CN106780072A - 力导向自适应图布局方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供力导向自适应图布局方法及系统，应用于包括至少一个节点的分布图中，通过为每个节点设置带有的电荷量，计算每个节点在其他节点的作用下受到的库仑斥力和胡克拉力，进一步计算每个节点受到的合力，从而计算每个节点应当移动的位移，以调整每个节点在分布图中的位置。本发明能够让包括一定规模的节点的平面图的布局方式达到：交叉边最少、可视范围最小、与同一顶点相关的边的长度趋于接近等效果，使得整张平面图的节点布局相对均匀、相对对称，有助于让使用者得到最佳的感知体验，更好地理解拓扑结构的数据分析结果。
Description
技术领域
本发明涉及图布局领域，特别是涉及基于力导向自适应的图布局方法及系统。
背景技术
互联网技术的大规模应用产生了诸多种类的数据。对于海量数据的分析，直观上远远超出了人脑能够分析和解释的能力。但是，如果把这些数据转换成图形，通过人类视觉感知系统来感知，则会给予人们更深刻、更直观的体会。该方法的诞生在很多领域使得科学的研究方式发生了重大变化。
在社会关系中，存在着相互关系的网络，我们称之为社交网络。社交网络中存在着现实世界里各种人与人之间的复杂关系。现阶段，对于人际关系的分析需要更直观的、更通俗的方式来实现，图形分析的方式则可以很好地达到该目的。同样，互联网的拓扑结构，也是异常的复杂与庞大，这就需要一种可以自动绘制这种图形的布局技术。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供力导向自适应图布局方法及系统，用于解决现有技术中的上述问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种力导向自适应图布局方法，应用于包括至少一个节点的分布图中，其中，所述分布图中至少存在一组通过关联关系边相牵而连的节点，所述方法包括：步骤A：将每个所述节点假定为带有一定电荷量的电荷；步骤B：对于每个目标节点，计算所述目标节点在其他节点的作用下受到的库仑斥力和胡克拉力，据以计算所述目标节点受到的合力；步骤C：对于每个所述目标节点，根据受到的合力计算移动位移，并进行相应移动以调整所述目标节点在所述分布图中的位置。
于本发明一实施例中，在所述步骤C之后，所述方法还包括：判断预设均匀条件是否满足，若否，则返回所述步骤B。
于本发明一实施例中，所述预设均匀条件包括：每个所述目标节点的位置调整次数达到第一预设值、或所述分布图的总能量低于第二预设值。
于本发明一实施例中，在所述步骤C中，根据受到的合力计算移动位移包括：设置单位移动位移；将所述单位移动位移与所受合力的乘积作为移动位移。
于本发明一实施例中，在所述步骤B之前，所述方法还包括：为所述分布图建立坐标系，以坐标的形式确定每个所述节点在所述分布图中的位置。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种力导向自适应图布局系统，应用于包括至少一个节点的分布图中，其中，所述分布图中至少存在一组通过关联关系边相牵而连的节点，所述系统包括：赋值模块，用于将每个所述节点假定为带有一定电荷量的电荷；计算模块，用于对于每个目标节点，计算所述目标节点在其他节点的作用下受到的库仑斥力和胡克拉力，据以计算所述目标节点受到的合力；对于每个所述目标节点，根据受到的合力计算移动位移；移动模块，用于对于每个所述目标节点，根据其移动位移调整在所述分布图中的位置。
于本发明一实施例中，所述计算模块和所述移动模块被设置为重复执行，直到达到预设均匀条件时停止。
于本发明一实施例中，所述预设均匀条件包括：每个所述目标节点的位置调整次数达到第一预设值、或所述分布图的总能量低于第二预设值。
于本发明一实施例中，根据受到的合力计算移动位移包括：设置单位移动位移；将所述单位移动位移与所受合力的乘积作为移动位移。
于本发明一实施例中，所述系统还包括：坐标模块，用于在计算模块执行前，为所述分布图建立坐标系，以坐标的形式确定每个所述节点在所述分布图中的位置。
如上所述，本发明的力导向自适应图布局方法及系统，可以将随机的无序的点和点关系，规则有序的在图形中体现，增强了数据的可读性，有助于提升人们对于研究的判断力，提高用户体验。
附图说明
图1显示为本发明一实施例的力导向自适应图布局方法流程图。
图2A～2B显示为本发明另一实施例的优化前和优化后的节点分布图。
图3显示为本发明一实施例的力导向自适应图布局系统模块图。
元件标号说明
300 力导向自适应图布局系统
301 赋值模块
302 计算模块
303 移动模块
304 坐标模块
S101～S104 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了能够通过图形直观地显示出诸如社交网络等拓扑结构的分析结果，本发明提出一种力导向自适应图布局方法及系统，能够让包括一定规模的节点的平面图(其中部分节点存在一定的关联关系，且节点与节点之间的关联关系强烈程度有所不同)的布局方式达到：交叉边最少、可视范围最小、与同一顶点相关的边的长度趋于接近等效果，从而使得整张平面图的节点布局相对均匀、相对对称，以便绘制后的布局结构能够让使用者得到最佳的感知体验，更有助于感知者更好地理解网络拓扑结构的数据分析结果。
