一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法。该方法在力导引算法的循环迭代过程中增加以下处理步骤，以优化图数据可视化布局：在结点粘连的情况下，通过随机函数给出结点弹开的位置和结点弹开的方向，从而将粘连结点彼此分开一定的距离，使得结点粘连情况下的吸引力和排斥力能够计算。进一步地，本发明专利技术在力导引算法的位移计算中对参数delta值采用梯度设置，使得图数据可视化布局过程减少震荡并快速收敛。本发明专利技术能够解决基础力导引布局算法中存在的上述问题，在优化算法布局效果的同时，提升算法的布局效率。

A visualization layout optimization method of graph data based on force guidance algorithm

The invention relates to a visualization layout optimization method of graph data based on force guidance algorithm. The method of guiding iteration algorithm in the following steps to increase in force, in order to optimize the map data visualization layout: in case of node adhesion, through a random function node given bounce bounce node position and direction, which will be at a distance from each other adhesion nodes, the nodes under the condition of attraction and adhesion the repulsive force can be calculated. Further, in the displacement calculation of the force guidance algorithm, the invention uses gradient setting to the parameter delta value, so that the visualization layout process of graph data is reduced, and the convergence is fast. The present invention can solve the above problems in the basic force guidance layout algorithm, and improve the efficiency of the layout of the algorithm while optimizing the effect of the algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法
本专利技术属于信息理解与处理、大数据处理、多源数据关联分析、图数据可视化与可视化分析
，具体涉及一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法。
技术介绍
大数据时代带给人们前所未有的海量信息，信息可视化(InformationVisualization)是一种能够直观传达抽象信息，并支持信息探索和验证假设的方法和技术，帮助人们更好地理解信息和进行思考。图(Graphs)是信息可视化中表现关系数据的重要方法之一。图方法在社会网络分析、序列分析、搜索服务等领域都有着重要的应用。图方法能够快速呈现关系数据中的大量信息：结点和连线的视觉设计可以传达关于数据及数据间关系的信息，数据的全貌，以及发现数据之间的聚类性、分布情况等，相应的交互方法能够帮助用户对数据进行深入地挖掘。图数据的可视化就是将以图的结构存储的数据展示出来。这项技术辅助研究者挖掘数据中隐含的关系和隐藏的数据模式。在图数据的可视化技术中，需要通过问题建模得到图结构，图的结构通常都是拓扑图，要将拓扑图可视化，它的核心就是图的布局算法。国际上，力导引布局算法应用最广，力导引布局算法的基本思想是将整个拓扑图看成一个物理系统，弧相连的结点之间存在引力，不相连的结点之间存在斥力，每次迭代计算结点所受到的合力，并根据合力移动结点，最终使整个系统达到一个能量的极小值。力导引布局算法使系统达到能量的极小值时布局结束，布局结果很好的展示了结点之间的关系，弧相连的结点彼此靠近，不相连的结点彼此分离。该算法核心思想简洁易懂，布局美观实用，能够充分展现图的整体结构及其自同构特性，通用性强。该算法的缺点是当需要展示的图数据规模增大时，不能满足实时计算的性能要求，同时，算法布局效果的展示也不能满足观测需求，所以基于力导引算法的图数据可视化布局优化技术需要进一步研究。分析现有力导引布局算法的整个流程，算法的性能瓶颈在于迭代循环的计算过程。力导引算法中，迭代循环的计算过程占到计算总量的百分之九十多，所以本专利技术希望减少迭代次数，加速收敛的过程。减少迭代次数在操作中主要体现在一次迭代中，结点要尽可能多的朝稳定状态移动，从而使得布局加速收敛。在现有力导引布局算法中，存在一个主要的问题就是在一次迭代中，结点没有朝稳定状态移动足够多的位移，从而导致布局过程要多很多轮迭代过程，使得算法的计算效率低下。这一问题在算法中具体体现在计算排斥力和吸引力的过程中对粘连结点的处理，以及计算位移的过程中对参数delta的设置方式。具体介绍如下：计算排斥力和吸引力的过程中对粘连结点的处理。在力导引算法的布局过程中，随着结点规模的增大，迭代次数的增多，经常遇到结点粘连现象，结点粘连是指两个结点之间的距离为0。力导引算法针对结点粘连，选择不计算这两个粘连结点之间的排斥力和吸引力。具体原因为在排斥力的计算过程中，当d＝0时，d为两个结点之间的距离，因为计算结点间的排斥力时，d为除数，所以计算排斥力的公式无法进行计算，原算法选择在本次迭代中不计算这两个结点之间的排斥力。在吸引力的计算过程中，当d＝0时，因为计算吸引力弹开的方向时，d为除数，所以计算结点被弹开的方向没法进行计算，原算法选择在本次迭代中不计算这两个结点之间的吸引力。