一種層次數據的可視化方法和設備的製作方法

2023-05-18 04:21:46

專利名稱：一種層次數據的可視化方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於信息可視化領域，具體涉及一種對大規模層次數據進行可視化的方法和設備。
背景技術：
信息可視化旨在通過圖形圖像的方式，研究大規模非數值型信息資源的視覺呈現。層次信息可視化是信息可視化中重要的組成部分，在信息技術領域和社會經濟的各個方面，大量的信息集合都具有嚴格的層次結構，例如商品分類、企業員工的組織、磁碟文件結構等。隨著Internet進一步發展，大量層次數據如何可視化已經成為可視化領域一個重要議題。在中國授權專利200710160532.1中，國際商業機器公司提出了一種層次化圖結構數據可視化方法、裝置，它在焦點區域呈現所述層次化圖結構數據的細化到一個指定層級的多個節點及其之間的關係，以及在子圖區域呈現所述層次化圖結構數據的所述指定層級以下的節點及其關係。層次數據可視化的主要方法包括節點連結式和空間填充式。具有層次結構的數據一般以節點的形式存儲在樹形結構中，節點連結式是指採用節點表示樹形結構中的信息單元，用連線表示樹形結構中的父子關係。空間填充式是指通過對矩形、正方形、扇形或是多邊形等的填充來描述層次結構，常見的有兩種樹圖和放射環。樹圖採用矩形塊來描述樹形結構中的信息單元，用矩形嵌套的方式描述層次結構之間的父子關係。放射環採用扇形塊來表達樹形結構中的信息單元，採用扇形之間徑向放射的關係表達樹形結構中的父子關係，採用圓環之間的嵌套來表達層次與層次之間的關係。放射環一直被用來表述層次信息，2008年，Xinghua Lou, Shixia Liu和Tianshu Wang提出了一種動態的可視化方法FanLens,通過動態展開收縮節點,方便用戶探究層次關係和屬性值的大小。2008年TatianaTekusova和obias Schreck提出一種三維的放射環，即在二維的基礎上增加高度維，為用戶提供另一屬性的查詢。2012年Ho-Ching Lam和Ivo D. Dinov提出了一種基於放射環的Hyperbolic Wheel來展示層次數據，並根據扇形塊面積大小確定標籤字體的大小。放射環雖然解決了樹圖無法展示層次關係的問題，但是卻衍生出了新的問題空間利用率低和邊緣數據無法清晰查看。在放射環中，扇形塊的面積大小是由圓心角和圓環半徑共同決定的，當圓環寬度較大而該層節點數較少的時候，整個圓環所佔面積基本是浪費的，扇形塊的面積也是白白浪費的。另外，當數據量增大時，由於展示屏幕空間的限制，夕卜圈圓環經扇形分割後已經模糊一片，無法供用戶查看。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種大量層次數據可視化的方法，將具有層次關係的數據用放射環的方式展示在二維平面中，放射環寬度和層數採用自適應的方式以增加空間利用率，再通過相關的交互技術，逐步展開底層節點，以項鍊環的形式繪製在中心放射環的周圍，使得用戶更加清晰直觀地瀏覽數據全貌和探究數據細節。
本發明的另一個目的是提供一種採用上述方法對層次數據進行可視化的設備。在敘述本發明的原理和步驟前，首先對本發明中待可視化的層次數據集HD做如下說明HD是一個具有層次結構的數據集，以多叉樹的方式進行存儲，假設該數據集有n個數據點，則多叉樹上共有n個節點。用^表示數據集中每一個數據點在多叉樹上的節點表示，其中i表示節點所在樹中的層數，j表示節點在該層所在的位置。比如t23表示第2層第3個節點。根據數據集本身的層次關係，將數據集按照層次關係表示出來ED=IC1,C2,…，Ci,…，Cn}，0〈i〈=n，n表示數據集中層次數量，即分多少層,Ci表示第i層的分類集合，其中 Ci=Itil, ti2,…，tik}, tlk, t2k, tik 均不相等。對於一般的多叉樹 ，節點一般採用順序存儲結構或者是鏈式存儲結構，本發明採用鏈式存儲結構，如圖1。由多叉樹的性質可以知道，節點一般由一個父節點(ParentNode)>一個數據元素(Data)和分別指向其第一個孩子(FirstChild)和下一個兄弟節點(NextSibling)的兩個分支構成，即孩子-兄弟存儲方式。