Το ερευνητικό αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής αναφέρεται στην επεξεργασία έγχρωμης εικόνας με χρήση της θεωρίας γράφων, την ανάκτηση εικόνας καθώς και την οργάνωση / διαχείριση βάσεων δεδομένων με μεθόδους γραφημάτων και αναγνώρισης προτύπων, με εφαρμογή σε πολυμέσα. Τα συγκεκριμένα προβλήματα προσεγγίστηκαν διατηρώντας τη γενικότητά τους και επιλύθηκαν με βάση τα ακόλουθα σημεία: 1. Ανάπτυξη τεχνικών για την επιλογή χαρακτηριστικών από τις εικόνες βάσει χαρακτηριστικών χαμηλού επιπέδου (χρώματος και υφής), για χρήση τους σε εφαρμογές ομοιότητας και ανάκτησης εικόνας. 2. Υπολογισμός μετρικών και αποστάσεων στο χώρο των χαρακτηριστικών. 3. Μελέτη της πολυσχιδούς δομής των εικόνων μιας βάσης στο χώρο των χαρακτηριστικών. 4. Ελάττωση της διάστασης του χώρου και παραγωγή αναπαραστάσεων δύο διαστάσεων. 5. Εφαρμογή των μεθόδων αυτών σε υποκειμενικές αποστάσεις εικόνων. Η θεωρία γράφων και οι μέθοδοι αναγνώρισης προτύπων χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να παρουσιαστούν βέλτιστες λύσεις αφενός στο πρόβλημα της ανάκτησης εικόνων από βάσεις δεδομένων και αφετέρου στην οργάνωση και διαχείριση τέτοιων βάσεων εικόνων. Η διατριβή φέρνει πιο κοντά την επεξεργασία εικόνας με μεθόδους προερχόμενες από τη θεωρία γραφημάτων, τη στατιστική και την αναγνώριση προτύπων. Σε όλη τη διάρκεια της διατριβής, ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στο ζήτημα της εύρεσης του κατάλληλου συνδυασμού μεταξύ της αποτελεσματικότητας των συστημάτων και της αποδοτικότητας στα πλαίσια της εφαρμογής των προτεινόμενων αλγοριθμικών διαδικασιών. Τα αναλυτικά πειραματικά αποτελέσματα που πραγματοποιήθηκαν, αποδεικνύουν την βελτιωμένη απόδοση των προτεινόμενων μεθοδολογιών. / The subject of this doctoral thesis is related to color image processing using graph theoretic methods, image retrieval and image database management and organization in the reduced feature space, using pattern recognition analysis, with multimedia applications. The author attempted to approach the thesis subject by retaining its genericness and addressing the following points: 1. Development of techniques for extraction of image visual attributes based on low level features (color and texture information), to be used for image similarity and retrieval practices. 2. Calculation of metrics and distances in the feature space. 3. Study of the image manifolds created in the selected feature space. 4. Application of dimensionality reduction techniques and production of biplots. 5. Application of the proposed methodologies using perceptual image distances. Graph theory and pattern recognition methodologies were incorporated in order to provide novel solution to color image retrieval of image databases, as well as to image database management and organization. The current thesis brings closer image processing with graph theoretic methodologies, statistical analysis and pattern recognition. Throughout the thesis, consideration has been taken for finding the best trade off between effectiveness and efficiency when applying the proposed algorithmic procedures. The extended experimental results carried out in all stages of the projected studies reveal the enhanced performance of the proposed methodologies.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το αντικείμενο της μάθησης από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες: την επαγωγική και την παραγωγική μάθηση. Αρχικά, παρουσιάζονται παραμετροποιήσεις στοχαστικών μεθόδων εξόρυξης γνώσης από δεδομένα υπό τη μορφή τεσσάρων καινοτόμων εξατομικευμένων μοντέλων στήριξης ασθενών που πάσχουν από διαταραχές άγχους. Τα τρία μοντέλα προσανατολίζονται στην ανεύρεση πιθανών συσχετίσεων μεταξύ των περιβαλλοντικών παραμέτρων των ασθενών και του επιπέδου άγχους που αυτοί παρουσιάζουν, ενώ παράλληλα προτείνεται και η χρήση ενός Μπεϋζιανού μοντέλου πρόβλεψης του επιπέδου άγχους που είναι πιθανό να εμφανίσει κάποιος ασθενής δεδομένων ορισμένων τιμών του περιβαλλοντικού του πλαισίου εφαρμογής. Αναφορικά με το χώρο της εξόρυξης γνώσης από κείμενο και του μετασχηματισμού συμβολοσειρών, προτείνεται η εκπαίδευση