（控制科学与工程专业论文）基于双曲空间的层次信息可视化方法研究.pdf

国防科 学 技术 大学研 究生 院学位 论 文 摘要 随着信息的日 益丰富和互联网技术的发展，如何在海量数据中获取有效信息这一问题 促使信息可视化领域成为当前的研究热点之一。 信息可视化是在计算机上采用图形的方式 体现抽象数据的方法，从而便于人们利用视觉增强对非物理抽象信息的认知，它涉及到计 算机图形学、人机交互技术、认知心理学、图形设计等多个领域。 在信息结构中，层次结构最为普遍。传统的描述层次信息的方法就是将其组织成一个 类似于树的节点连线图，这种树形节点连线图结构简单、直观便于普通用户掌握。但是对 于大型的层次结构而言，树形结构的分支很快就会拥挤交织在一起，变得混乱不堪。这是 层次信息可视化过程中的主要问题。 针对这个问题，本文在分析研究层次信息可视化技术的基础上，着重研究了基于双曲 空间的层次信息可视化方法。此外，设计并实现了基于双曲空间层次信息可视化方法的开 发环境最后进行了实例验证。本文主要研究内容包括; 首先，在分析研究层次信息可视化相关技术及多种层次信息可视化方法的基础上，采 用基于双曲空间的层次信息可视化方法解决层次信息可视化的主要问题。 其次，根据层次信息的特点设计并实现了一个可扩展的基于双曲空间层次信息可视化 方法的开发环境。 最后，研究分析了在电子政府中使用层次信息可视化的必要性。并通过系统在杭州政 府机构中的应用实例验证了系统的可行性及有效性。 关键字:信息可视化层次信息可视化双曲空间电子政府 国防科学技术大学研究生院学位论 文 a b s t r a c t wi t h t h e in c r e a s i n g in f o r m a t i o n g l u t a n d t h e a d v a n c e s i n d a t a a c c e s s o n d i g it a l n e t w o r k s , t h e q u e s t io n o n h o w t o f i n d s p e c i f i c i n f o r m a t i o n l e a d s t o i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n a s o n e o f t h e h o t t e s t t o p i c s o f s i g n i f i c a n t d e v e lo p m e n t a n d r e s e a r c h . i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n i s a c o m p u t e r - a i d e d v i s u a l p r e s e n t a t i o n o f a b s t r a c t i n f o r m a t i o n s p a c e s a n d s t r u c t u r e s w h i c h a im s t o o p t i m i z e t h e u s e o f o u r p e r c e p t u a l a n d v i s u a l - t h i n k i n g a b i l i t y i n d e a l i n g w i t h t h e m . i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n d r a w s o n i d e as fr o m s e v e r a l i n t e l l e c t u a l t r a d i t i o n s , i n c l u d i n g c o m p u t e r g r a p h i c s , h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n , c o g n i t i v e p s y c h o l o g y , g r a p h i c d e s i gn, e t c . h i e r a r c h i c a l d a t a , t h e m o s t p r e v a l e n t s t ruc t u r e , i s v e r y d i v e r s e a n d i s e n c o u n t e r e d i n m a n y f o r m s . t h e t r a d i t i o n a l p r e s e n t a t i o n o f h i e r a r c h i e s u s u a l l y u s e s t r e e m o d e l s w h e r e c h i l d n o d e s a r e p o s i t i o n e d u n d e r t h e i r p a r e n t s i n w e d g e - l i k e f o r m a t i o n s . b e c a u s e t r e e m o d e l s a r e w e l l u n d e r s t o o d , t h e y a r e e a s y f o r p e o p l e t o g r a s p . h o w e v e r w h e n t h e h i e r a r c h i c a l s t ru c t u r e i s h u g e , r e p r e s e n t i n g t r e e s i n t h i s m a n n e r w i l l c o n f u s e t h e s t r u c t u r e , w h i c h i s t h e m a i n p r o b l e m o f h i e r a r c h i c a l i n f o r ma t i o n v i s u a l i z a t i o n . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e m a i n p r o b le m s , t e c h n o l o g i e s o f h i e r a r c h i c a l i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n a r e d i s c u s s e d . t h e r e s e a r c h f o c u s e s o n h o w t o v i s u a l i z e h i e r a r c h i c a l i n f o r ma t i o n u s i n g h y p e r b o l i c s p a c e . b e s i d e s , a d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t o f h i e r a r c h i c a l i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n i s d e s i g n e d a n d r e a l i z e d i n t h e d i s s e rt a t i o n . t h e m a i n r e s e a r c h i n c l u d e s t h e f o l l o w i n g t h r e e p a r t s : f ir s t o f a l l , a ft e r a n a l y z i n g a n d r e s e a r c h i n g i n t o t h e t e c h n o l o g i e s a n d m e t h o d s o f h i e r a r c h i c a l i n f o r m a t i o n v i s u a li z a t i o n , t h e p a p e r a d o p t s t h e m e t h o d b a s e d o n t h e h y p e r b o l i c s p a c e t o r e s o l v e t h e m a i n p r o b l e m i n t h e f i e l d . s e c o n d l y , a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r o f h i e r a r c h i c a l i n f o r m a t i o n , a n e a s i l y e x p a n d e d s y s t e m w h i c h i s b as e d o n t h e h y p e r b o l i c s p a c e t o v i s u a l i z e i s d e s i g n e d i n t h e p a p e r . f i n a l ly , t h e p a p e r p o in t s o u t t h a t i t i s i m p e r a t i v e t o u s e h i e r a r c h i c a l i n f o r m a t io n v i s u a l iz a t i o n i n e - g o v e r n m e n t . b e s i d e s , b y u s i n g t h e s y s t e m i n h a n g z h o u g o v e r n m e n t , t h e f e a s i b i l it y a n d t h e v a l i d i t y o f t h e s y s t e m a r e j u s t i f ie d . k e y w o r d s : i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n , h i e r a r c h i c a l i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n , h y p e r b o l i c s p a c e , e - g o v e r n m e n t 1 1 一 一一 一 通 竺竺 塑主 主一圣生 竺 卫 生院 .y ts 论 友_ _ _ 图 目录 巧服刀泞用月1 01010沮 图2 . 