一种时序数据交互渐进式可视化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种时序数据交互渐进式可视化方法及系统，利用最大值最小值聚合和差分运算将原始数据转换为具有层次的最大最小树结构表示方式；根据可视化需求，在所述最大最小树结构选择目标层，从该层对所述最大最小树结构进行广度搜索；根据树节点的时间范围和列像素的时间范围关系，对相应节点和子节点进行遍历，且随着遍历过程，将获取的所述最大最小树结构进行可视化更新。本发明专利技术将基于最大最小树结构的时序数据表示方式和基于树结构的增量查询可视化生成进行结合，实现了渐进式生成准确的可视化，而且可以提供多种流畅的交互方式，可以有效满足大规模时序数据交互式可视化的需求。的需求。的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种时序数据交互渐进式可视化方法及系统


[0001]本专利技术属于数据可视化、数据管理
，涉及一种时序数据交互渐进式可视化方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]随时序数据被广泛地应用于金融、制造、医疗、环境监测等领域中，例如价格变化、生产线运行状态监控、医疗设备监控等。时序数据通过定期测量一些随时间变化的变量来采集，然后被存储在云服务器上的远程数据库中，以便数据分析人员在客户端使用可视化工具对其进行交互式探索分析。用户通过与可视化为折线图的时序数据进行交互，可以通过执行各种各样的分析任务，来发现隐藏在时序数据中的有用信息，例如时序数据中的峰值、趋势、周期性变化等。为了提高用户分析时序数据的效率，人们已经开发了许多交互式可视化技术，例如SignalLens、多焦点缩放、Zenvisage以及其他可视化查询工具。这些技术可以帮助用户更好地理解时序数据，进而从数据中发现有趣的特征。
[0004]然而，据专利技术人了解，存储在远程数据库中的时序数据的规模通常非常庞大，直接在客户端对原始大规模时序数据进行可视化会存在两个问题：(1)数据规模庞大导致数据传输时间长；(2)客户端内存有限，无法一次性存储全量的数据。这两个问题是目前阻碍人们对大规模时序数据进行流畅交互探索的根本原因。
[0005]降低数据传输延迟的一种常见方法是减小传输数据的规模。对数据进行聚合采样是一种有效的减小数据规模的方法，该方法是在数据获取阶段通过对数据进行采样来减少传输的数据量。但是，降低传输到客户端的数据规模可能会导致可视化结果出现误差。目前，人们已经提出了许多技术和方法来解决数据聚合采样后数据原始特征丢失问题的。然而，大多数方法没有考虑到聚合采样会严重影响用户对可视化结果的感知。例如，现有的很多技术在用户调整显示窗口大小后，会通过挤压或者拉伸的方式来对可视化结果进行调整，从而导致可视化结果发生扭曲。为了解决这种可视化结果存在误差的问题，面向可视化的时序数据聚合方法M4被提出。在给定大小的显示窗口下，M4能够找到准确地渲染每列像素所需要的数据记录，从而保证使用聚合后的数据生成的可视化结果与原始数据的可视化结果在像素上完全一致。然而，在大规模时序数据的场景下，M4无法支持用户对数据进行流畅的交互探索。首先，由于M4执行查询的时间复杂度为O(n)，其中n是时序数据长度，因此它为超过百万条记录的数据生成可视化需要花费超过1秒钟的时间，这超出了交互式探索的时间(小于500毫秒)延迟限制。其次，每当用户使用在M4探索时序数据过程中发起交互时，M4都需要向服务器发起一次新的数据查询请求。由于这些缺陷的存在，M4无法支持连续的交互操作，如平移时间范围和缩放时间范围，因此M4不适用于对大规模时序数据进行可视分析。
[0006]渐进式可视化是一种经典的大规模数据可视化方法。与传统的阻塞式等待查询结
果的方法不同，渐进式可视化技术能够立即为用户呈现可能与之交互的中间结果的可视化。其中，IncVisage是一种出色的渐进式可视化方法，它使用在线采样的技术，逐步计算可视化的中间特征，从而迅速呈现数据分析的中间结果。该方法能够在数秒内快速呈现近似的可视化效果，并随着时间的推移不断对现有的结果进行更新，最终获得精确的可视化结果。但是，IncVisage每次更新都需要向服务器请求新的结果，其网络传输成本与更新次数呈线性关系。由于这些特点IncVisage难以应用在大规模时序数据的交互式可视化中。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种时序数据交互渐进式可视化方法及系统，本专利技术将基于最大最小树结构的时序数据表示方式OM3和基于树结构的增量查询可视化生成进行结合，实现了渐进式生成准确的可视化，而且可以提供多种流畅的交互方式，可以有效满足大规模时序数据交互式可视化的需求。
[0008]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种时序数据交互渐进式可视化方法，包括以下步骤：
[0010]利用最大值最小值聚合和差分运算将原始数据转换为具有层次的最大最小树结构表示方式；