μοντέλων δέντρων αποφάσεων για την αυτόματη μεταγραφή Ελληνικού κειμένου στην αντίστοιχη φωνητική του αναπαράσταση, πραγματοποιείται η στοχαστική μοντελοποίηση όλων των πιθανών μεταγραφικών νορμών από ορθογραφημένα Ελληνικά σε Greeklish και τέλος παρουσιάζεται ένας καινοτόμος αλγόριθμος που συνδυάζει δύο γνωστά για την ικανοποιητική τους απόδοση μέτρα σύγκρισης ομοιότητας αλφαριθμητικών προκειμένου να επιτευχθεί η αυτόματη λημματοποίηση του κειμένου εισόδου. Επιπρόσθετα, στα πλαίσια της ανάπτυξης συστημάτων που θα διευκολύνουν την ανάκτηση εγγράφων ή πληροφοριών προτείνεται η συνδυαστική χρήση του προαναφερθέντος αλγορίθμου λημματοποίησης παράλληλα με τη χρήση ενός πιθανοτικού δικτύου Bayes στοχεύοντας στην ανάπτυξη ενός εύρωστου και ανταγωνιστικού ως προς τις επιδόσεις συστήματος ανάκτησης πληροφοριών. Τέλος, παρουσιάζονται οι προτάσεις μας που αφορούν στο χώρο της παραγωγικής μάθησης και του ελέγχου ικανοποιησιμότητας λογικών εκφράσεων. Συγκεκριμένα περιλαμβάνουν: i) την ανάλυση και εκτενή παρουσίαση μιας καινοτόμας μαθηματικής μοντελοποίησης με την ονομασία AnaLog (Analytic Tableaux Logic) η οποία δύναται να εκφράσει τη λογική που διέπει τους αναλυτικούς πίνακες για προτασιακούς τύπους σε κανονική διαζευκτική μορφή. Mέσω του λογισμού Analog επιτυγχάνεται η εύρεση των κλειστών κλάδων του πλήρως ανεπτυγμένου δέντρου Smullyan, χωρίς να είναι απαραίτητος ο αναλυτικός σχεδιασμός του δέντρου, και ii) την παράθεση ενός αναλυτικού αλγορίθμου που μπορεί να αξιοποιήσει τον φορμαλισμό AnaLog σε ένα πλαίσιο αριθμητικής διαστημάτων μέσω του οποίου μπορούμε να αποφανθούμε για την ικανοποιησιμότητα συμβατικών διαζευκτικών προτασιακών εκφράσεων. / The present dissertation deals with the problem of learning from two different perspectives, meaning the inferential and the deductive learning. Initially, we present our suggestions regarding the parameterization of stochastic data mining methods in the form of four treatment supportive services for patients suffering from anxiety disorders. Three of these services focus on the discovery of possible associations between the patients’ contextual data whereas the last one aims at predicting the stress level a patient might suffer from, in a given environmental context. Our proposals with regards to the wider area of text mining and string conversion include: i) the employment of decision-tree based models for the automatic conversion of Greek texts into their equivalent CPA format, ii) the stochastic modeling of all the existing transliteration norms for the Greek to Greeklish conversion in the form of a robust transcriber and iii) a novel algorithm that is able to combine two well-known for their satisfactory performance string distance metric models in order to address the problem of automatic word lemmatization. With regards to the development of systems that would facilitate the automatic information retrieval, we propose the employment of the aforementioned lemmatization algorithm in order to reduce the ambiguity posed by the plethora of morphological variations of the processed language along with the parallel use of probabilistic Bayesian Networks aiming at the development of a robust and competitive modern information retrieval system. Finally, our proposals regarding logical deduction and satisfiability checking include: i) a novel mathematical formalism of the analytic tableaux methodology named AnaLog (after the terms Analytic Tableaux Logic) which allows us to efficiently simulate the structure and the properties of a complete clausal tableau given an input CNF formula. Via the AnaLog calculus it is made possible to calculate all the closed branches of the equivalent complete Smullyan tree without imposing the need to fully construct it, and ii) a practical application of the AnaLog calculus within an interval arithmetic framework which is able to decide upon the satisfiability of propositional formulas in CNF format. This framework, apart from constituting an illustrative demonstration of the application of the AnaLog calculus, it may also be employed as an alternative conventional SAT system.