本方法主要的设计思想为：假设在一个封闭的物理系统中，每个节点都可以看成是一个带有一定能量的放电粒子，粒子与粒子之间存在某种库仑斥力，使它们两两相互排斥。同时，有些粒子间被一些“边”所牵连，这些边产生类似弹簧的胡克拉力，又紧紧牵制着“边”两端的粒子。在粒子间斥力和粒子间引力的不断作用下，粒子们从随机无序的初态不断发生位移，逐渐趋于平衡有序的终态。最终，整个物理系统的能量不断被消耗，经过足够多的运动之后，粒子之间几乎不再发生相对位移，整个系统达到一种稳定平衡的状态，即总能量趋于零。
请参阅图1，以下将以社交网络数据图谱为例，详细阐述本发明的力导向自适应图布局方法。在社交网络数据图谱中，每个节点代表一个个体，可以是人，也可以是一个团队或社区，个体与个体之间可能存在各种相互依赖的社会关系，这种社会关系以节点与节点之间的边来表示，所述方法包括：
步骤S101：在分布有多个节点的社交网络数据图谱中，为每个节点设置带有的电荷量，其中，每个节点的带电量可以相同，也可以不同，具体根据实际情况和数据分析的需要进一步设定。例如：将该社交网络数据图谱中个体信贷等级相同的节点设置为相同的电荷量，个体信贷等级不相同的节点设置为不同电荷量。当然，每个节点的带电量除了通过一项指标来衡量之外，还可以加入其他评价因素，这样，每个节点综合后的总电荷量就能够生动地反映出其在该社交网络数据图谱中的影响力，从而有利于更加精准地表示出该社交网络数据图谱所包含的内容。
步骤S102：对于每个节点，根据位置远近计算其在其他节点的电荷作用下受到的库仑斥力，及其在与之通过边相连的其他节点的弹簧引力作用下受到的胡克拉力，根据计算得到的库仑斥力和胡克拉力得到该节点受到的合力。
步骤S103：对于每个节点，根据计算得到的合力进一步计算该节点应当移动的位移，并根据该位移进行移动，从而调整该节点在社交网络数据图谱中的位置。
优选的，还包括步骤S104：重复步骤S103，直到达到预设均匀条件时停止，预设均匀条件例如：步骤S103的重复次数达到预设值、整个系统的总能量低于预设值等。
在一实施例中，为了确定每个节点的位置，便于准确地计算出每个节点受到的库仑斥力和胡克拉力，在执行步骤S102之前，先对该社交网络数据图谱建立坐标系，以通过每个节点的坐标来定位每个节点的位置，包括：①确定一个可视范围Area，Area＝W*H；②将所述可视范围Area的左下角的坐标设置为原点(0,0)；③相应地获得每个节点在该坐标系下的坐标。
例如，在图2A所示的节点分布图中，可视范围Area被设置成1920*1080(分辨率)的区域，其左下角被设置为原点(0,0)，相应地，其几何中心的坐标为(1920/2,1080/2)。在该可视范围中，随机分布有9个节点A～I，每个节点都带有1个单位的电荷量，除了节点C之外其他的节点通过连接线相联。
在建立的坐标系下，计算每个节点(U)在其他节点(V)的电荷作用下受到的库仑斥力，包括：
a.假设节点总个数为N；
b.假设库伦系数K为：
c.假设两个节点u、v在所述可视范围Area中的坐标分别为：(u.posx,u.posy)、
(v.posx,v.posy)，通过公式(1)计算节点u和v之间的几何距离dist(u,v)：
d.计算相邻节点之间的电荷斥力Fk：
在建立的坐标系下，计算每个节点(U)在其他节点(V)的引力作用下受到的胡克拉力，包括：
e.假设“弹簧”的自然长度为0，根据胡克定律，只要拉伸形变即可产生胡克拉力；
f.假设胡克系数k为：
g.计算各条边的相互胡克拉力对两端节点u、v所产生的胡克拉力FT：FT＝k*dist(u,v)。
承接上述，根据公式(2)每个节点(U)受到的合力F：
F＝FK-FT (2)
进一步，假设step为步长，即单位时间内、单位力作用下移动的均匀距离，计算每个节点(U)单位时间内应当移动的位移Fdis，Fdis＝F*step，并令每个节点(U)完成相应的位置移动。
如图2B所示，在经过预设次数的重复调整后，整个系统基本趋于稳定，有关系的点基本趋于聚合，并聚集在节点分布图的中心部分。
请参阅图3，与上述方法实施例原理相似，本发明提供的力导向自适应图布局系统300，主要包括：赋值模块301、计算模块302、移动模块303。系统300作为一种软件搭载于具有数据处理功能的电子设备中，运行后即可优化节点分布图的布局。由于前述实施例中的技术特征可以应用于本系统实施例，因而不再重复赘述。
赋值模块301在分布有多个节点的分布图中，为每个节点设置带有的电荷量。计算模块302首先分别计算每个节点在其他节点的电荷作用下受到的库仑斥力，及其在与之通过边相连的其他节点的弹簧引力作用下受到的胡克拉力；然后，对于每个节点，根据计算得到的库仑斥力和胡克拉力得到该节点受到的合力，进一步计算出该节点应当移动的位移。移动模块303根据每个节点计算得到的移动位移调整每个节点在节点分布图中的位置。