就使得在一次迭代中，结点没有朝着最终的稳定状态进行一次移动。计算位移的过程中对参数delta的设置方式。在力导引算法的布局过程中，每次计算完一个结点所受到的全部合力之后，会给这个合力乘一个参数delta，作为该结点经过这次迭代移动的距离。delta值的选取与结点受力后的位移有关，如果delta选大了，当弹簧长度远大于弹簧原长的时候，弹簧受到很大的吸引力，加上delta很大，会使得弹簧一直处于震荡的状态，难以运动到平衡的位置，使得布局一直无法收敛；但是如果delta选小了，就会导致每次结点的移动位移比较小，需要迭代很多次才可以使得布局收敛，从而使算法的性能降低。现有算法只能选择一个特定的delta值，使得delta值的选取总会存在上面的问题，使得再一次迭代中，结点没有尽可能多的朝着最终的稳定状态移动。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法，能够解决基础力导引布局算法中存在的上述问题，在优化算法布局效果的同时，提升算法的布局效率。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法，该方法在力导引算法的循环迭代过程中增加以下处理步骤，以优化图数据可视化布局：在结点粘连的情况下，通过随机函数给出结点弹开的位置和结点弹开的方向，从而将粘连结点彼此分开一定的距离，使得结点粘连情况下的吸引力和排斥力能够计算。进一步地，在力导引算法的位移计算中对参数delta值采用梯度设置，使得图数据可视化布局过程减少震荡并快速收敛。进一步地，步骤1)包括：1-1)在结点粘连的情况下进行排斥力计算时，通过随机函数给出结点弹开的位置，将粘连结点在x轴方向和y轴方向都随机分散到特定阈值之间的随机位置，以使得粘连结点彼此分离；1-2)在结点粘连的情况下进行吸引力计算时，通过随机函数给出结点弹开的方向，将粘连结点在特定阈值内取随机值，作为粘连结点所受力的方向参数，以使得粘连结点彼此分离。进一步地，步骤1-1)所述阈值与弹簧原长的设置相关联，粘连结点以原位置为中心，彼此分离一个弹簧长度内的随机位置。进一步地，步骤1-2)选择全范围作为粘连结点所受力的方向参数。进一步地，在delta值的梯度设置中，将迭代分为三个阶段，随着迭代次数的增加，将delta值设置为依次减小。进一步地，所述三个阶段包括：第一个阶段为初始阶段，delta值设定为初值，是位移变化较大的阶段；第二个阶段为过渡阶段，delta值设定为过渡值；第三个阶段为微调阶段，delta值设定为收敛值。进一步地，所述力导引算法的迭代循环的收敛方式有两种：第一种是根据经验，针对不同规模的数据集设定特定的迭代次数，每次达到设定好的迭代次数后，布局结束；第二种是根据所有结点的位移平均值来计算，如果所有结点经过一次迭代后的位移平均值小于特定阈值，说明布局已经收敛，结束迭代。本专利技术还提供一种服务器，其包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行上面所述方法中各步骤的指令。本专利技术还提供一种存储计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被计算机执行时，实现上面所述方法的步骤。本专利技术的关键点主要包括：1、在结点粘连的情况下进行排斥力计算时，通过随机函数给出结点弹开的位置，使得在本次对当前结点的计算可以进行，粘连结点彼此分开一定的距离。2、在结点粘连的情况下进行吸引力计算时，通过随机函数给出结点弹开的方向，使得在本次对当前结点的计算可以进行，粘连结点彼此分开一定的距离。3、在位移计算中，对参数delta值的设置采用梯度设置，使得delta值的选取更加灵活，结点的位移更加符合实际需求。本专利技术的一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法，解决了基础力导引布局算法中存在的两个问题，在优化算法布局效果的同时，提升了算法的布局效率，具体优点如下：1、在结点粘连的情况下仍可以进行排斥力和吸引力的计算，辅助粘连结点快速分离，加速布局本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法，其特征在于，在力导引算法的循环迭代过程中增加以下处理步骤，以优化图数据可视化布局：在结点粘连的情况下，通过随机函数给出结点弹开的位置和结点弹开的方向，从而将粘连结点彼此分开一定的距离，使得结点粘连情况下的吸引力和排斥力能够计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于力导引算法的图数据可视化布局优化方法，其特征在于，在力导引算法的循环迭代过程中增加以下处理步骤，以优化图数据可视化布局：在结点粘连的情况下，通过随机函数给出结点弹开的位置和结点弹开的方向，从而将粘连结点彼此分开一定的距离，使得结点粘连情况下的吸引力和排斥力能够计算。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在力导引算法的位移计算中对参数delta值采用梯度设置，使得图数据可视化布局过程减少震荡并快速收敛。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1)包括：1-1)在结点粘连的情况下进行排斥力计算时，通过随机函数给出结点弹开的位置，将粘连结点在x轴方向和y轴方向都随机分散到特定阈值之间的随机位置，以使得粘连结点彼此分离；1-2)在结点粘连的情况下进行吸引力计算时，通过随机函数给出结点弹开的方向，将粘连结点在特定阈值内取随机值，作为粘连结点所受力的方向参数，以使得粘连结点彼此分离。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1-1)所述阈值与弹簧原长的设置相关联，粘连结点以原位置为中心，彼此分离一个弹簧长度内的随机位置。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1-2)选择全范围作为粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：于静，郭晶晶，刘燕兵，曹聪，谭建龙，郭莉，
申请(专利权)人：中国科学院信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11