基于徑向布局的多維層次可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多維和層次可視化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于徑向布局的多維層次 可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多維層次數(shù)據(jù)是同時具有多維特性和層次特性的一類數(shù)據(jù)。多維性是指每個數(shù)據(jù) 對象具有兩個或兩個以上獨立或者相關(guān)屬性，如電腦的配置信息，CPU、內(nèi)存、硬盤等參數(shù)， 每個參數(shù)描述電腦的一個屬性。層次性表現(xiàn)為兩類，包含和從屬，如地理位置分布和社會組 織架構(gòu)。此類數(shù)據(jù)廣泛存在于人們的日常社會生產(chǎn)中，如購物網(wǎng)站中的商品分類、國家統(tǒng)計 局發(fā)布的全國各省市統(tǒng)計年鑒、包含地理信息的氣象數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等，且該數(shù)據(jù)中蘊 含了豐富的信息。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，真實世界與虛擬世界已經(jīng)變得密不可分，信 息的產(chǎn)生和流動瞬息萬變，呈現(xiàn)、理解和應(yīng)用此類新型的海量復(fù)雜數(shù)據(jù)已然成為數(shù)據(jù)可視 化與分析面臨的新挑戰(zhàn)。
[0003] 可視化技術(shù)是一種利用人眼感知能力對數(shù)據(jù)進行交互的可視表達(dá)以增強認(rèn)知的 技術(shù)。它將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可感知的圖形、符號、顏色、紋理等，來增強數(shù)據(jù)識別效率，傳遞有效 信息。由于可視化技術(shù)的直觀與高效，越來越廣泛地被應(yīng)用到科學(xué)研宄與實際應(yīng)用中。目 前的探索和分析方法主要針對該類數(shù)據(jù)的單個特性，即高維可視化和層次可視化。而同時 兼顧多維和層次特性的可視化方法較少，且在展示粒度上存在局限性。
[0004] 多維可視化作為可視化領(lǐng)域的一個重要分支，通過數(shù)據(jù)處理，如特征提取和降維， 及圖形映射，反映多維信息及其各屬性之間的關(guān)系，實現(xiàn)在低維可視空間中展示多維抽象 信息的多屬性數(shù)據(jù)特征。目前多維可視化的研宄較為成熟，針對高維數(shù)據(jù)的可視化方法較 多，如平行坐標(biāo)、散點圖矩陣、VHDR等，這些方法主要是對數(shù)據(jù)的多維特性進行分析，對同時 具有層次特性的數(shù)據(jù)而言，會丟失其層次結(jié)構(gòu)。此外，由于這些方法本身的特點，使得其對 布局空間較敏感且可伸縮性較低。
[0005] 層次可視化作為信息可視化的另一個重要分支，其主要目標(biāo)是對數(shù)據(jù)中的層次關(guān) 系進行有效刻畫?？梢暬校捎貌煌囊曈X符號表示不同類型關(guān)系決定了層次可視化的 兩種主要類別：節(jié)點-鏈接和空間填充。在表達(dá)數(shù)據(jù)層次信息時，前者的缺點在于隨著層次 和節(jié)點數(shù)的增加會引起廣度和深度的過度擴展，導(dǎo)致可讀性較差，且大量數(shù)據(jù)點聚集在屏 幕局部范圍，難以高效利用有限的屏幕空間；后者具有高效的空間利用率，但在表達(dá)層次信 息上沒有前者清晰。
[0006] 已有的多維層次可視化方法，如Treemap在展示層次信息的同時使用視網(wǎng)膜變量 (如顏色，形狀，大小，標(biāo)簽等）來表示維度信息，然而該方法存在維度可擴展性弱的缺點； 融合多維和層次視圖的復(fù)合可視化方法分別使用層次視圖和多維視圖來展示數(shù)據(jù)的層次 結(jié)構(gòu)和多維信息，其缺點是需要用戶在多個視圖和全局視圖間維持視覺平衡，且多個視圖 間的切換可能導(dǎo)致用戶丟失全局上下文信息。
[0007] 以上提到的可視化技術(shù)在對多維層次數(shù)據(jù)進行展現(xiàn)時主要存在問題有：1)僅僅 針對原始數(shù)據(jù)的單個特征層面進行分析和探索；2)對維度增長敏感，較低的可伸縮性，且 容易造成用戶丟失全局上下文信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于徑向布局的多維層次可視化方法，設(shè) 計多維層次視圖對數(shù)據(jù)進行展示。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0010] 一種基于徑向布局的多維層次可視化方法，包括徑向?qū)哟我晥D的繪制算法、圓形 平行坐標(biāo)繪制算法、視圖融合三個部分；
[0011] 徑向?qū)哟我晥D的繪制算法：給定父節(jié)點pNode的第i+1個孩子節(jié)點childi+1GTm， ^為樹結(jié)構(gòu)，下標(biāo)m表示節(jié)點數(shù)，該節(jié)點在視圖中的繪制為：
