一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法技术

本发明专利技术公开一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，针对目前的不规则区域内的拓扑结构布局，缺少有效解决方案的问题，本发明专利技术首先根据不规则区域的几何特征将区域分为若干部分，然后在每个部分中根据力导引的思想建立受力模型，在限制条件下进行多次迭代，使区域中心密集的节点向边角扩散，最终使得整个不规则区域中的节点布局均匀美观。

【技术实现步骤摘要】
一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法
本专利技术属于网络结构分析领域，特别涉及一种网络拓扑结构可视化技术。
技术介绍
随着社会的发展，我们进入了信息爆炸的时代，关系数据网络的规模越来越大，传统的文本表示方法已经不能快速而准确的使得数据研究员可以快速了解并分析一个网络的结构信息，而网络拓扑可视化产生的拓扑图像却可以让数据研究员一目了然的观察网络拓扑的整体情况以及任何子结构的细节。网络拓扑可视化的布局包括逻辑布局与物理布局，逻辑布局主要是为了展示网络的逻辑结构，布局比较简单；物理布局不仅要展示出网络的逻辑结构，还要结合拓扑中点的位置信息，这有重要的现实意义。当前的网络拓扑可视化领域最关注的主题仍然是网络节点布局效果符合美学标准，例如力导引布局算法、KK布局算法；这些传统的布局算法所存在的问题是他们都是将网络拓扑的节点在矩阵区域中自由的移动从而获取较好的网络拓扑布局效果。然而当结合节点的位置信息之后，拓扑的布局区域往往为不规则多边形，在不规则多边形中进行布局就会产生布局不均匀的问题：多边形中心区域节点密集而多边形的边角区域节点稀疏。网络拓扑可视化对于人们获取网络结构信息具有十分重要的作用，传统的网络拓扑布局方法通常以计算机屏幕作为显示目标，拓扑布局区域是规则区域(如长方形屏幕，长方形软件窗口等)。但在实际使用中，通常需要在不规则区域内布局，如当拓扑结构和地理信息结合时，需要将拓扑结构布局到某个国家和地区的范围内，这个范围就是一个不规则的区域。对于不规则区域内的拓扑结构布局，目前还缺少相关的解决方案。力导引拓扑布局算法由P.Eades于1984年提出，该方法参照了实际物理世界中分子之间的作用力模型：每个分子之间都存在引力从而拉近彼此间的距离，同时当距离过近时又会有巨大的引力从而维持彼此间的距离。这种物理模型可以保证分子之间维持稳定、清晰的结构。但是Eades对力导引布局算法的构建有一点不同，他将网络拓扑中的节点想象成一个钢圈，将拓扑中的边想象成一个弹簧。每个钢圈拥有一个初始位置，通过弹簧的拉伸将钢圈的位置改变从而保证整体的势能最小。因为力导引算法是参照于实际物理模型，因此它的可视化效果满足布局的美学要求，是当今逻辑布局中最经典的算法之一。力导引拓扑布局算法主要规律如下：有边相连的节点他们之间的距离应适当靠近；网络拓扑中任意两个节点之间距离不能特别近。该方法受到了弹簧的胡克定律及宇宙中的万有引力的启发，对于相连的节点保证两点之间是具有吸引力的，而网络节点两两之间是存在斥力。但是力导引算法只是通过斥力和引力来计算节点之间移动的速率，而不像真实物理世界中还要考虑加速度。这点修改是非常重要的，因为如果考虑了加速度的存在，那么这个系统将是动态系统，节点的位置一直是变化的；而只考虑速度的话由于移动距离有限，节点的位置会在多次迭代之后趋于平衡。所以力导引布局算法的核心是计算节点之间的斥力引力。在上文阐述过，由于当纯考虑力对节点产生的速度变化，这使得整体会在多次迭代之后趋于平衡，因此本算法会对一些步骤进行大量的迭代，所要进行迭代的步骤如下：第一步，计算每个节点所受到的引力作用产生的位移向量，对于一个节点来说，只有与它有邻接关系的节点才对该节点具有引力作用；第二步，计算每个节点所受到的斥力作用产生的位移向量，对于一个节点来说，可视化区域中的剩余节点均对该节点具有斥力作用。在经过一定次数的迭代之后，网络拓扑会达到一个稳定的状态，在这个状态下，网络拓扑就会呈现出美观的可视化效果。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，基于力导引方法，结合不规则区域本身的几何特点，并综合考虑节点的受力分析，建立起一套不规则区域节点布局方法，使得整个不规则区域中的节点布局均匀。本专利技术的技术方案为：一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，包括：S1、对不规则多边形进行分块，将多边形中圆形布局中的点分为N块，N为多边形顶点的数量；S2、判断是否存在未布局的分块，如果有，则取出该分块内点的集合，然后执行步骤S3；否则结束；S3、在各分块内建立受力模型，求解集合中每一个点所受的斥力总和：S4、根据点所受的斥力总和计算本次迭代每一个点的移动距离，根据移动距离更新每一个点的坐标，并且记录本次迭代的最大移动距离；S5、如果最大移动距离超过预设阈值，则返回进入步骤S3；否则，将现在点的坐标转化为直角坐标，并保存，然后将当前分块标志为布局状态，返回步骤S2。进一步地，步骤S1之前还包括：A1、确定子结构的不规则多边形，具体包括以下分步骤：A11、结合网络结构多级层次性和地理信息多级层次性，对网络拓扑进行网络结构的划分，得到若干子结构。A12、统计子结构中具有位置信息的节点，根据各节点确定该子结构的中心点；A13、连接相邻子结构的中心点，并根据相邻子结构各自节点数目的比例，确定一第二类辅助点将中心点之间的连线划分为两段；A14、顺序连接属于同一个中心点的辅助点，得到围绕中心点的不规则多边形。A2、对不规则多边形进行圆形布局；具体包括以下分步骤：A21、确定要布置的圆周数以及最大圆的半径；其他圆的半径按照给定步长缩小；A22、根据不规则多边形内节点的属性值，将最大属性值的节点布置于圆心处，剩下的节点按照各圆周长度比例划分进行布置。更进一步地，剩下的节点按照各圆周长度比例进行划分布置，具体为，根据各圆周长度比例得到布置到各圆周的节点数，然后根据各圆周对应的节点数按照节点属性值从大到小将剩下的节点划分至各圆周。进一步地，步骤S1所述将多边形中圆形布局中的点分为N块，具体为：找到不规则多边形与圆形布局中最大半径圆的所有切点，将圆心与各切点相连，将圆形布局分为个分块。更进一步地，还包括采用pointinpolygon算法统计每个分块内的节点。进一步地，步骤S3所述建立受力模型，具体包括以下分步骤：B1、以某个分块所对应的不规则多边形的顶点为起始点，连接该分块内的节点做射线，各射线与该分块两条半径边的交点为第一类辅助点；B2、分块所对应的不规则多边形的顶点、分块内的节点以及各第一类辅助点具备斥力；且各节点在其所属射线线段上移动；B3、根据分块所对应的不规则多边形的顶点对分块内的节点有斥力、分块内的节点相互之间有斥力、第一类辅助点对所属射线线段上的节点有斥力，建立力引导模型；其中，射线线段为射线上不规则多边形的顶点和该射线上的辅助点之间的线段。进一步地，步骤S3所述集合中每一个点所受的斥力总和计算式为：F＝FG+FP+FQ；其中，FG表示分块内某节点受到所对应的多边形顶点G对其的斥力，FP表示分块内某节点受到分块内其节点的斥力，FQ表示分块内某节点受到第一类辅助点的斥力。进一步地，步骤S4所述根据点所受的斥力总和计算本次迭代每一个点的移动距离，计算式为：l＝Ft，t表示基础距离。更进一步地，当前迭代完成后，还包括对t进行更新，更新表达式为：t＝cool(t)。进一步地，步骤S5还包括：将分块中的节点坐标转化为以该分块对应的不规则多边形顶点为原点的极坐标。本专利技术的有益效果：本专利技术的方法，首先根据不规则区域的几何特征将区域分为几个部分，然后在每个部分中根据力导引的思想建立受力模型，在限制条件下进行多次迭代，使区域中心密集的节点向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，其特征在于，包括：S1、对不规则多边形进行分块，将多边形中圆形布局中的点分为N块，N为多边形顶点的数量；S2、判断是否存在未布局的分块，如果有，则取出该分块内点的集合，然后执行步骤S3；否则结束；S3、在各分块内建立受力模型，求解集合中每一个点所受的斥力总和；S4、根据点所受的斥力总和计算本次迭代每一个点的移动距离，根据移动距离更新每一个点的坐标，并且记录本次迭代的最大移动距离；S5、如果最大移动距离超过预设阈值，则返回进入步骤S3；否则，将现在点的坐标转化为直角坐标，并保存，然后将当前分块标志为布局状态，返回步骤S2。