1 信息可视化参考模型 二、 图2 . 2数据状态参考模型 . . . . . . 图2 . 3 w e b网可视化的数据状态参考模型 图2 . 4节点连线图 . . . . . ， 图2 . 5二维圆锥树示意图 . . . . ， . 图2 . 6矩形嵌套图 . . . . . . . . . . 图2 . 7 r e i n g o l 。和t i l f o r d 布局图. r 图28气球状布局图.， ， ， . ， 图2 . 9 放射状布局 ， . 图2 . 1 0两种技术的简略图. ，. 一一一一一一一一一.m19.20 图3 . 1 具有4 2 个节点的树结构的普通视图. . . . . . 图3 . 2平行线和等距线在两个空间中的比较 ， ， . . 图3 . 3信息可视化中使用双曲空间的灵感图 . . . . . 二 图3 . 4二维双曲平面在三维欧几里得空间示意图. 图3 . 5布局递流程图. . . . . . . ， . 图3 . 6双曲空间k l e i n 模型排列算法示意图 . . . . 图3 . 了一般树排列算法示意图. . . . . . . . . . . . . . 二 图3 . 8 k l e i n投影示意图 . . . . . . . 图 3 . 9 映射 图示. .， . . . . . . . . 二， 二 图3 . 1 0 两种映射模型的比较 . . . . . . . . . ， 图3 . 1 1 动态显示过程示意图 . . t ， . . 图 3 . 1 2 焦点改变示意图 ， . . . . . . . . . . . . . . . . ， . 22幼24肠25262729303131犯舱34 图4 . 1系统功能图. ，. . . . 图42系统信息流图下 ， . . . . . . 图43系统体系结构图. 二，. 图 4 . 4 典型 的 n y c通信. . . . . . 图性 . 5数据解析模块功能示意图二 图4 . 6 i? x c e l 数据文件解析流程图 . 图4 . 了系统可视化模块的内部框架 . 图4 . 8可视化对象类关系图. 图4 . 9 g r a p h 映射流程图.， . . 二 图4 . 1 0 节点移动算法流程图 . ，二， . 图 4 . h 鼠标拖动序列图 ， . . . . . . 二， . 图 4 . 1 2 层次信息浏览界面 . 图 4 . 1 3信息编辑 窗口图. ， . . . 图5 . 1电子政府提供服务示意图 国 防科 学 技术 大学 研 究生 院学 位 沦 文 su门卜匕卜匕产. ，jn乃马门q曰，d 图 5 . 2文本形网站导航图 . . . . . . . 图 5 . 3层次结构的类资源管理器视图 . 二 图 5 . 4“ 中国杭州”政府 门户网站某页面 图 5 . 5“ 中国杭州”网站结构. . . 图 5 . “ 中国杭州”可视化视图 二. 里堕型羔垫查查堂塑壅圭堕堂堡笙奎 表目录 表3l 欧氏几何和双曲几何的比较 ，1 d 表41 节点类属性及方法说明 表4 2 可视化模块中相关类主要方法及说明 表43h n o d e 0 类主要属性及方法 表44h g r a p h ( ) 类主要属性及方法 表45h v p e r b o l i c a l g o t i t h m 0 类丰要属性及方法 表4 6h y p e r b o l ic v i e w 0 类主要属性及方法 2 6 2 8 2 8 2 8 2 8 2 9 国防科 学技 术大 学研 究 生 院学位 论 文 第一章引言 我们处在一个信息爆炸的时代。随着计算机存储技术和网络技术的发展，人们可以掌 握的信息类型越来越多，信息规模也越来越大。然而， 在激增的数据背后，简单地获取和 保存信息并不是目的， 人们需要的是从中获得和理解自己需要的知识， 即所谓对信息的“ 洞 察 ( i n s i g h t ) 。这时候，人们才发现即 使大量的信息唾手可得，要想真正从中获取自 己 所需要的内容，也并不容易。面对复杂的信息，人们往往不知所措，过量的信息己经逐渐 成为信息可用性的一道障碍。 另一方面，信息本身不仅可能数量巨大，而且有些信息更新的速度极快，各种信息之 间存在着复杂的关系。在这种情况下，用户不仅需要迅速获得信息，而且需要在短时间内 理解它们，迅速做出决策。 为了及时地从各种信息中获取对自己有用的知识，避免在海量信息中产生迷航，人们 希望有一种办法能够帮助有效地管理各种信息、更加直观地描述信息之间的关系、 挖掘信 息中隐藏的特征，使得人们能够在尽可能短的时间内、以最自 然的方式获得、理解所需信 息并做出决策。