专利名称：一种层次数据的可视化方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明属于信息可视化领域，具体涉及一种对大规模层次数据进行可视化的方法和设备。
背景技术：
信息可视化旨在通过图形图像的方式，研究大规模非数值型信息资源的视觉呈现。层次信息可视化是信息可视化中重要的组成部分，在信息技术领域和社会经济的各个方面，大量的信息集合都具有严格的层次结构，例如商品分类、企业员工的组织、磁盘文件结构等。随着Internet进一步发展，大量层次数据如何可视化已经成为可视化领域一个重要议题。在中国授权专利200710160532.1中，国际商业机器公司提出了一种层次化图结构数据可视化方法、装置，它在焦点区域呈现所述层次化图结构数据的细化到一个指定层级的多个节点及其之间的关系，以及在子图区域呈现所述层次化图结构数据的所述指定层级以下的节点及其关系。层次数据可视化的主要方法包括节点链接式和空间填充式。具有层次结构的数据一般以节点的形式存储在树形结构中，节点链接式是指采用节点表示树形结构中的信息单元，用连线表示树形结构中的父子关系。空间填充式是指通过对矩形、正方形、扇形或是多边形等的填充来描述层次结构，常见的有两种树图和放射环。树图采用矩形块来描述树形结构中的信息单元，用矩形嵌套的方式描述层次结构之间的父子关系。放射环采用扇形块来表达树形结构中的信息单元，采用扇形之间径向放射的关系表达树形结构中的父子关系，采用圆环之间的嵌套来表达层次与层次之间的关系。放射环一直被用来表述层次信息，2008年，Xinghua Lou, Shixia Liu和Tianshu Wang提出了一种动态的可视化方法FanLens,通过动态展开收缩节点,方便用户探究层次关系和属性值的大小。2008年TatianaTekusova和obias Schreck提出一种三维的放射环，即在二维的基础上增加高度维，为用户提供另一属性的查询。2012年Ho-Ching Lam和Ivo D. Dinov提出了一种基于放射环的Hyperbolic Wheel来展示层次数据，并根据扇形块面积大小确定标签字体的大小。放射环虽然解决了树图无法展示层次关系的问题，但是却衍生出了新的问题空间利用率低和边缘数据无法清晰查看。在放射环中，扇形块的面积大小是由圆心角和圆环半径共同决定的，当圆环宽度较大而该层节点数较少的时候，整个圆环所占面积基本是浪费的，扇形块的面积也是白白浪费的。另外，当数据量增大时，由于展示屏幕空间的限制，夕卜圈圆环经扇形分割后已经模糊一片，无法供用户查看。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种大量层次数据可视化的方法，将具有层次关系的数据用放射环的方式展示在二维平面中，放射环宽度和层数采用自适应的方式以增加空间利用率，再通过相关的交互技术，逐步展开底层节点，以项链环的形式绘制在中心放射环的周围，使得用户更加清晰直观地浏览数据全貌和探究数据细节。
本发明的另一个目的是提供一种采用上述方法对层次数据进行可视化的设备。在叙述本发明的原理和步骤前，首先对本发明中待可视化的层次数据集HD做如下说明HD是一个具有层次结构的数据集，以多叉树的方式进行存储，假设该数据集有n个数据点，则多叉树上共有n个节点。用^表示数据集中每一个数据点在多叉树上的节点表示，其中i表示节点所在树中的层数，j表示节点在该层所在的位置。比如t23表示第2层第3个节点。根据数据集本身的层次关系，将数据集按照层次关系表示出来ED=IC1,C2,…，Ci,…，Cn}，0〈i〈=n，n表示数据集中层次数量，即分多少层,Ci表示第i层的分类集合，其中 Ci=Itil, ti2,…，tik}, tlk, t2k, tik 均不相等。对于一般的多叉树 ，节点一般采用顺序存储结构或者是链式存储结构，本发明采用链式存储结构，如图1。由多叉树的性质可以知道，节点一般由一个父节点(ParentNode)>一个数据元素(Data)和分别指向其第一个孩子(FirstChild)和下一个兄弟节点(NextSibling)的两个分支构成，即孩子-兄弟存储方式。