【技术特征摘要】
1.一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，其特征在于，包括：S1、对不规则多边形进行分块，将多边形中圆形布局中的点分为N块，N为多边形顶点的数量；S2、判断是否存在未布局的分块，如果有，则取出该分块内点的集合，然后执行步骤S3；否则结束；S3、在各分块内建立受力模型，求解集合中每一个点所受的斥力总和；S4、根据点所受的斥力总和计算本次迭代每一个点的移动距离，根据移动距离更新每一个点的坐标，并且记录本次迭代的最大移动距离；S5、如果最大移动距离超过预设阈值，则返回进入步骤S3；否则，将现在点的坐标转化为直角坐标，并保存，然后将当前分块标志为布局状态，返回步骤S2。2.根据权利要求1所述的一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，其特征在于，步骤S1之前还包括：A1、确定子结构的不规则多边形，具体包括以下分步骤：A11、结合网络结构多级层次性和地理信息多级层次性，对网络拓扑进行网络结构的划分，得到若干子结构。A12、统计子结构中具有位置信息的节点，根据各节点确定该子结构的中心点；A13、连接相邻子结构的中心点，并根据相邻子结构各自节点数目的比例，确定一第二类辅助点将中心点之间的连线划分为两段；A14、顺序连接属于同一个中心点的辅助点，得到围绕中心点的不规则多边形。A2、对不规则多边形进行圆形布局；具体包括以下分步骤：A21、确定要布置的圆周数以及最大圆的半径；其他圆的半径按照给定步长缩小；A22、根据不规则多边形内节点的属性值，将最大属性值的节点布置于圆心处，剩下的节点按照各圆周长度比例划分进行布置。3.根据权利要求2所述的一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，其特征在于，剩下的节点按照各圆周长度比例进行划分布置，具体为，根据各圆周长度比例得到布置到各圆周的节点数，然后根据各圆周对应的节点数按照节点属性值从大到小将剩下的节点划分至各圆周。4.根据权利要求3所述的一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，其特征在于，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：费高雷，胡志宇，胡光岷，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51