对这个问题进行探索的努力，以及近十几年来计算机技术的迅速发展，促 成了信息可视化这一科学领域的出现。 夸 1 . 1 信息可视化的概念 对于人的理解能力来说，对图形的理解要比文字来得更迅速与准确，尤其是对于一般 的使用者，图形化的人机界面更能消除他们对于计算机操作的“ 恐惧”心里。可视化将数 据、信息和知识转化为可视形式，充分利用人们对可视模式快速识别的自 然能力。在信息 日 益丰富的当今社会， 信息可视化技术的研究和发展已经从根本上改变了我们表示和理解 大型复杂数据集的方式。信息可视化影响广泛，可以带给我们新的理解和更有效的决策 从广义上讲信息可视化可以定义为利用计算机帮助将抽象的不具有视觉形象的数据 赋予视觉形象以便人们理解和处理的一个过程。 信息可视化技术就是将各类抽象的数据信 息转换为图形信息， 使研究者能真实地观察他们对实际问题的模拟及处理结果，它包括对 大量信息的理解和综合，使人们能看到肉 眼看不到的东西，起到解释计算机内部表示和产 生复杂问题的数据图像的作用，它是随着计算机图形学的成熟，高性能图形工作站的普及 以 及人们运用计算机图形表达各种信息的需要而发展起来的一门新型的高技术/6 信息可视化将人脑和现代计算机这两个强大的信息处理系统联系在一起。人类的可视 化功能， 允许人类对大量抽象数据进行分析。 信息可视化可以帮助人们操纵、 浏览、 过滤、 搜索、理解大规模数据，并与之方便交互， 从而可以 有效地发现隐藏在信息内部的关系、 特征和规律 。人的创造性不仅取决于人的逻辑思维， 而且取决于人的形象思维。 海量的 数据只有通过可视化变成形象， 才能激发人的形象思维。从而，可以在表面上看来是杂乱 无章的海量数据中，找出发现其中隐藏的特征、模式和趋势，为科学发现、工程开发、医 疗诊断和业务决策等提供依据。 信息可视化的形成有两大基础:认知心理学和图形设计。其中认知心理学提出了有关 人类是如何感知和认识世界这一问 题的相关理论， 作为可视化的理论指导;图形设计则提 x a i t一.一 国防科 学 技术大 学研 究 生院学位 论 文 供了用于更加艺术地表现可视化的方法，作为实际操作经验方面的导向。 信息可视化不仅仅是精彩的图形和图像显示。成功的可视化能够节约获取信息、理解 信息的时间，从而能够增强人的创造性思维。和绝大多数用于科学可视化中的数据形成对 比的是， 信息通常是非空间和抽象的。 为了生成可视化， 需要将信息映射到一个物理空间， 该 物理空间能够忠实有效地体现信息中的关系，从而可以让观察者充分地利用其与生俱来 的理解空间关系的能力。为抽象信息寻找一个好的空间表示是信息可视化中最为困难的任 务 :f7 信息可视化实际上是人和信息之间的一种可视化界面，是人机交互技术的重要组成部 分。 人机交互是研究人、计算机以 及它们相互影响的 技术们 。可以说，信息可视化是研究 人、计算机表示的信息以及它们相互影响的技术。 此外，可视化技术最早运用于计算科学中，并形成了可视化技术的一个重要分支 科学计算可视化 ( v i s u a l i z a t i o n i n s c i e n t i f i c c o m p u t i n g ) 。科学计算可视化的研究重 点在于，如何将具有几何属性的科学数据真实地表现在计算机屏幕上。它主要涉及计算机 图形图 像等问 题，图形质量是其核心问 题，并涉及到标量、矢量、数值模拟及计算的交互 控制、海量数据的存储、处理及传输等，侧重于物理科学方面的研究。信息可视化的研究 重点除了如何绘制所关注对象的可视化属性这类问题以外，更重要的问题是把非空间抽象 信息映射为有效的可视化形式，寻找合适的可视化隐喻。二者的区别目前仍然没有一个统 一的认可，但是一般情况下，认为信息可视化是对非空间相关的数据的空间映射，而科学 可视化是使用空间对空间数据进行描述。 1 . 2 国内 外信息可视化研究现状 虽然信息可视化只是比较新的一个研究领域，但是由于可视化给人们带来了诸多益 处，引起人们的广泛兴趣。自 从 1 9 9 5 年以来，工 e e e每年都举办一届信息可视化专题研讨 会。主要围绕下面一些问题展开:交互信息可视化:多维信息可视化:复杂信息可视化; 对不同观众的信息可视化;工 n t e r n e t 和w w w 可视化; 浏览和导航方法;可视化算法; 算法 可视化:文本信息可视化;可视化和知识发现;图和网;地理可视化等。 可视化的数据多 种多 样， 可以 主要分为一维信息、二维信息、三维信息、多维信息、 层次信息、网络信息等。因为二维、三维信息往往具有空间属性，所以可以当作科学可视 化的研究对象，下面介绍其它几种类型信息的可视化目 前在国外的研究情况。 1 .一维信息可视化。一维信息常常以基于文本的有序链表形式出现，我们面临的信 息中，如程序源代码、文档、 科学论文、 报纸文章等绝大多数是文本信息，将这些信息表 示为一种可视化形式能够使用户迅速浏览这些海量信息，并找到自己感兴趣的部分。一维 信息中可能包含一些附加信息， 例如每个信息节点的最后修改时间，这种历史信息可以利 用可视化技术来表示。 美国 西北太平洋国家实验室 ( p a c i f i c n o r t h w e s t n a t i o n a l l a b o r a t o r y )提出了一 系列的 信息访问 和可视化分析z具，统称为 s p i r e ( s p a t i a l p a r a d i g m f o r i n f o r m a t i o n r e t r i e v a l a n d e x p l o r a t i o n ) e j . s p i r e 可 以 用 于 几 乎 任 何 类 型 的 大 型 文 档 集 合 ， 确 定 文 档之间的关系， 将其表示为对人而言非常自 然的可视化形式。 此外， b e l l 实验室的e i c k 等人在可视化系统s e e s o f t 中实现了一种对复杂庞大计算机程序进行可视化的方法。这种 方法通过将程序的每行代码根据其长度映射为一条短线，可以实现同时分析多至上百万行 代码。 - -一藻万贾一一一一，一-一一一 国防科 学 技术 人学研 究生院 学位 论 文 2 .层次信息可视化。抽象信息之间的关系最普遍的一种就是层次关系，如磁盘目录 结构、 文档管理、图书分类、 人类社会的族谱、社会组织机构、 地址薄等。传统的描述层 次信息的方法就是将其组织成一个类似于树的节点连线图。这种树状结构简单直观，但是 对于大型的层次结构而言，树型结构的分支很快就会拥挤交织在一起，变得混乱不堪。这 主要是因为树状层次结构在横向 ( 每层的节点个数)和纵向 ( 层次结构的层数)扩展的比 例不一致造成的。 在人们对层次信息可视化进行研究的过程中，提出了一系列新的可视化技术，典型的 有: r o b e r t s o n , m a c h k i n l a y 和c a r d 等n 7 提出的 利用三维图形技术对层次结构进行可视化 的 方法c o n e t r e e ; s h n e i d e r m a n 等提出的一种可以 充分利用屏幕空间的层次信息表示模 型t r e e - m a p ; l a m p i n g 和r a 。 等u q 提出 的 一 种基于双曲 几何的 可视化和操纵大型层次结构 的f o c u s + c o n t x t 技术 一种变形技术，参见2 . 3 . 2 节相关内容) 。 3 .多维信息可视化。多维信息可视化处理的数据基本上不具有空间属性。信息节点 通常具有多个属性。应用领域中如果包含抽象和统计信息，就要用到多维信息可视化，例 如， 股市统计。多维信息可视化中，如何将大型多维数据表中隐含的特征 ( 即数据之间的 关系) 用一种直观的方式表示出 来是关键。 x e r o x p a r c 用户界面研究组的r a o 1 4 1 等提出 的t a b l e l e n s 技术是可视化和理解多维数据的一项技术。它把统计分析和电子表格的易用 性结合在了一起， 适用于大型多维数据分析领域，是一种很好的多维信息可视化结构。 4 .网络信息可视化。 w e b 上的 信息不计其数， w e b 可视化在帮助人们理解信息空间的 结构、 快速发现所需信息、 方便地利用w e b 上的信息、 有效地防止信息迷途等方面扮演着 越 来 越 重 要 的 角 色。 一 个 很 好 的 例 子 是c a r d 等 ， 开 发 的w e b b o o k 和w e b f o r a g e r . w e b b o o k 通过将一系列预定的页面放到一个类似于树的排列结构里，允许用户与这些页面的决速交 互。 w e b f o r a g e r 是一个将w e b b o o k 和其他对象嵌入到一个层次工作空间中的应用。 另外， x e r o x p a r c 研究中心用户界面研究组的c h i 等【 12 提出了 一种网站内容和访问变化的 可视化 方法。 我国在 8 0年代就开始进行科学计算可视化的研究和应用。至今，我国不论在算法方 面，还是在应用方面，都己取得了一大批可喜的成果。但是国内科学可视化研究通常是观 察基于物理的数据，例如人体、地球、分子结构等，计算机可以绘制他们的某些可观察属 性。这些数据本质上仍然是几何的，都是基于物理空间的。对没有明显空间特征的非物理 信息抽象数据可视表示的信息可视化只是在近年才受到广泛重视， 如金融数据、 商业信息、 文档集合、 抽象概念等， 这方面的 研究远不及国外发展水平， 针对层次信息的可视化研究 更是处于初级阶段。 1 . 3 问 题的提出 根据抽象信息间关系不同，信息一般分为线性信息类型、 层次信息类型、多维信息类 型，网络信息类型等。其中层次信息是最普遍、最重要的一种， 在客观世界中广泛存在， 如磁盘目 录结构、文档管理、图书分类、人类社会的族谱、社会组织机构、地址薄等。层 次关系几乎无处不在，而且很多数据信息都可以通过一定的抽象转化为层次信息，因此对 层次信息的特性进行研究并选择合适的信息可视化方法不仅对于复杂信息可视化应用的 设计具有举足轻重的作用，而且能够满足多种可视化用户的需求。 传统的描述层次信息的方法就是将其组织成一个类似于树的节点连线图。这种树状节 点连线图结构简单、直观且便于普通用户掌握。 但是一般情况下，树结构中层次节点增长 第3 页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 的速度很快， 通常层次节点的数目随着层次的增长呈指数增长。 