樹中節點共分為三種根節點、非葉子節點和葉子節點，其中根節點的父節點為空，非葉子節點具備父節點和孩子、兄弟節點，而葉子節點具備父節點和兄弟節點，其孩子節點為空。對於HD中的每一個節點tu，都存儲有以下信息(l)vu :值信息，對應於該節點屬性值；(2)l&1:層信息，對應於該節點所在層數。此外,本發明中所述扇形需由一個圓心Cr、半徑r、初始角度sta和掃過角度swa四個變量來決定。比如，對於第一層的根節點tn來講,圓心cr,半徑;T1,初始角度Sta=O,掃過角度為swa=360。若第二層共有4個節點，數據集中所有節點共用一個圓心cr，該層所有節點共用一個半徑r2,則第一個節點扇形的起始角度swa=0,掃過角度swa=90。故tn所代表的扇形csvlt；用(Ci^rDSta1DSwa11)來表示。cr表示所有圓環共用的圓心坐標(Xci, yQ),rj表示第一層圓環所在圓的半徑，Sta11表示扇形的初始角度，Swa11表示扇形的圓心角。本發明提供的技術方案如下一種層次數據的可視化方法，其特徵是，對於待顯示的層次數據集HD，可視化處理包括如下步驟(流程如圖2):A.對數據集HD按照其內部層次關係生成樹型數據結構；B.將生成的樹型數據結構中低於節點閾值的層級內每一個節點，用自適應的放射環算法生成扇形結構；C.將生成的樹型數據結構中高於或等於節點閾值的層級內每一個節點，採用交互的方式，用項鍊環算法生成子放射環，即項鍊環；D.在顯示平面上繪製並顯示所述的放射環和項鍊環。所述的層次數據的可視化方法，步驟A如下實現Al.根據數據集HD中的n個分類(例如全國地區的省市區縣劃分等)，將每個分類的子集標註為C1, C2, -,Ci, -,Cn;A2.讀取每一個子集(；，獲取該子集中的所有節點tn，ti2，…，tik，對應於樹中第i層的所有節點；A3.按照數據集HD中的層次關係，選取數據集中總分類所在的節點為整棵樹的根節點，其中C1為第一層節點構成的子樹，Cj為第j層節點構成的子樹；
A4.計算樹&中每個節點的屬性值(例如全國某個地區某省某市某區縣中某一種農作物中某一類農藥的檢測結果值)，其中葉子節點的屬性值即為該節點本身的值，非葉子節點的屬性值等於其下層所有子節點的屬性值之和，至此數據集HD按照相應的層次關係生成樹形結構。所述的層次數據的可視化方法，步驟B如下實現B1.設置顯示平面上的直角坐標系，原點位於顯示屏幕的左上角，有序實數對(X，y)表示點的位置坐標，(x0, y0)表示顯示平面上選定的放射環圓心坐標；B2.根據顯示平面的大小，通過實驗的方式(更改最外層的節點數在顯示平面進行展示並進行觀察)，找出在該顯示平面下，可視化圖形的最外一層上可以清晰展示節點的最大個數，定義為閾值(這裡的清晰是指用戶通過肉眼可以辨別出任意一個可視化圖形的輪廓)；B3.計算數據集中每一個分類子集Ci中節點總數，對於節點總數小於設定閾值的分類子集Ci中的每一個節點，在待顯示平面上用一個扇形cs來表示，當圓心坐標(X(l，％)確定時，每一個扇形由半徑r,起始角度sta和扇形圓心角swa單獨確定所述的層次數據的可視化方法，步驟C如下實現Cl.對數據集中高於或等於閾值的每一個數據子集，在待顯示平面上同樣用一個扇形cs來表示,每一個扇形由半徑r,起始角度sta和扇形圓心角swa單獨確定；C2.用戶通過滑鼠雙擊或其它方式選擇可視化圖形中某一個扇形時，以該扇形所代表節點的子節點為根節點的子放射環圓心坐標均落在同一個圓周上，並同時出現在中心放射環的周圍，如圖3所示。所述的層次數據的可視化方法，當用戶滑鼠點擊中心放射環上的某一扇形子塊時，使用標籤顯示詳細信息；當用戶滑鼠點擊任意一個項鍊環的任意位置時，該子放射環將會在顯示平面的空白區域放大顯示細節信息。本發明同時提供一種層次數據的可視化設備，該設備由輸入裝置、數據採集模塊、數據存儲模塊、數據處理模塊和輸出裝置構成，其中，輸入裝置，用於從外部輸入數據，是數據集和用戶或者其他裝置通信或交互的橋梁；數據採集模塊，採用數據採集器將現場數據採集到資料庫中，主要目的是獲取數據以供數據存儲模塊和數據處理模塊使用；數據存儲模塊，用於對包含層次關係的數據進行存儲以及數據篩選、過濾分類和統計等操作處理，所述數據被處理為樹型數據結構進行存儲；數據處理模塊，用於對層次數據集進行可視化處理，生成可視化圖形；輸出裝置，指顯示終端，用於顯示數據集的可視化結果；所述可視化圖形，對於生成的樹型數據結構中低於節點閾值的層級內每一個節點，呈扇形結構構成的放射環狀，對於生成的樹型數據結構中高於或等於節點閾值的層級內每一個節點，採用交互的方式，用項鍊環算法生成子放射環，即項鍊環。所述的層次數據的可視化設備，其特徵是，所述輸入裝置，為鍵盤、滑鼠或手寫觸屏板等。所述的層次數據的可視化設備，其特徵是，所述的輸出裝置，為計算機的顯示器、PDA的顯示屏或手機的顯示屏等。所述的層次數據的可視化設備，其特徵是，用戶通過雙擊顯示屏中的可視化圖形中某一扇形模塊，展開該扇形所代表節點的下層結點；用戶通過滑鼠單擊相應扇形模塊來查看相關標籤信息。本發明同時提供一種應用，把所述的層次數據的可視化方法應用於農藥殘留數據檢測分析展示，其特徵是，把全國各個地區農藥檢測結果數據作為數據集HD;根據全國各大區域對數據集HD進行層次劃分，數據的層次關係採用檢測地點從大區域向小區域詳細劃分；設置閾值為100，按照所述的層次數據的可視化方法進行圖形的生成和繪製，按照扇形塊所代表的地區進行顏色分配，中心放射環採用顏色圖例的方式標註，項鍊環本身採用標籤標註，標籤位置在中心放射環與子放射環的延長線上，項鍊環裡面的每一個區縣採用部分放大的方式標註，以達到區分農藥在全國不同區域檢測結果的目的。本發明提供的大量層次數據可視化方法，解決了以往可視化方法-放射環裡中心區域空間利用率低、外圍區域擁擠導致扇形面積太小，肉眼無法識別的問題，以此達到在有限的空間內最大程度地將數據的層次結構展現給用戶，並通過交互，使得用戶能夠獲得任意層次的細節信息以及層次之間的結構信息。


圖1是本發明多叉樹 中孩子-兄弟存儲方式的示意圖。圖2是本發明所述方法的流程圖。圖3是本發明所述項鍊環的示意圖。圖4是本發明數據預處理流程圖。圖5是本發明可視化圖形繪製流程圖。圖6是本發明自適應放射環算法的示意圖。圖7是本發明項鍊環算法的示意圖。圖8是本發明所述方法對具有層次關係的數據進行可視化的實例示意圖。圖9是本發明提供交互方法的示意圖。圖10是本發明提供的可視化設備示意圖。
具體實施例方式本發明的第一個目的，提供一種大量層次數據的可視化方法，具體實施方式
如下HD數據集{tn，t21，…，t.j}是一個具有分類屬性的集合，有且只有一個總類別。首先是對待可視化的數據集進行預處理，根據其本身層次結構，構造出每種分類的數據子集IC1, C2，-,CJ0每一個分類類別Ci集合中包含若干個節點，Ci=Itil, ti2，-, tik}0將HD中的每一個元素以多叉樹的形式存儲在樹形結構中，則總類別對應於多叉樹的根節點，每一分類級別對應於樹形中每一層節點，用代表樹形結構中每一個節點
權利要求
1.一種層次數據的可視化方法，其特徵是，對於待顯示的層次數據集HD，可視化處理包括如下步驟A.對數據集HD按照其內部層次關係生成樹型數據結構；B.將生成的樹型數據結構中低於節點閾值的層級內每一個節點，用自適應的放射環算法生成扇形結構；C.將生成的樹型數據結構中高於或等於節點閾值的層級內每一個節點，採用交互的方式，用項鍊環算法生成子放射環，即項鍊環；D.在顯示平面上繪製並顯示所述的放射環和項鍊環。
2.如權利要求1所述的層次數據的可視化方法，其特徵是，步驟A如下實現Al.根據數據集HD中的η個分類，將每個分類的子集標註為C1, C2,…，Ci,…，Cn;Α2.讀取每一個子集Ci，獲取該子集中的所有節點tn，ti2，…，tik，對應於樹中第i層的所有節點；A3.按照數據集HD中的層次關係，選取數據集中總分類所在的節點為整棵樹的根節點，其中C1為第一層節點構成的子樹，Cj為第j層節點構成的子樹；A4.計算樹&中每個節點的屬性值，其中葉子節點的屬性值即為該節點本身的值，非葉子節點的屬性值等於其下層所有子節點的屬性值之和，至此數據集HD按照相應的層次關係生成樹形結構。
3.如權利要求2所述的層次數據的可視化方法，其特徵是，步驟B如下實現B1.設置顯示平面上的直角坐標系，原點位於顯示屏幕的左上角，有序實數對(x，y)表示點的位置坐標，(x0, y0)表示顯示平面上選定的放射環圓心坐標；B2.根據顯示平面的大小，通過實驗的方式，找出在該顯示平面下，可視化圖形的最外一層上可以清晰展示節點的最大個數，定義為閾值；B3.計算數據集中每一個分類子集Ci中節點總數，對於節點總數小於設定閾值的分類子集Ci中的每一個節點，在待顯示平面上用一個扇形cs來表示，當圓心坐標( y0)確定時，每一個扇形由半徑r,起始角度sta和扇形圓心角swa單獨確定。
4.如權利要求3所述的層次數據的可視化方法，其特徵是，步驟C如下實現Cl.對數據集中高於或等於閾值的每一個數據子集，在待顯示平面上同樣用一個扇形 cs來表示,每一個扇形由半徑r,起始角度sta和扇形圓心角swa單獨確定；C2.用戶通過滑鼠雙擊或其它方式選擇可視化圖形中某一個扇形時，以該扇形所代表節點的子節點為根節點的子放射環圓心坐標均落在同一個圓周上，並同時出現在中心放射環的周圍。
5.如權利要求4所述的層次數據的可視化方法，其特徵是，當用戶滑鼠點擊中心放射環上的某一扇形子塊時，使用標籤顯示詳細信息；當用戶滑鼠點擊任意一個項鍊環的任意位置時，該子放射環將會在顯示平面的空白區域放大顯示細節信息。
6.一種層次數據的可視化設備，其特徵是，該設備由輸入裝置、數據採集模塊、數據存儲模塊、數據處理模塊和輸出裝置構成，其中，輸入裝置，用於從外部輸入數據；數據採集模塊，採用數據採集器將現場數據採集到資料庫中，主要目的是獲取數據以供數據存儲模塊和數據處理模塊使用；數據存儲模塊，用於對包含層次關係的數據進行存儲以及數據篩選、過濾分類和統計， 所述數據被處理為樹型數據結構進行存儲；數據處理模塊，用於對層次數據集進行可視化處理，生成可視化圖形；輸出裝置，指顯示終端，用於顯示數據集的可視化結果；所述可視化圖形，對於生成的樹型數據結構中低於節點閾值的層級內每一個節點，呈扇形結構構成的放射環狀，對於生成的樹型數據結構中高於或等於節點閾值的層級內每一個節點，採用交互的方式，用項鍊環算法生成子放射環，即項鍊環。
7.如權利要求6所述的層次數據的可視化設備，其特徵是，所述輸入裝置，為鍵盤、滑鼠或手寫觸屏板。
8.如權利要求6所述的層次數據的可視化設備，其特徵是，所述的輸出裝置，為計算機的顯示器、PDA的顯示屏或手機的顯示屏。
9.如權利要求6所述的層次數據的可視化設備，其特徵是，用戶通過雙擊顯示屏中的可視化圖形中某一扇形模塊，展開該扇形所代表節點的下層結點；用戶通過滑鼠單擊相應扇形模塊來查看相關標籤信息。
10.將權利要求1所述的層次數據的可視化方法應用於農藥殘留數據檢測分析展示， 其特徵是，把全國各個地區農藥檢測結果數據作為數據集HD;根據全國各大區域對數據集 HD進行層次劃分，數據的層次關係採用檢測地點從大區域向小區域詳細劃分；設置閾值為 100，按照所述的層次數據的可視化方法進行圖形的生成和繪製，按照扇形塊所代表的地區進行顏色分配，中心放射環採用顏色圖例的方式標註,項鍊環本身採用標籤標註,標籤位置在中心放射環與子放射環的延長線上，項鍊環裡面的每一個區縣採用部分放大的方式標註，以達到區分農藥在全國不同區域檢測結果的目的。
全文摘要
本發明公布了一種層次數據的可視化方法和設備。包括對數據集HD按照其內部層次關係生成樹型數據結構；將生成的樹型數據結構中低於節點閾值的層級內每一個節點，用自適應的放射環算法生成扇形結構；將生成的樹型數據結構中高於或等於節點閾值的層級內每一個節點，採用交互的方式，用項鍊環算法生成子放射環，即項鍊環；在顯示平面上繪製並顯示所述的放射環和項鍊環。本發明解決了以往可視化方法-放射環裡中心區域空間利用率低、外圍區域擁擠導致扇形面積太小，肉眼無法識別的問題，以此達到在有限的空間內最大程度地將數據的層次結構展現給用戶，並通過交互，使得用戶能夠獲得任意層次的細節信息以及層次之間的結構信息。
文檔編號G06F17/30GK103049580SQ201310017150
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者陳誼, 鞏麗偉, 張鑫躍, 孫悅紅 申請人:北京工商大學