树中节点共分为三种根节点、非叶子节点和叶子节点，其中根节点的父节点为空，非叶子节点具备父节点和孩子、兄弟节点，而叶子节点具备父节点和兄弟节点，其孩子节点为空。对于HD中的每一个节点tu，都存储有以下信息(l)vu :值信息，对应于该节点属性值；(2)l&1:层信息，对应于该节点所在层数。此外,本发明中所述扇形需由一个圆心Cr、半径r、初始角度sta和扫过角度swa四个变量来决定。比如，对于第一层的根节点tn来讲,圆心cr,半径;T1,初始角度Sta=O,扫过角度为swa=360。若第二层共有4个节点，数据集中所有节点共用一个圆心cr，该层所有节点共用一个半径r2,则第一个节点扇形的起始角度swa=0,扫过角度swa=90。故tn所代表的扇形csvlt；用(Ci^rDSta1DSwa11)来表示。cr表示所有圆环共用的圆心坐标(Xci, yQ),rj表示第一层圆环所在圆的半径，Sta11表示扇形的初始角度，Swa11表示扇形的圆心角。本发明提供的技术方案如下一种层次数据的可视化方法，其特征是，对于待显示的层次数据集HD，可视化处理包括如下步骤(流程如图2):A.对数据集HD按照其内部层次关系生成树型数据结构；B.将生成的树型数据结构中低于节点阈值的层级内每一个节点，用自适应的放射环算法生成扇形结构；C.将生成的树型数据结构中高于或等于节点阈值的层级内每一个节点，采用交互的方式，用项链环算法生成子放射环，即项链环；D.在显示平面上绘制并显示所述的放射环和项链环。所述的层次数据的可视化方法，步骤A如下实现Al.根据数据集HD中的n个分类(例如全国地区的省市区县划分等)，将每个分类的子集标注为C1, C2, -,Ci, -,Cn;A2.读取每一个子集(；，获取该子集中的所有节点tn，ti2，…，tik，对应于树中第i层的所有节点；A3.按照数据集HD中的层次关系，选取数据集中总分类所在的节点为整棵树的根节点，其中C1为第一层节点构成的子树，Cj为第j层节点构成的子树；
A4.计算树&中每个节点的属性值(例如全国某个地区某省某市某区县中某一种农作物中某一类农药的检测结果值)，其中叶子节点的属性值即为该节点本身的值，非叶子节点的属性值等于其下层所有子节点的属性值之和，至此数据集HD按照相应的层次关系生成树形结构。所述的层次数据的可视化方法，步骤B如下实现B1.设置显示平面上的直角坐标系，原点位于显示屏幕的左上角，有序实数对(X，y)表示点的位置坐标，(x0, y0)表示显示平面上选定的放射环圆心坐标；B2.根据显示平面的大小，通过实验的方式(更改最外层的节点数在显示平面进行展示并进行观察)，找出在该显示平面下，可视化图形的最外一层上可以清晰展示节点的最大个数，定义为阈值(这里的清晰是指用户通过肉眼可以辨别出任意一个可视化图形的轮廓)；B3.计算数据集中每一个分类子集Ci中节点总数，对于节点总数小于设定阈值的分类子集Ci中的每一个节点，在待显示平面上用一个扇形cs来表示，当圆心坐标(X(l，％)确定时，每一个扇形由半径r,起始角度sta和扇形圆心角swa单独确定所述的层次数据的可视化方法，步骤C如下实现Cl.对数据集中高于或等于阈值的每一个数据子集，在待显示平面上同样用一个扇形cs来表示,每一个扇形由半径r,起始角度sta和扇形圆心角swa单独确定；C2.用户通过鼠标双击或其它方式选择可视化图形中某一个扇形时，以该扇形所代表节点的子节点为根节点的子放射环圆心坐标均落在同一个圆周上，并同时出现在中心放射环的周围，如图3所示。所述的层次数据的可视化方法，当用户鼠标点击中心放射环上的某一扇形子块时，使用标签显示详细信息；当用户鼠标点击任意一个项链环的任意位置时，该子放射环将会在显示平面的空白区域放大显示细节信息。本发明同时提供一种层次数据的可视化设备，该设备由输入装置、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块和输出装置构成，其中，输入装置，用于从外部输入数据，是数据集和用户或者其他装置通信或交互的桥梁；数据采集模块，采用数据采集器将现场数据采集到数据库中，主要目的是获取数据以供数据存储模块和数据处理模块使用；数据存储模块，用于对包含层次关系的数据进行存储以及数据筛选、过滤分类和统计等操作处理，所述数据被处理为树型数据结构进行存储；数据处理模块，用于对层次数据集进行可视化处理，生成可视化图形；输出装置，指显示终端，用于显示数据集的可视化结果；所述可视化图形，对于生成的树型数据结构中低于节点阈值的层级内每一个节点，呈扇形结构构成的放射环状，对于生成的树型数据结构中高于或等于节点阈值的层级内每一个节点，采用交互的方式，用项链环算法生成子放射环，即项链环。所述的层次数据的可视化设备，其特征是，所述输入装置，为键盘、鼠标或手写触屏板等。所述的层次数据的可视化设备，其特征是，所述的输出装置，为计算机的显示器、PDA的显示屏或手机的显示屏等。所述的层次数据的可视化设备，其特征是，用户通过双击显示屏中的可视化图形中某一扇形模块，展开该扇形所代表节点的下层结点；用户通过鼠标单击相应扇形模块来查看相关标签信息。本发明同时提供一种应用，把所述的层次数据的可视化方法应用于农药残留数据检测分析展示，其特征是，把全国各个地区农药检测结果数据作为数据集HD;根据全国各大区域对数据集HD进行层次划分，数据的层次关系采用检测地点从大区域向小区域详细划分；设置阈值为100，按照所述的层次数据的可视化方法进行图形的生成和绘制，按照扇形块所代表的地区进行颜色分配，中心放射环采用颜色图例的方式标注，项链环本身采用标签标注，标签位置在中心放射环与子放射环的延长线上，项链环里面的每一个区县采用部分放大的方式标注，以达到区分农药在全国不同区域检测结果的目的。本发明提供的大量层次数据可视化方法，解决了以往可视化方法-放射环里中心区域空间利用率低、外围区域拥挤导致扇形面积太小，肉眼无法识别的问题，以此达到在有限的空间内最大程度地将数据的层次结构展现给用户，并通过交互，使得用户能够获得任意层次的细节信息以及层次之间的结构信息。
图1是本发明多叉树 中孩子-兄弟存储方式的示意图。图2是本发明所述方法的流程图。图3是本发明所述项链环的示意图。图4是本发明数据预处理流程图。图5是本发明可视化图形绘制流程图。图6是本发明自适应放射环算法的示意图。图7是本发明项链环算法的示意图。图8是本发明所述方法对具有层次关系的数据进行可视化的实例示意图。图9是本发明提供交互方法的示意图。图10是本发明提供的可视化设备示意图。
具体实施例方式本发明的第一个目的，提供一种大量层次数据的可视化方法，具体实施方式
如下HD数据集{tn，t21，…，t.j}是一个具有分类属性的集合，有且只有一个总类别。首先是对待可视化的数据集进行预处理，根据其本身层次结构，构造出每种分类的数据子集IC1, C2，-,CJ0每一个分类类别Ci集合中包含若干个节点，Ci=Itil, ti2，-, tik}0将HD中的每一个元素以多叉树的形式存储在树形结构中，则总类别对应于多叉树的根节点，每一分类级别对应于树形中每一层节点，用代表树形结构中每一个节点
权利要求
1.一种层次数据的可视化方法，其特征是，对于待显示的层次数据集HD，可视化处理包括如下步骤A.对数据集HD按照其内部层次关系生成树型数据结构；B.将生成的树型数据结构中低于节点阈值的层级内每一个节点，用自适应的放射环算法生成扇形结构；C.将生成的树型数据结构中高于或等于节点阈值的层级内每一个节点，采用交互的方式，用项链环算法生成子放射环，即项链环；D.在显示平面上绘制并显示所述的放射环和项链环。
2.如权利要求1所述的层次数据的可视化方法，其特征是，步骤A如下实现Al.根据数据集HD中的η个分类，将每个分类的子集标注为C1, C2,…，Ci,…，Cn;Α2.读取每一个子集Ci，获取该子集中的所有节点tn，ti2，…，tik，对应于树中第i层的所有节点；A3.按照数据集HD中的层次关系，选取数据集中总分类所在的节点为整棵树的根节点，其中C1为第一层节点构成的子树，Cj为第j层节点构成的子树；A4.计算树&中每个节点的属性值，其中叶子节点的属性值即为该节点本身的值，非叶子节点的属性值等于其下层所有子节点的属性值之和，至此数据集HD按照相应的层次关系生成树形结构。
3.如权利要求2所述的层次数据的可视化方法，其特征是，步骤B如下实现B1.设置显示平面上的直角坐标系，原点位于显示屏幕的左上角，有序实数对(x，y)表示点的位置坐标，(x0, y0)表示显示平面上选定的放射环圆心坐标；B2.根据显示平面的大小，通过实验的方式，找出在该显示平面下，可视化图形的最外一层上可以清晰展示节点的最大个数，定义为阈值；B3.计算数据集中每一个分类子集Ci中节点总数，对于节点总数小于设定阈值的分类子集Ci中的每一个节点，在待显示平面上用一个扇形cs来表示，当圆心坐标( y0)确定时，每一个扇形由半径r,起始角度sta和扇形圆心角swa单独确定。
4.如权利要求3所述的层次数据的可视化方法，其特征是，步骤C如下实现Cl.对数据集中高于或等于阈值的每一个数据子集，在待显示平面上同样用一个扇形 cs来表示,每一个扇形由半径r,起始角度sta和扇形圆心角swa单独确定；C2.用户通过鼠标双击或其它方式选择可视化图形中某一个扇形时，以该扇形所代表节点的子节点为根节点的子放射环圆心坐标均落在同一个圆周上，并同时出现在中心放射环的周围。
5.如权利要求4所述的层次数据的可视化方法，其特征是，当用户鼠标点击中心放射环上的某一扇形子块时，使用标签显示详细信息；当用户鼠标点击任意一个项链环的任意位置时，该子放射环将会在显示平面的空白区域放大显示细节信息。
6.一种层次数据的可视化设备，其特征是，该设备由输入装置、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块和输出装置构成，其中，输入装置，用于从外部输入数据；数据采集模块，采用数据采集器将现场数据采集到数据库中，主要目的是获取数据以供数据存储模块和数据处理模块使用；数据存储模块，用于对包含层次关系的数据进行存储以及数据筛选、过滤分类和统计， 所述数据被处理为树型数据结构进行存储；数据处理模块，用于对层次数据集进行可视化处理，生成可视化图形；输出装置，指显示终端，用于显示数据集的可视化结果；所述可视化图形，对于生成的树型数据结构中低于节点阈值的层级内每一个节点，呈扇形结构构成的放射环状，对于生成的树型数据结构中高于或等于节点阈值的层级内每一个节点，采用交互的方式，用项链环算法生成子放射环，即项链环。
7.如权利要求6所述的层次数据的可视化设备，其特征是，所述输入装置，为键盘、鼠标或手写触屏板。
8.如权利要求6所述的层次数据的可视化设备，其特征是，所述的输出装置，为计算机的显示器、PDA的显示屏或手机的显示屏。
9.如权利要求6所述的层次数据的可视化设备，其特征是，用户通过双击显示屏中的可视化图形中某一扇形模块，展开该扇形所代表节点的下层结点；用户通过鼠标单击相应扇形模块来查看相关标签信息。
10.将权利要求1所述的层次数据的可视化方法应用于农药残留数据检测分析展示， 其特征是，把全国各个地区农药检测结果数据作为数据集HD;根据全国各大区域对数据集 HD进行层次划分，数据的层次关系采用检测地点从大区域向小区域详细划分；设置阈值为 100，按照所述的层次数据的可视化方法进行图形的生成和绘制，按照扇形块所代表的地区进行颜色分配，中心放射环采用颜色图例的方式标注,项链环本身采用标签标注,标签位置在中心放射环与子放射环的延长线上，项链环里面的每一个区县采用部分放大的方式标注，以达到区分农药在全国不同区域检测结果的目的。
全文摘要
本发明公布了一种层次数据的可视化方法和设备。包括对数据集HD按照其内部层次关系生成树型数据结构；将生成的树型数据结构中低于节点阈值的层级内每一个节点，用自适应的放射环算法生成扇形结构；将生成的树型数据结构中高于或等于节点阈值的层级内每一个节点，采用交互的方式，用项链环算法生成子放射环，即项链环；在显示平面上绘制并显示所述的放射环和项链环。本发明解决了以往可视化方法-放射环里中心区域空间利用率低、外围区域拥挤导致扇形面积太小，肉眼无法识别的问题，以此达到在有限的空间内最大程度地将数据的层次结构展现给用户，并通过交互，使得用户能够获得任意层次的细节信息以及层次之间的结构信息。
文档编号G06F17/30GK103049580SQ201310017150
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者陈谊, 巩丽伟, 张鑫跃, 孙悦红 申请人:北京工商大学