因此在普通的二维空间中， 树形结构的分支很快就会拥挤交织在一起，变得混乱不堪。这是层次信息可视化过程中的 主要问题，本文在研究分析层次信息可视化的基础上，着重研究了基于双曲空间的层次信 息可视化方法。双曲空间由于具有特殊的性质，可以成功实现大型层次信息的可视化并可 以解决由于信息量增加带来的信息查询困难的问题。 随着社会信息化进程的加快，如何运用先进的信息技术构建电子政府，实施电子政务 己成为摆在我国各级政府面前的一项紧要工作。面向公众服务是目 前国际电子政务发展和 建设的主流趋势，是电子政务面向决策支持功能的根本目的，因而也是国家电子政务建设 的重点之一。 公众服务是以建设高效、公开、勤政的公众服务系统为目 标，以政府部门日常业务处 理信息系统为基础，通过先进的互联网技术，更好地向社会、企业和公众提供政府部门的 服务，以适应信息化社会发展的需要。由于电子政府不同于人们观念中传统的政府，是一 种虚拟政府， 而电子政府的用户群体在地域、 文化背景、语言、 受教育程度、 计算机技能、 职业等方面呈现出空前的多样化。电 子政府在运转的时候要考虑以 下问 题 m i :如果用户直 接进入一站式平台，能不能知道如何操作它?用户能清楚地知道办事流程吗?用户在庞大 的政府结构中知不知道自己的位置，平台有没有提供一个友好的导航系统使用户找到主管 部门在哪里?因此，为普通用户提供一个简单明了的操作界面，把各部门组织结构图、用 户办事流程及政策法规等复杂的信息以可视化的形式提供给用户，不仅能提高电子政府工 作绩效也可大大加速其普及速度。 1 . 4 论文的组织 本文的内容分为以下几个部分: 第一部分，首先引入了信息可视化，并介绍了这一崭新科学领域产生的背景及相关概 念。然后介绍了国内外信息可视化研究的现状和发展趋势，以 及目 前信息可视化研究范围 及研究重点，指出了层次信息可视化在信息可视化中研究的重要性。 第二部分，从信息可视化参考模型和数据状态参考模型两方面介绍了层次信息可视化 过程，并介绍了层次信息两种主要的表现方法及相应的可视化模型框架。此外，详细研究 了层次信息可视化过程中的几项关键技术。 第三部分，针对层次信息可视化中的主要问题，重点研究了基于双曲几何的层次信息 可视化方法在解决大型层次信息可视化问 题中的优点，并分析研究了这种信息可视化方法 的几项关键技术。 第四部分，根据层次信息的特点采用基于双曲空间的层次信息可视化方法设计并实现 了 层次信息可视化开发环境。 对系统总体设计后， 分析出了 系统的主要功能模块，然后针 对不同的功能模块进行详细设计并实现。 第五部分，研究了层次信息可视化在电子政府中的应用。对电子政府的任务及其涉及 到信息的特点进行分析后，得出在电子政府中可以采用层次信息可视化方法更好地为用户 提供服务。通过基于双曲空间的层次信息可视化系统在 “ 中国杭州”中的应用，验证了系 统在电 子政府中应用的正确性及有效性。 最后一部分， 总结全文， 指出本论文的贡献及不足， 并分析了下一步工作的研究重点。 第 a页 国防 科学技术 大学研 究 生院学位 论 文 第二章层次信息可视化技术 互 2 . 1 层次信息可视化过程 2 . 1 . 1 信息可视化参考模型 图2 . 1 是信息可视化参考模型 16 。 从图中可以 看出， 信息可视化把原始数据转换成为 用户提供信息的视图需要进行一系列的转化:数据变换把原始抽象数据映射为特殊形式的 数据格式 ( 数据的相关性描述，包括元数据)，如数据表;可视化映射把数据表转换成具 有空间特征、有标记符号及绘图工具的可视化结构 ( 结合了空间基、标记和图形属性的结 构)， 这是参考模型的核心;最后视图变换通过定义位置、缩放比例、裁剪等图形参数创 建可视化结构的视图，可以 通过人机交互控制这些参数，目前已有鱼眼、飞行浏览、相机 移动、局部细化等多种人机交互技术。 数据 可视化形式 .旧” 数据变换可视化映射视图变换 图2 . 1信息可视化参考模型 在信息可视化整个过程中，为抽象数据集寻找空间映射是设计的难点。数据表示基于 数学关系，可视化结构则基于能够被人的视觉有效处理的图形属性。 科学可视化主要集中 在物理数据上， 与之不同的是， 信息可视化的研究主要集中在抽象信息上。 在很多情况下， 信息本身并不能自动映射到几何物理空间。这意味着许多信息类型没有自 然或明显的物理 表示形式。因此，一个关键的问题就是发现新的可视化隐喻 ( 可视化结构)来表示信息， 并且理解这些隐喻所支持的分析任务。 可视化结构有三个基本的组成部分: 空间 基， 标记， 标记的图形属性n 6 1 。 在可视化过 程中，数据表被映射为可视化结构， 可视化结构在一个空间基中用标记和图形属性对信息 进行编码。为了得到一个好的可视化结构，这个映射必须能够保持数据的原有信息，并且 只有数据表中的数据才能在可视化结构中表示。要获得一个好的映射并不是一件很容易的 事，因为在可视化结构中很容易出现不必要的数据。映射必须是能够很容易被人感知的。 如果一个映射比其它映射能够更快地被理解，能够表达更多的差别， 或者能够更不容易导 致错误， 那么这个映射比其它的映射就更具有表现力。 如何寻求一个好的可视化结构，是 信息可视化的一个关键问题。 2 . 1 . 2 信息可视化数据状态参考模型 信息可视化过程也可以从数据状态转化的 角度来理解m i ， 图2 . 2 是数据状态参考模型。 从图中看出，信息可视化过程可划分成四种数据状态， 三种数据转化以 及四种状态内部算 子。 可视化数据流依次经过四种截然不同的状态: 元数据， 分析抽象， 可视化抽象及视图。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 把数据从一种状态转化到另一种状态需要以下三种数据转化操作中的一种:数据转化，可 视化转化， 视觉映射转化。数据转化主要是从原始数据中提取出可视化所需要的数据间的 关系，可视化转化主要是定义一种方法将分析表示转化为可视化表示，第三次转化是在可 视化表示的基础上建立一种可视化映射，为最终产生视图做好准备。 元数据未经处理加工，不能直接获得其内部结构，在分析抽象阶段数据经过过滤、抽 象等方法初次处理，在可视化阶段再次把数据加工成可以用视图来表示的结构。视图通过 一些技术手段把数据用图形的形式显示出来，完成信息可视化整个过程。 在每一种数据状态中，还有一些不改变潜在数据结构的操作，被称为状态内部算子。 数据阶段算子、分析阶段算子、可视化抽象阶段算子、 视图阶段算子，分别对应四种数据 状态。 阶段算子主要用来完成阶段内部的数据处理。 数据阶段算子按照某种法则或者按照 某个关键字对原始数据进行过滤。分析阶段算子对数据进行抽象过滤处理、规定向量。可 视化抽象阶段算子对数据进一步抽象过滤，建一个基于坐标轴的映射。视图阶段算子进行 过滤、转化、比例以及转换。 图2 . 3 是数据状态参考模型在w e b 网页的运用。从这个实例中可以得出这样的结论: . 一些操作能产生新的数据集，而有些操作产生过滤后的子数据集。这就是转化与 状态内部操作的本质区别。 . 同样的可视化抽象可以使用不同种类的视觉映射转化操作。例如，圆盘树及圆锥 树都可以用到层次结构中。 图2 . 2 数据状态参考模型 第 6 页 国防 科 学 技 术 大 学研 究 生 院 学位 论 文 w e b 网 页 典 合 网页 间 链接 欢 赢 寸洲1视咋 材叭1科转 思汀-可彭 次圈51叹2.下k 踢李 煮t(cum t r e 1川丁甲0 鳖 图2 . 3 w e b 网 可视化的数据状态参考模型 2 . 2 层次信息表现方法 层次信息根据其特有的结构特征可以描述成节点连线图和矩形嵌套图。下面分别介绍 这两种主要的表现方法及相应的可视化模型框架。 2 . 2 . 1 节点连线图 在层次信息可视化中，数据包含的潜在信息结构可以 用不同的可视化结构描述。一般 把这种层次结构描述成节点连线图 ( n o d e / l i n k d i a g r a m s )即树图。节点用来表示数据， 连线表示数据间的关系。计算机领域中这样规范树结构:只有一个节点没有父节点，除此 之外， 每个节点至少有一个父节点。 通常我们把树描述成t = ( v , e ) ， 其中v 是节点的集合， e 是边的集合。图2 . 4 是某层次结构的 节点连线图。 b7 0 c3 0 d6 0 /a - -, f 6 g6 h6 1 4 2 2/r 、 e 60 j3 6 k2 4 子 八反片 ，夸 l 7 竺 弄 气0 4 p 4 q 4 r 4 8 4 14 us v 1 2 w a 图2 . 4 节点连线图 使用节点连线图表示层次信息的最典型的应用模型是 c o n e t r e e ,a 和 h y p e r b o l i c t r e e zm o 1 .圆锥树 ( c o n e t r e e ) 第7页 国防科学技术大学研究生院学位论文 戳“? 一一一一卫婴! 酞 辛奏层次 墨蜊案 图2 3w e b 网可视化的数据状态参考模型 2 2 层次信息表现方法 层次信息根据其特有的结构特征可以描述成节点连线图和矩形嵌套图。下面分别介绍 这两种主要的表现方法及相应的可视化模型框架。 2 2 1 节点连线图 在层次信息可视化中，数据包含的潜在信息结构可以用不同的可视化结构描述。一般 把这种层次结构描述成节点连线图( n o d e l i n kd i a g r a m s ) 即树图。节点用来表示数据， 连线表示数据间的关系。计算机领域中这样规范树结构：只有一个节点没有父节点，除此 之外，每个节点至少有一个父节点。通常我们把树描述成t = ( v ，e ) ，其中v 是节点的集合， e 是边的集合。图2 4 是某层次结构的节点连线图。 夕7 、 b 1 0 c 3 0 d 6 0e 6 0 7 卜 f 6g 6h 61 4 2 j 3 6 l 【2 4 一r 门r 龟s l 7m 7n 2 80 4 p 4 q 4 r 4 8 4 t 4 卜 图2 4 节点连线图 使用节点连线图表示层次信息的最典型的应用模型是 t r e e 。 1 圆锥树( c o n et r e e ) 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 圆锥树根据显示空问维数的不同分为二维圆锥树和三维圆锥树。二维圆锥树采用气球 状排列算法把根结点的子节点均匀排列在以根结点为圆心的圆周上( 参看图2 8 ) 。由 r o b e r t s o n ，m a c k i n l a y 和c a r d 等提出的三维圆锥树是一种利用三维图形技术对层次结构 进行可视化的方法。三维圆锥树的基本思想就是利用三维图形技术将传统的二维树形表示 法扩展到三维空间，如图2 5 所示。 图2 5 三维圆锥树示意图 在三维圆锥树中，表示层次结构的整棵树以三维的形式进行组织和显示。利用三维锥 形体来实现层次结构中父子节点之间的关系，树结构的根节点放置在可视化空间的顶端， 每个锥体的顶点表示树结构的某个根节点，其子节点均匀分布在该锥体的底部。锥体的底 面直径随着层次结构的深入逐渐减小，以保证底层结构也能在可视化空间中有效表示。每 个锥体之间透明遮挡，从而可以保证每个锥体能够很容易被感知，还不会妨碍后面锥体显 示。同时佐以旋转、拖动等方便的交互技术，可以很容易地实现用户对复杂层次关系的把 握。 在该模型中，通过三维透视效果可以实现对树形结构的f o c u s + c o n t e x t 显示。在显示 过程中，可以通过锥体的旋转使得用户关注的节点显示在最前边，而整个结构也能够完整 地显示在背景空间中。三维圆锥树通过三维技术实现了对屏幕空间的充分利用。并且，根 据人的认知特点，在三维空间中也较为容易把握层次之间的关系。 三维圆锥树在表现组织结构图的时候表现出色，它能把大量的节点显示在单一的屏幕 中。不足之处在于很难同时看到某个层次的所有内容，节点查询也比一般的层次信息可视 化框架困难。 2 双曲树( h y p e r b o l i ct r e e ) 双曲方法是基于双曲空间的层次信息可视化方法( 以下简称双曲方法) 。双曲空间很 好地解决了怎样在用户屏幕上显示庞大的层次信息结构的问题。双曲空间不同于一般的欧 几里得空间：在欧几里得空间中，过直线外一点只有一条线与此直线相平行；而在双曲空 间中过直线外一点有很多条直线与原直线平行。因此欧几里得空间中圆形区域的面积随半 径呈线性增长，而在双曲空间中呈指数增长。所以基于双曲空间的层次信息可视化技术可 以在有限的空间中有效地显示结构庞大的层次信息。 双曲树采用f o c u s + c o n t e x t 技术很好地实现了焦点变化时平滑过渡。有关双曲树的介 绍详见第三章相关内容。 2 2 2 矩形嵌套图 典型的矩形嵌套图t r e e m a p 是s h n e i d e r m a n “8 3 等人提出的一种表示层次信息的可视化 模型。这个模型的构想比较简单。在这种可视化结构中，层次结构的每个节点被表示为一 个矩形，矩形的面积表示相应节点的权重，图2 6 是图2 4 描述的层次结构的矩形嵌套图。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 按照次序嵌套矩形来表示层次关系，即表示一个父节点的所有子节点的矩形被该父节点的 矩形包围着。 t r e e m a p 可视化结构充分利用了显示空间，有效率可达i 0 0 ，通过一种空间填充策 略将层次结构映射为一个矩形。这种对空间的有效利用使得大型层次结构能够在有限的空 间中进行显示。t r e e m a p 将显示空间分割成互相包围的一些矩形，这些矩形表示树形结构。 包围在某个矩形中的节点的画法完全依赖于节点的内容。每个节点的矩形区域显示尺寸显 得尤为重要，例如，如果树结构是表现文件系统层次结构的，那么显示尺寸就代表相应文 件的大小，这样便使得语义信息的表示变得相对容易了。这正是t r e e m a p 在信息可视化 中占有一席之地的原因。 幽2 6 矩形嵌套图 t r e e m a p 的优点在于它可以有效利用计算机屏幕空间，并且能够很容易实现。但是， 它丧失了层次结构的直观性。并且对处于同一层次上的不同父亲的子节点的关系( 准兄弟 关系) 也丧失了。而这种关系对于把握节点之间层次关系的结构特征是非常有用的。针对 这个问题，w i j k 和w e t e r i n g 在此基础之上做了改进，设计出了c u s h i o nt r e e m a p “。 2 3 层次信息可视化关键技术 层次信息可视化目标包括以下两点：根据用户的偏好和信息间的关系把层次结构自动 排列在屏幕上；根据用户偏好平滑地实现人机交互，提供信息导航功能。为了实现上述目 标可以把层次信息可视化的关键技术分为布局( l a y o u t ) 、变形技术( d i s t o r t i o n t e c h n i q u e s ) 和动态显示( a n i m a t i o n ) 。 2 3 1 布局 布局在显示图的时候至关重要。不同的布局会体现数据的不同信息，因而针对不同的 可视化任务需要采用不同的布局，即布局是基于任务的。尽管在布局的时候要用到视图结 构的相关信息，但是布局不等同于视图本身。更确切地讲，布局是视图的一个方面。层次 结构一般被描述成树结构，目前有很多种布局算法把树结构体现出来。其中最常用的三种 是： _ r e i n g o l d 和r i i f o r d 提出的算法是最基本，最常见的一种。这种算法不仅可以产 生由上至下的布局，而且可以产生由左至右的布局。采用这种算法能直接反映信 息的层次结构。图2 7 是使用这种方法对有