iteration 1 Iteration 2
17 Extension Rather than Generation
๐บ
3,3
๐1 = ๐2 โ โ โ
โ โ โ
โ โ โ ๐2 = ๐2 โ โ โ ๐3 โ โ โ ๐4 โ โ โ
๐บ
4
๐1 = { ๐2 โ โ โ โ } ๐2 = { ๐3 โ โ โ โ } ๐3 = { ๐4 โ โ โ โ }
เท
๐=2 ๐
๐๐๐ฆ
เท
๐=2 |๐|
|๐บ
๐,๐ แ 2
๐1
โฒ =
๐2 โ โ โ โ ๐3 โ โ โ โ ๐4 โ โ โ โ เท
๐=2 |๐|
๐ถ2 + ๐2 ๐๐ค๐ + เท
๐=3 ๐
๐๐๐ฆ
เท
๐=2 |๐|
|๐บ
๐, ๐|
เท
๐=2 ๐
๐๐๐ฆ
เท
๐=2 |๐|
|๐บ
๐|
๐
18 Outline
โIntroduction โRelated Work โProblem Definition
โFrequent Movement Pattern Mining โFrequent Co-Movement Pattern Mining
19 Scale (Resolution) and Density Reachable Movements
๐ = ๐2 โ โ sup(๐) = 5 ๐1
๐ก1 = ๐2 โ โ
sup(๐1
๐ก1) = 1
๐3
๐ก1 = ๐2 โ โ
sup(๐3
๐ก1) = 3 s1
supmin = 2 s2
๐1
๐ก1 = ๐2 โ โ
sup(๐1
๐ก1) = 1
Multiscale analysis!
20 Scale (Resolution) and Density Reachable Movements
supmin = 2 s2
๐3
๐ก1 = ๐2 โ โ
sup(๐3
๐ก1) = 3
๐1
๐ก2 = ๐2 โ โ
sup(๐3
๐ก1) = 2
๐2
๐ก2 = ๐2 โ โ
sup(๐3
๐ก1) = 1
Scale only applies on movements, not co-movements โ different object can still be far from each other
21 Experimental Setup
Soccer dataset [16]
Gait dataset [17]
Evaluation Metrics:
Implementation:
Workstation:
Parameters Soccer Gait The number of objects |๐| 10 30 Frame per second FPS 1 1 Scale ๐ก 5m 3cm Max window size ๐
m๐๐ฆ
12 and 8 6 Minimum support ๐๐ฃ๐๐๐๐ 8 and 4 4 Directions |๐| 12 12
Please refer to the paper to see all the experiments โบ We used logarithmic scale for the values on Y axis
22
Related Work Comparison: F-CoMP Miner vs. PIE+ [13]
1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Execution Time (sec) Number of Objects 1 10 100 1000 10000 6 8 10 12 14 16 Execution Time (sec) Maximum Window Size
F-CoMP PIE+,|O|=10 PIE+,|O|=2 PIE+,|O|=3
PIE+ is very memory efficient
23 F-CoMP Mining Results: Soccer Dataset
3,174 1 10 100 1,000 10,000 3 4 5 6 7 8 Minimum Support Memory (MB) Time (sec) 1 100 10,000 1,000,000 100,000,000 10,000,000,000 3 4 5 6 7 8 Count Minimum Support Naive CoMPs CoMPs F-CoMPs
24 Multiscale F-CoMP Miner
1 10 100 1000 10000 24 48 72 96 120 144 168 192 Execution Time (sec) Number of Scales Mining Patterns Deriving Patterns
s1 s2 s3
25 Conclusions
pattern mining
soccer dataset and even more for the gate dataset
26 Future Work
Subject 1 Subject 2
Each cell shows the % of F-CoMPs that includes both of the corresponding joints
Hypothesis: using F-CoMPs for classification
Joint ID Joint ID Joint ID Joint ID
28 References
[1] Laube, Patrick, Marc van Kreveld, and Stephan Imfeld. "Finding REMOโdetecting relative motion patterns in geospatial lifelines." Developments in spatial data handling. Springer, Berlin, Heidelberg, 2005. 201-215. [2] Gudmundsson, Joachim, Marc van Kreveld, and Bettina Speckmann. "Efficient detection of motion patterns in spatio-temporal data sets." Proceedings of the 12th annual ACM international workshop on Geographic information
[3] Lee, Jae-Gil, Jiawei Han, and Kyu-Young Whang. "Trajectory clustering: a partition-and-group framework." Proceedings of the 2007 ACM SIGMOD international conference on Management of data. 2007. [4] Benkert, Marc, et al. "Reporting flock patterns." Computational Geometry 41.3 (2008): 111-125. [5] Orakzai, Faisal, Toon Calders, and Torben Bach Pedersen. "k/2-hop: fast mining of convoy patterns with effective pruning." Proceedings of the VLDB Endowment 12.9 (2019): 948-960. [6] Li, Zhenhui, et al. "Swarm: Mining relaxed temporal moving object clusters." Proceedings of the VLDB Endowment 3.1-2 (2010): 723-734. [7] Tang, Lu-An, et al. "A framework of traveling companion discovery on trajectory data streams." ACM Transactions on Intelligent Systems and Technology (TIST) 5.1 (2014): 1-34.
29 References (contโd)
[8] Wu, Pingping, et al. "UMine: Study on Prevalent Co-locations Mining from Uncertain Data Sets." International Conference on Geo-Spatial Knowledge and Intelligence. Springer, Singapore, 2017. [9] Cao, Huiping, Nikos Mamoulis, and David W. Cheung. "Discovery of periodic patterns in spatiotemporal sequences." IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering 19.4 (2007): 453-467. [10] Celik, Mete. "Partial spatio-temporal co-occurrence pattern mining." Knowledge and Information Systems 44.1 (2015): 27-49. [11] Celik, Mete, et al. "Mixed-drove spatiotemporal co-occurrence pattern mining." IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering 20.10 (2008): 1322-1335. [12] Cao, Huiping, Nikos Mamoulis, and David W. Cheung. "Discovery of collocation episodes in spatiotemporal data." Sixth International Conference on Data Mining (ICDM'06). IEEE, 2006. [13] Huang, Kuo-Yu, and Chia-Hui Chang. "Efficient mining of frequent episodes from complex sequences." Information Systems 33.1 (2008): 96-114. [14] Lee, Anthony JT, et al. "Mining closed patterns in multi-sequence time-series databases." Data & Knowledge Engineering 68.10 (2009): 1071-1090.
30 References (contโd)
[15] Iwanuma, Koji, Yo Takano, and Hidetomo Nabeshima. "On anti-monotone frequency measures for extracting sequential patterns from a single very-long data sequence." IEEE Conference on Cybernetics and Intelligent Systems, 2004.. Vol. 1. IEEE, 2004. [16] Pettersen, Svein Arne, et al. "Soccer video and player position dataset." Proceedings of the 5th ACM Multimedia Systems Conference. 2014. [17] http://cse.ucdenver.edu/~bdlab/datasets/gait/index.html