孩子節(jié)點childi+1對應(yīng)視圖中的扇形塊Widget，每個扇形塊由〈innerRadius,outerRadi us,startAngle,endAngle〉四元組唯一確定；rStep表示每個節(jié)點對應(yīng)的扇形塊的徑向?qū)?度，由該節(jié)點的內(nèi)半徑innerRadius和外半徑outerRadius決定，節(jié)點childi+1的起始角 度startAngle等于父節(jié)點pNode起始角度加上節(jié)點q的結(jié)束角度endAngle;節(jié)點跨度 arcWidth由以該節(jié)點為根節(jié)點的子樹的葉子節(jié)點數(shù)占原始樹的總的葉子節(jié)點數(shù)的比例；
[0013]圓形平行坐標(biāo)繪制算法：對于給定數(shù)據(jù)集UmXn，其中的n維數(shù)據(jù)點映射為二維空間 上的一條圓形折線段，其映射函數(shù)定義為：
[0014]
其中Vij(x，y)表示 軸&第1條折線段與軸的交點，其坐標(biāo)由
進 行計算，uMaXj，uMirij表示第j個維度上的最大值和最小值，（X，y)為節(jié)點vu (X，y)在圓形 平行坐標(biāo)中相應(yīng)軸上的坐標(biāo)值，9由
計算獲得；
[0015] 視圖融合：借助鏤空設(shè)計策略HolowSpiralModel實現(xiàn)多維層次視圖的無縫融 合，DetailOutside交互設(shè)計實現(xiàn)對視圖的聯(lián)動分析。
[0016] 根據(jù)上述方法，還包括定義多維層次數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和對原始數(shù)據(jù)進行抽取、預(yù) 處理生成預(yù)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)兩個步驟；
[0017] 定義多維層次數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)共包含m條數(shù)據(jù)記錄且具有n個數(shù)據(jù)維度的原 始數(shù)據(jù)集表示為矩陣UmXn，定義為
其中
：表示第i條數(shù)據(jù)記錄，Uij表示第i條數(shù)據(jù)記錄的第j個 屬性值，相應(yīng)的潛在層次結(jié)構(gòu)表示為Tm=〈V，E>，定義為
^是連通圖，樹中的每個節(jié)點node定義為：
={vdv2，…，v|v|}表示節(jié)點集，對應(yīng)原始數(shù)據(jù)集的條目，E={epe2，…，e|E|}表示 數(shù)據(jù)中隱含的包含或從屬關(guān)系，attrs為節(jié)點屬性集，children表示子節(jié)點集，三元 組表示一個節(jié)點或一條折線段，即多維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為D= {<U,t>|uGUmXn,tGTj;
[0019] 對原始數(shù)據(jù)進行抽取、預(yù)處理生成預(yù)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)：首先對原始數(shù)據(jù)集進 行異常值處理，異常值包括空條目、數(shù)據(jù)類型錯誤，具體為，遍歷每條記錄，對其中存在的異 常屬性值按照不同的異常情況進行不同的處理，數(shù)值空條目進行零值填充，數(shù)據(jù)類型錯誤 進行類型轉(zhuǎn)換，根據(jù)該條目數(shù)據(jù)取平均或最值處理；再對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)抽取，具 體為，遍歷數(shù)據(jù)集中的每條記錄，記錄由基本屬性字段和特征字段組成，對于該記錄生成與 之對應(yīng)的節(jié)點node，基本屬性字段對應(yīng)節(jié)點node中的atts屬性集，而特征字段生成為：
[0020]
每個\對應(yīng)該特征維度上的取值，同時根據(jù)數(shù) 據(jù)中的組織結(jié)構(gòu)或地理信息獲取節(jié)點間的從屬關(guān)系，得到由節(jié)點n〇de=<atts,ICcMWreny組成的節(jié)點集，即為隱藏的生成樹模型，根節(jié)點即為無父節(jié)點的節(jié)點，表示為：
獲得可繪制的單個數(shù)據(jù)元素Visualltem;最后遞歸地對 VisualItem進行繪制。
[0021] 根據(jù)上述方法，還包括借助Colorbrewer使用顏色放射漸變的方法，同時修改色 調(diào)和透明度對每層節(jié)點進行著色，通過透明度加添加劑的設(shè)計方法使得滿足篩選條件的節(jié) 點或折線簇的辨識度提高。
[0022] 根據(jù)上述方法，還包括提供用戶交互的接口，允許用戶定制篩選規(guī)則，輔助用戶從 多角度多層次地探索和分析數(shù)據(jù)以發(fā)現(xiàn)潛在的知識和模式。
[00