H διατριβή διερευνά προβλήματα αποδοτικής οργάνωσης χωροταξικών δεδομένων, προτείνει συγκεκριμένες δενδρικές δομές για τη διαχείρισή τους και, τέλος, δίνει παραδείγματα χρήσης τους σε ειδικές περιοχές εφαρμογών. Το πρώτο κεφάλαιο ασχολείται με το γεωμετρικό πρόβλημα της εύρεσης των ισo-προσανατολισμένων ορθογωνίων που περικλείουν ένα query αντικείμενο που μπορεί να είναι ένα ισο-προσανατολισμένο ορθογώνιο είτε σημείο ή κάθετο / οριζόντιο ευθύγραμμο τμήμα. Για την επίλυσή του προτείνεται μια πολυεπίπεδη δενδρική δομή που βελτιώνει τις πολυπλοκότητες των προηγούμενων καλύτερων λύσεων. Το δεύτερο κεφάλαιο εξετάζει το πρόβλημα της ανάκτησης σημείων σε πολύγωνα. H προτεινόμενη γεωμετρική δομή είναι επίσης πολυεπίπεδη και αποδοτική όταν το query πολύγωνο έχει συγκεκριμένες ιδιότητες. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την εφαρμογή δενδρικών δομών σε δύο βιομηχανικά προβλήματα. Το πρώτο αφορά στη μείωση της πολυπλοκότητας ανίχνευσης συγκρούσεων κατά την κίνηση ενός ρομποτικού βραχίονα σε μια επίπεδη σκηνή με εμπόδια. Ο αλγόριθμος επίλυσης κάνει χρήση μιας ουράς προτεραιότητας και μιας UNION-FIND δομής ενώ αξιοποιεί γνωστές δομές και αλγόριθμους της Υπολογιστικής Γεωμετρίας όπως υπολογισμός κυρτών καλυμμάτων, έλεγχος polygon inclusion, κλπ. Το δεύτερο πρόβλημα ασχολείται με το σχεδιασμό απαιτήσεων υλικών (MRP) σε ένα βιομηχανικό σύστημα παραγωγής. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας MRP επεξεργαστής που χρησιμοποιεί διασυνδεμένες λίστες και εκτελείται στην κύρια μνήμη για να είναι αποδοτικός. Το τελευταίο κεφάλαιο εξετάζει το πρόβλημα του ελέγχου της παραγωγής και συγκεκριμένα της δρομολόγησης εργασιών. Στο πλαίσιο αυτό σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα ευφυές σύστημα δρομολόγησης σε περιβάλλον ροής που συνδυάζει γνωσιακή τεχνολογία και προσομοίωση με on-line έλεγχο προκειμένου να υποστηρίξει το διευθυντή παραγωγής στη λήψη αποφάσεων. / Τhe dissertation examines problems of efficient organization of spatial data, proposes specific tree structures for their management, and finally, gives examples of their use in specific application areas. The first chapter is about the problem of finding the iso-oriented rectangles that enclose a query object which can be an iso-oriented rectangle either a point or a vertical / horizontal line segment. A multilevel tree structure is proposed to solve the problem which improves the complexities of the best previous known solutions. The second chapter examines the problem of point retrieval on polygons. The proposed geometric structure is also multileveled and efficient when the query polygon has specific properties. The third chapter is about the application of tree structures in two manufacturing problems. The first one concerns the reduction in the complexity of collision detection as a robotic arm moves on a planar scene with obstacles. For the solution a priority queue and a UNION-FIND structure are used, whereas known data structures and algorithms of Computational Geometry such as construction of convex hulls, polygon inclusion testing, etc. are applied. The second problem is about material requirements planning (MRP) in a manufacturing production system. To this end an MRP processor was developed, which uses linked lists and runs in main memory to retain efficiency. The last chapter examines the production control problem, and more specifically the job scheduling problem. In this context, an intelligent scheduling system was designed and developed for flow shop production control which combines knowledge-based technology and simulation with on-line control in order to support the production manager in decision making.