在一实施例中，计算模块302和移动模块303的过程被设置为重复执行，直到达到预设均匀条件时停止，预设均匀条件例如：重复执行次数达到预设值、整个系统的总能量低于预设值等。
作为前述系统实施例的进一步改进，系统300还包括坐标模块304，在计算模块302运行之前，为待优化的节点分布图建立坐标系，确定每个节点的准确位置，从而为计算模块302计算库仑斥力和胡克拉力提供数据支持。坐标模块304的执行过程包括：①确定一个可视范围Area，Area＝W*H；②将所述可视范围Area的左下角的坐标设置为原点(0,0)；③相应地获得每个节点在该坐标系下的初始坐标。
需要说明的是，本发明的力导向自适应图布局方法及系统，除了可以应用于社交网络数据图谱的布局调整，还可以应用在诸如传染病扩散分析、生物关系分析、互联网拓扑结构分析、分子结构分析等诸多领域，在此不详细展开。
综上所述，本发明的力导向自适应图布局方法及系统，实现了以新型的调整方式将随机的无序的点和点关系规则有序的体现在图形中，增强了数据的可读性，从而有助于提升人们对于研究的判断力，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种力导向自适应图布局方法，其特征在于，应用于包括至少一个节点的分布图中，其中，所述分布图中至少存在一组通过关联关系边相牵而连的节点，所述方法包括：
步骤A：将每个所述节点假定为带有一定电荷量的电荷；
步骤B：对于每个目标节点，计算所述目标节点在其他节点的作用下受到的库仑斥力和胡克拉力，据以计算所述目标节点受到的合力；
步骤C：对于每个所述目标节点，根据受到的合力计算移动位移，并进行相应移动以调整所述目标节点在所述分布图中的位置。
2.根据权利要求1所述的力导向自适应图布局方法，其特征在于，在所述步骤C之后，所述方法还包括：判断预设均匀条件是否满足，若否，则返回所述步骤B。
3.根据权利要求2所述的力导向自适应图布局方法，其特征在于，所述预设均匀条件包括：每个所述目标节点的位置调整次数达到第一预设值、或所述分布图的总能量低于第二预设值。
4.根据权利要求1所述的力导向自适应图布局方法，其特征在于，在所述步骤C中，根据受到的合力计算移动位移包括：
设置单位移动位移；
将所述单位移动位移与所受合力的乘积作为移动位移。
5.根据权利要求1所述的力导向自适应图布局方法，其特征在于，在所述步骤B之前，所述方法还包括：为所述分布图建立坐标系，以坐标的形式确定每个所述节点在所述分布图中的位置。
6.一种力导向自适应图布局系统，其特征在于，应用于包括至少一个节点的分布图中，其中，所述分布图中至少存在一组通过关联关系边相牵而连的节点，所述系统包括：
赋值模块，用于将每个所述节点假定为带有一定电荷量的电荷；
计算模块，用于对于每个目标节点，计算所述目标节点在其他节点的作用下受到的库仑斥力和胡克拉力，据以计算所述目标节点受到的合力；对于每个所述目标节点，根据受到的合力计算移动位移；
移动模块，用于对于每个所述目标节点，根据其移动位移调整在所述分布图中的位置。
7.根据权利要求6所述的力导向自适应图布局系统，其特征在于，所述计算模块和所述移动模块被设置为重复执行，直到达到预设均匀条件时停止。
8.根据权利要求7所述的力导向自适应图布局系统，其特征在于，所述预设均匀条件包括：每个所述目标节点的位置调整次数达到第一预设值、或所述分布图的总能量低于第二预设值。
9.根据权利要求6所述的力导向自适应图布局系统，其特征在于，根据受到的合力计算移动位移包括：设置单位移动位移；将所述单位移动位移与所受合力的乘积作为移动位移。
10.根据权利要求6所述的力导向自适应图布局系统，其特征在于，还包括：坐标模块，用于在计算模块执行前，为所述分布图建立坐标系，以坐标的形式确定每个所述节点在所述分布图中的位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 200080 room 1050, No. 901-908 East Daming Road, Shanghai, Hongkou District Applicant after: Shanghai pre long Mdt InfoTech Ltd Address before: 200080 room 1050, No. 901-908 East Daming Road, Hongkou District, Shanghai, Hongkou District Applicant before: Shanghai long ago Financial Information Service Co., Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20170531 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |