Рисование графа, ориентированного на силу - Force-directed graph drawing

Визуализация социальных сетей с использованием алгоритма построения графика с принудительной ориентацией.[1]
Визуализация ссылок между страницами вики с использованием принудительно-ориентированного макета.

Рисование графа, ориентированного на силу алгоритмы - это класс алгоритмы за рисование графиков эстетично. Их цель - расположить узлы график в двухмерном или трехмерном пространстве, чтобы все ребра имели более или менее равную длину и было как можно меньше пересекающихся ребер, путем распределения сил между набором ребер и набором узлов на основе их относительного положения , а затем используя эти силы либо для моделирования движения ребер и узлов, либо для минимизации их энергии.[2]

Хотя рисование графа может быть сложной проблемой, алгоритмы с принудительным управлением, будучи физическим моделированием, обычно не требуют специальных знаний о теории графов, таких как плоскостность.

Силы

Алгоритмы построения графов с принудительной ориентацией распределяют силы между набором ребер и набором узлов рисунок графика. Обычно весна -подобные силы притяжения, основанные на Закон Гука используются для притяжения пар концевых точек ребер графа друг к другу, при этом одновременно силы отталкивания, подобные силам электрически заряженный частицы на основе Закон Кулона используются для разделения всех пар узлов. В состояниях равновесия для этой системы сил края имеют тенденцию иметь одинаковую длину (из-за сил пружины), а узлы, которые не соединены краем, имеют тенденцию раздвигаться дальше (из-за электрического отталкивания). Силы краевого притяжения и отталкивания вершин можно определить с помощью функций, которые не основаны на физическом поведении пружин и частиц; например, в некоторых системах с направленной силой используются пружины, сила притяжения которых является логарифмической, а не линейной.

Альтернативная модель рассматривает пружинную силу для каждой пары узлов. где идеальная длина каждой пружины пропорционально теоретико-графовому расстоянию между узлами я и j, без использования отдельной силы отталкивания. Минимизация разницы (обычно квадрата разницы) между Евклидово а идеальные расстояния между узлами эквивалентны метрике многомерное масштабирование проблема.

График, ориентированный на силу, может включать в себя силы, отличные от механических пружин и электрического отталкивания. Сила, аналогичная силе тяжести, может использоваться для притягивания вершин к фиксированной точке пространства рисования; это может быть использовано для объединения различных связанные компоненты несвязного графа, которые в противном случае имели бы тенденцию разлетаться друг от друга из-за сил отталкивания, и рисовать узлы с большей центральность к более центральным позициям на чертеже;[3] это также может повлиять на расстояние между вершинами в пределах одного компонента. Аналоги магнитных полей могут быть использованы для ориентированных графов. Силы отталкивания могут быть приложены как к краям, так и к узлам, чтобы избежать перекрытия или почти перекрытия на окончательном чертеже. На чертежах с изогнутыми краями, например дуги окружности или же сплайновые кривые, силы также могут быть приложены к контрольным точкам этих кривых, например, чтобы улучшить их угловое разрешение.[4]

Методы

После того, как силы на узлах и ребрах графа были определены, поведение всего графа под этими источниками можно затем смоделировать, как если бы это была физическая система. В таком моделировании силы прикладываются к узлам, сближая их или раздвигая дальше. Это повторяется итеративно, пока система не придет к механическое равновесие государственный; т.е. их относительное положение больше не меняется от одной итерации к другой. Положения узлов в этом равновесии используются для создания рисунка графа.

Для сил, определяемых пружинами, идеальная длина которых пропорциональна теоретико-графовому расстоянию, мажоризация стресса дает очень хороший (т.е. монотонно сходящийся )[5] и математически элегантный способ свести к минимуму эти различия и, следовательно, найти хороший макет для графика.

Также возможно использовать механизмы, которые более непосредственно ищут минимумы энергии, вместо или в сочетании с физическим моделированием. Такие механизмы, являющиеся примерами общих глобальная оптимизация методы, включают имитация отжига и генетические алгоритмы.

Преимущества

Ниже перечислены наиболее важные преимущества алгоритмов принудительного управления:

Хорошие результаты
По крайней мере, для графов среднего размера (до 50–500 вершин) полученные результаты обычно имеют очень хорошие результаты, основанные на следующих критериях: равномерная длина ребер, равномерное распределение вершин и проявление симметрии. Этот последний критерий является одним из самых важных, и его трудно достичь с помощью любого другого типа алгоритма.
Гибкость
Алгоритмы принудительного управления могут быть легко адаптированы и расширены для выполнения дополнительных эстетических критериев. Это делает их наиболее универсальным классом алгоритмов рисования графов. Примеры существующих расширений включают расширения для ориентированных графиков, рисования трехмерных графиков,[6] рисование кластерного графа, рисование ограниченного графа и рисование динамического графа.
Интуитивно понятный
Поскольку они основаны на физических аналогиях обычных объектов, таких как пружины, поведение алгоритмов относительно легко предсказать и понять. Это не относится к другим типам алгоритмов рисования графиков.
Простота
Типичные алгоритмы принудительного управления просты и могут быть реализованы в несколько строк кода. Другие классы алгоритмов рисования графов, такие как алгоритмы для ортогональных макетов, обычно намного сложнее.
Интерактивность
Еще одно преимущество этого класса алгоритмов - интерактивный аспект. Рисуя промежуточные этапы графика, пользователь может проследить его развитие, наблюдая, как он разворачивается из запутанного беспорядка в красивую конфигурацию. В некоторых интерактивных инструментах рисования графиков пользователь может вывести один или несколько узлов из состояния равновесия и наблюдать, как они возвращаются в исходное положение. Это делает их предпочтительным выбором для динамических и онлайн системы построения графиков.
Прочные теоретические основы
Пока просто для этого случая Силовые алгоритмы часто появляются в литературе и на практике (потому что они относительно просты для понимания), более аргументированные подходы начинают набирать обороты. Статистики решали аналогичные проблемы в многомерное масштабирование (MDS) с 1930-х годов, и физики также имеют долгую историю работы с родственными n-тело проблемы - поэтому существуют чрезвычайно зрелые подходы. Например, мажоризация стресса подход к метрической MDS может быть применен к рисованию графиков, как описано выше. Было доказано, что это монотонно сходится.[5] Монотонная сходимость, свойство, заключающееся в том, что алгоритм на каждой итерации снижает нагрузку или стоимость макета, важна, поскольку гарантирует, что макет в конечном итоге достигнет локального минимума и остановится. Графики демпфирования приводят к остановке алгоритма, но не могут гарантировать достижение истинного локального минимума.

Недостатки

К основным недостаткам принудительно-направленных алгоритмов можно отнести следующее:

Высоко Продолжительность
Типичные алгоритмы, ориентированные на силу, в общем считается иметь время работы, эквивалентное O (n3), где n - количество узлов входного графа. Это связано с тем, что количество итераций оценивается как O (n), и на каждой итерации необходимо посетить все пары узлов и вычислить их взаимные силы отталкивания. Это связано с Проблема N-тела по физике. Однако, поскольку силы отталкивания носят локальный характер, граф можно разбить таким образом, чтобы рассматривались только соседние вершины. Общие методы, используемые алгоритмами для определения макета больших графов, включают в себя многомерное вложение,[7] многослойный рисунок и другие методы, связанные с Моделирование N-тела. Например, Моделирование Barnes – Hut -основанный метод FADE[8] может сократить время выполнения до n * log (n) на итерацию. Грубо говоря, за несколько секунд можно рассчитывать нарисовать не более 1000 узлов со стандартным n.2 на методику итерации, и 100000 с методом n * log (n) на итерацию.[8] Алгоритмы принудительного управления в сочетании с многоуровневым подходом могут рисовать графики из миллионов узлов.[9]
Плохие локальные минимумы
Легко видеть, что алгоритмы, ориентированные на силу, создают граф с минимальной энергией, в частности такой, полная энергия которого составляет всего лишь местный минимум. Найденный локальный минимум во многих случаях может быть значительно хуже глобального минимума, что приводит к низкому качеству чертежа. Для многих алгоритмов, особенно тех, которые позволяют только спуск по склону перемещений вершин, на конечный результат может сильно повлиять начальная компоновка, которая в большинстве случаев генерируется случайным образом. Проблема плохих локальных минимумов становится более важной по мере увеличения количества вершин графа. Комбинированное применение различных алгоритмов помогает решить эту проблему.[10] Например, используя алгоритм Камада – Каваи[11] для быстрого создания разумного начального макета, а затем алгоритм Фрухтермана – Рейнгольда[12] для улучшения размещения соседних узлов. Еще один способ достижения глобального минимума - использовать многоуровневый подход.[13]

История

Силовые методы рисования графиков восходят к работе Тутт (1963), кто показал это многогранные графы можно нарисовать на плоскости со всеми выпуклыми гранями, зафиксировав вершины внешней грани плоского вложения графа в выпуклое положение, создавая пружинную силу притяжения на каждом краю и позволяя системе прийти в равновесие.[14] Из-за простой природы сил в этом случае система не может застрять в локальных минимумах, а скорее сходится к уникальной глобальной оптимальной конфигурации. Из-за этой работы вложения плоских графов с выпуклыми гранями иногда называют Вложения Тутте.

Комбинация сил притяжения на смежных вершинах и сил отталкивания на всех вершинах была впервые использована Идс (1984);[15] дополнительные новаторские работы по этому типу силовой компоновки были выполнены Фрухтерман и Рейнгольд (1991).[12] Идея использования только сил пружины между всеми парами вершин с идеальной длиной пружины, равной теоретико-графовому расстоянию между вершинами, исходит от Камада и Кавай (1989).[11]

Смотрите также

  • Cytoscape, программа для визуализации биологических сетей. Базовый пакет включает принудительно-направленные макеты как один из встроенных методов.
  • Gephi, интерактивная платформа визуализации и исследования для всех видов сетей и сложных систем, динамических и иерархических графов.
  • Graphviz, программное обеспечение, реализующее многоуровневый алгоритм принудительной компоновки (среди многих других), способный обрабатывать очень большие графы.
  • Тюльпан, программное обеспечение, реализующее большинство алгоритмов принудительной компоновки (GEM, LGL, GRIP, FM³).
  • Предварительный предохранитель

Рекомендации

  1. ^ Гранджан, Мартин (2015), "Введение в визуализацию донных произведений, анализ истории и истории", Geschichte und Informatik 18/19 (PDF), стр. 109–128
  2. ^ Кобуров, Стивен Г. (2012), Spring Embedders и алгоритмы рисования графиков с принудительным управлением, arXiv:1201.3011, Bibcode:2012arXiv1201.3011K.
  3. ^ Bannister, M. J .; Эппштейн, Д.; Гудрич, М. Т.; Тротт, Л. (2012), «Рисование графов, ориентированных на силу, с использованием социальной гравитации и масштабирования», Proc. 20-й Int. Symp. Рисование графика, arXiv:1209.0748, Bibcode:2012arXiv1209.0748B.
  4. ^ Чернобельский, Р .; Cunningham, K .; Гудрич, М. Т.; Кобуров, С.Г .; Тротт, Л. (2011), «Рисование графиков в стиле Ломбарди с направлением силы», Proc. 19-й симпозиум по рисованию графиков (PDF), стр. 78–90.
  5. ^ а б де Леу, Ян (1988), "Сходимость метода мажорирования для многомерного масштабирования", Журнал классификации, Спрингер, 5 (2): 163–180, Дои:10.1007 / BF01897162.
  6. ^ Восе, Аарон. «Средство просмотра 3D-филогенетических деревьев». Получено 3 июн 2012.[постоянная мертвая ссылка ]
  7. ^ Харел, Дэвид; Корен, Иегуда (2002), «Рисование графиков с помощью многомерного вложения», Материалы 9-го Международного симпозиума по рисованию графиков., стр. 207–219, CiteSeerX  10.1.1.20.5390, ISBN  3-540-00158-1
  8. ^ а б Куигли, Аарон; Идс, Питер (2001), «FADE: рисование графиков, кластеризация и визуальная абстракция», Материалы 8-го Международного симпозиума по рисованию графиков. (PDF), стр. 197–210, ISBN  3-540-41554-8, заархивировано из оригинал (PDF) на 2006-05-21.
  9. ^ «Галерея больших графов». Получено 22 октября 2017.
  10. ^ Кольберг, Кристиан; Кобуров, Стивен; Награ, Джасвир; Питтс, Джейкоб; Уэмплер, Кевин (2003), «Система графической визуализации эволюции программного обеспечения», Материалы симпозиума ACM 2003 г. по визуализации программного обеспечения (SoftVis '03), Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: ACM, стр. 77–86, рисунки на стр. 212, г. Дои:10.1145/774833.774844, ISBN  1-58113-642-0, Для достижения эстетически приятного макета графика также необходимо использовать модифицированные силы Фрухтермана-Рейнгольда, поскольку метод Камада-Каваи сам по себе не обеспечивает удовлетворительных методов, а скорее создает хороший приблизительный макет, так что вычисления Фрухтермана-Рейнгольда могут быстро «привести в порядок» макет.
  11. ^ а б Камада, Томихиса; Каваи, Сатору (1989), "Алгоритм для рисования общих неориентированных графов", Письма об обработке информации, Эльзевьер, 31 (1): 7–15, Дои:10.1016/0020-0190(89)90102-6.
  12. ^ а б Fruchterman, Thomas M. J .; Рейнгольд, Эдвард М. (1991), "Рисование графика путем размещения под действием силы", Программное обеспечение - практика и опыт, Вайли, 21 (11): 1129–1164, Дои:10.1002 / spe.4380211102.
  13. ^ http://jgaa.info/accepted/2003/Walshaw2003.7.3.pdf Многоуровневый алгоритм рисования графиков под действием силы
  14. ^ Тутте, В. Т. (1963), «Как нарисовать график», Труды Лондонского математического общества, 13 (52): 743–768, Дои:10.1112 / плмс / с3-13.1.743.
  15. ^ Идс, Питер (1984), «Эвристика для рисования графиков», Congressus Numerantium, 42 (11): 149–160.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка