基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法、系统、设备及介质技术方案

基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法、系统、设备及介质，其方法为：融合节点特征指标与力导向平面布局，优化力导向布局算法，分别对节点间的斥力与引力进行计算，快速达到收敛状态；通过3D曲面插值算法，计算生成复合曲面；通过密集网格的方式绘制生成网格曲面，网格曲面拟合计算生成复合曲面；体现节点间呈现的社区关系以及分布；其系统、设备及介质能够实现基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法；具有计算效率高，能够直观地从图像中分析出数据的社群以及分布特征，且图像生成参数简单可控的优点。生成参数简单可控的优点。生成参数简单可控的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术属于可视化与可视分析、社区发现
，尤其涉及一种基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]关系网络属于数据结构中图的研究范畴，对其研究依赖于多种图算法的实现与发展。关系网络的可视化是对图的分支之一。实现网络可视化需要通过对图的空间布局进行合理的设计与分配，以达到最优的视觉效果，从而挖掘出更多的有效信息。
[0003]力导向(又称力引导、力定向)算法则是实现图可视化最为核心的算法。这种算法参照弹簧模型、电荷模型等物理力学模型，通过对网络中的每对顶点之间施加斥力，并为存在边相连的每对顶点间施加引力，依靠力牵引的方式调整布局，使得网络整体在平面空间上的布局更为科学、工整。力导向布局计算过程包括初始化、迭代、收敛停止三个阶段。初始化阶段完成节点在平面空间的随机初始化布局；迭代阶段计算节点的受力，并按照受力的大小与方向调整节点的位置；当所有节点在迭代过程中位置不再变化时，力导向布局计算达到收敛条件，此时进入收敛阶段。
[0004]然而，力导向算法存在两大致命的缺陷。一是当网络中节点数量较多时，节点极容易在一个小范围内产生交叉重叠，进而导致节点间的引力与斥力大幅度相互抵消，无法有效地达到收敛状态。二是在平面空间中的布局算法往往面临着“边交叉”、“节点重叠”的问题。特别是当图数据规模较大时，可视化出来的图像容易出现元素堆叠的问题，从而产生“绒球现象”，不利于可视化的数据探索与社区发现工作。
[0005]随着计算机图形学的发展，当下可视化技术已支持多类图表的绘制，也衍生出了多种用于绘制图表的相关软件或插件，其中不乏一些支持三维(3D)图表渲染的程序。但目前通过曲面拟合网络的研究还较缺乏。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法、系统、设备及介质，通过融合节点特征指标与力导向平面布局，通过3D曲面插值算法，计算生成的复合曲面，在三维空间中构建复杂网络可视化图像；通过密集网格的方式绘制生成网格曲面，网格曲面拟合计算生成的复合曲面；具有计算效率高，能够直观地从图像中分析出数据的社群以及分布特征，且图像生成参数简单可控的优点。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法，具体步骤如下：
[0009]步骤一、融合节点特征指标与力导向平面布局，优化力导向布局算法，分别对节点间的斥力与引力进行计算，快速达到收敛状态；其中，对斥力计算，基于节点中心性度量对
斥力进行加权；对引力计算，基于边权重在迭代过程中分批次添加引力；
[0010]步骤二、通过3D曲面插值算法，在三维空间中构建复杂网络可视化图像：使用步骤一中优化后的力导向布局算法，在平面空间内计算出节点的布局后，即可获得所有节点在xOy平面的布局坐标；将节点的权重值作为第三个维度z轴的坐标，构建从xOy平面空间到xOyz三维空间的映射；根据节点的位置坐标生成曲面，通过曲面生成公式计算单个顶点生成的曲面，随后对所有曲面进行复合得到复合曲面；
[0011]步骤三、通过密集网格的方式绘制生成网格曲面，网格曲面拟合步骤二中计算生成的复合曲面；对图中端点之间边的样式进行调整，使边的走向与曲面更贴合。
[0012]所述步骤一具体方法为：
[0013]1)基于节点权重对斥力加权
[0014]记每个节点v
i
的权重为q
i
，计算每对节点间的斥力：
[0015]根据两个节点的权重对斥力进行加权，加权的权值为节点权重的乘积，从而使得中心节点对其他高权重的节点产生更大的斥力；对斥力加权后，对于任意两个节点v
i
与v
j
，其斥力计算公式为：
[0016][0017]对于不存在节点权值的网络，使用节点中心性度量来计算获得节点v
i
的权重q
i
；这种加权的斥力计算方式，可以使属于不同社区的高权重节点加速分离，避免顶点间出现缠绕，导致算法迭代收敛速度缓慢；