[0011]根据可视化需求，在所述最大最小树结构选择目标层，从该层对所述最大最小树结构进行广度搜索；
[0012]根据树节点的时间范围和列像素的时间范围关系，对相应节点和子节点进行遍历，且随着遍历过程，将获取的所述最大最小树结构进行可视化更新。
[0013]作为可选择的实施方式，所述最大最小树结构表示方式从结构上看为一颗完全二叉树，树上的每个节点都存储了两个数值，一个最大值和一个最小值，该最大值和最小值是从其两个子节点中存储的数值计算得到的。
[0014]作为可选择的实施方式，利用最大值最小值聚合和差分运算将原始数据转换为具有层次的最大最小树结构表示方式的具体过程包括：
[0015]查询需要进行编码的原始时序数据；
[0016]对原始时序数据进行缺失的数据进行填充；
[0017]计算排序系数，以标记数据的先后顺序和缺失情况；
[0018]递归计算聚合系数和细节系数，以对原始时序数据进行逆向还原。
[0019]作为进一步的，计算排序系数的具体过程包括：
[0020]当相邻的数据点均为未缺失，并且前者小于后者时排序系数设置为(0，0)；
[0021]当相邻的数据点均为未缺失，并且前者大于后者时排序系数设置为(1，1)；
[0022]当前者发生缺失时，排序系数设置为(0，1)；
[0023]当后者发生缺失时，排序系数设置为(1，0)；
[0024]当两者发生缺失时，排序系数设置为空。
[0025]作为可选择的实施方式，根据可视化需求，在所述最大最小树结构选择目标层的具体过程包括根据可视化窗口的宽度w和当前要可视化的时间范围[t1,t2]在树结构中选择某一层，该层次的节点的数量刚好大于w，从该层次对树结构进行广度搜索。
[0026]作为可选择的实施方式，根据树节点的时间范围和列像素的时间范围关系，对相
应节点和子节点进行遍历的具体过程包括：
[0027]如果某个树节点的时间范围完全属于某一列像素的时间范围，则使用该节点对这一列像素进行更新最大值和最小值，并停止对该节点的子节点进行遍历；
[0028]如果某个树节点的时间范围不能完全属于某一列像素的时间范围，则需要继续对该节点的子节点进行访问；
[0029]如果需要被访问的子节点在树结构中不存在，则重新请求数据，并对子节点进行重建。
[0030]作为进一步的，如果该节点的保存的最大值和最小值能够被其左右两列像素的交集所包含，停止对该节点的子节点进行遍历。
[0031]作为可选择的实施方式，在对树结构进行层次遍历的过程中，根据细节系数，构建下一层的聚合系数，进而构建出整颗系数树，并执行逆向变换得到聚合系数并插入树结构。
[0032]可视化的过程包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时序数据交互渐进式可视化方法，其特征是，包括以下步骤：利用最大值最小值聚合和差分运算将原始数据转换为具有层次的最大最小树结构表示方式；根据可视化需求，在所述最大最小树结构选择目标层，从该层对所述最大最小树结构进行广度搜索；根据树节点的时间范围和列像素的时间范围关系，对相应节点和子节点进行遍历，且随着遍历过程，将获取的所述最大最小树结构进行可视化更新。2.如权利要求1所述的一种时序数据交互渐进式可视化方法，其特征是，所述最大最小树结构表示方式从结构上看为一颗完全二叉树，树上的每个节点都存储了两个数值，一个最大值和一个最小值，该最大值和最小值是从其两个子节点中存储的数值计算得到的。3.如权利要求1或2所述的一种时序数据交互渐进式可视化方法，其特征是，利用最大值最小值聚合和差分运算将原始数据转换为具有层次的最大最小树结构表示方式的具体过程包括：查询需要进行编码的原始时序数据；对原始时序数据进行缺失的数据进行填充；计算排序系数，以标记数据的先后顺序和缺失情况；递归计算聚合系数和细节系数，以对原始时序数据进行逆向还原。4.如权利要求3所述的一种时序数据交互渐进式可视化方法，其特征是，计算排序系数的具体过程包括：当相邻的数据点均为未缺失，并且前者小于后者时排序系数设置为(0，0)；当相邻的数据点均为未缺失，并且前者大于后者时排序系数设置为(1，1)；当前者发生缺失时，排序系数设置为(0，1)；当后者发生缺失时，排序系数设置为(1，0)；当两者发生缺失时，排序系数设置为空。5.如权利要求1所述的一种时序数据交互渐进式可视化方法，其特征是，根据可视化需求，在所述最大最小树结构选择目标层的具体过程包括根据可视化窗口的宽度w和当前要可视化的时间范围[t1,t2]在树结构中选择某一层，该层次的节点的数量刚好大于w，从该层次对树结构进行广度搜索。6.如权利要求1或5所述的一种时序数据交互渐进式可视化方法，其特征是，根据树节点的时间范围和列像素的时间范围关系，对相应节点和子节点进行遍历的具体过程包括：如果某个树节点的时间范围完全属于某一列像素的时间范围，则使用该节点对这一列像素进行更新最大值和最小值，并停止对该节点的子节点进行遍历；如果某个树节点的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪云海，王玉春，陈昕，赵跃，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：