[0018]2)基于边权重在迭代过程中分批次添加引力
[0019]优先聚集同社区的节点，在初始化阶段，将所有边按照权值由大到小的顺序排序；在迭代开始时，移除顶点间所有的边，不计算顶点间的引力；在迭代的过程中，按照以下关系，对排序后的每条边依次进行判断：记t为迭代轮数，w(e
i
)为排序后第i条边e
i
的权值；迭代的过程中，当w(e
i
)和t的关系满足条件：
[0020][0021]可将边e
i
纳入力导向布局的计算过程中，计算边e
i
两端节点之间的引力，同时i＝i+1；式中t0为参数；在网络中，权值越高的边，其两端节点之间的关联性越大，在布局中的距离也越近；这种在迭代的过程中，依次将边的引力关系添加到受力计算的过程中的方式，可以使关联性高的节点优先聚集，加快收敛速度；
[0022]对于缺少边权值的网络，则使用边中心性度量作为权值参与计算。
[0023]步骤二所述根据节点的位置坐标生成曲面，通过曲面生成公式计算单个顶点生成的曲面，随后对所有曲面进行复合得到复合曲面，具体方法为：
[0024]记曲面为F(x，y)，以每个节点v
i
及其坐标(x
i
，y
i
，z
i
)满足F(x
i
，y
i
)≈z
i
，且当x
→
∞或y
→
∞时，F(x，y)
→
0；同时，生成曲面连续且尽可能的平滑为目标，进行曲面计算：
[0025]1)构造单个节点的点插值曲面
[0026]从单个节点的角度出发，在xOy空间中，与此节点越近的点位受到的影响越大，而距离较远的点位受到的影响则相对较小；因此针对节点v
i
，设置一个曲面构造函数f
i
(x，y)，
该函数使得曲面平滑的同时又能产生“近大远小”的特性；记平面空间点位(x，y)与节点v
i
的距离为r，根据曲面构造函数，该点位处的z坐标与节点呈现以下关系：
[0027][0028]最终确定的曲面生成公式如下：
[0029][0030]式中，(x
i
，y
i
，z
i
)为节点v
i
在三维空间中的坐标，k为控制影响幅度的系数；将所有节点产生的f
i
(x，y)进行多曲面复合，即可得到完整的曲面图像；
[0031]2)多曲面复合：通过叠加求和插值或极大值插值生成曲面
[0032]当网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、融合节点特征指标与力导向平面布局，优化力导向布局算法，分别对节点间的斥力与引力进行计算，快速达到收敛状态；其中，对斥力计算，基于节点中心性度量对斥力进行加权；对引力计算，基于边权重在迭代过程中分批次添加引力；步骤二、通过3D曲面插值算法，在三维空间中构建复杂网络可视化图像：使用步骤一中优化后的力导向布局算法，在平面空间内计算出节点的布局后，即可获得所有节点在xOy平面的布局坐标；将节点的权重值作为第三个维度z轴的坐标，构建从xOy平面空间到xOyz三维空间的映射；根据节点的位置坐标生成曲面，通过曲面生成公式计算单个顶点生成的曲面，随后对所有曲面进行复合得到复合曲面；步骤三、通过密集网格的方式绘制生成网格曲面，网格曲面拟合步骤二中计算生成的复合曲面；对图中端点之间边的样式进行调整，使边的走向与曲面更贴合。2.根据权利要求1所述的一种基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法，其特征在于，所述步骤一具体方法为：1)基于节点权重对斥力加权记每个节点v
i
的权重为q
i
，计算每对节点间的斥力：根据两个节点的权重对斥力进行加权，加权的权值为节点权重的乘积，从而使得中心节点对其他高权重的节点产生更大的斥力；对斥力加权后，对于任意两个节点v
i
与v
j
，其斥力计算公式为：对于不存在节点权值的网络，可使用节点中心性度量来计算获得节点v
i
的权重q
i
；2)基于边权重在迭代过程中分批次添加引力优先聚集同社区的节点，在初始化阶段，将所有边按照权值由大到小的顺序排序；在迭代开始时，移除顶点间所有的边，不计算顶点间的引力；在迭代的过程中，按照以下关系，对排序后的每条边依次进行判断：记t为迭代轮数，w(e
i
)为排序后第i条边e
i
的权值；迭代的过程中，当w(e
i
)和t的关系满足条件：可将边e
i
纳入力导向布局的计算过程中，计算边e
i
两端节点之间的引力，同时i＝i+1；式中t0为参数；在网络中，权值越高的边，其两端节点之间的关联性越大，在布局中的距离也越近；这种在迭代的过程中，依次将边的引力关系添加到受力计算的过程中的方式，可以使关联性高的节点优先聚集，加快收敛速度；对于缺少边权值的网络，则使用边中心性度量作为权值参与计算。3.根据权利要求1所述的一种基于力导向与曲面插值的关系网络3D可视化方法，其特征在于，步骤二所述根据节点的位置坐标生成曲面，通过曲面生成公式计算单个顶点生成的曲面，随后对所有曲面进行复合得到复合曲面，具体方法为：记曲面为F(x,y)，以每个节点v
i
及其坐标(x
i
,y
i
,z
i
)满足F(x
i
,y
i
)≈z
i
，且当x
→
∞或y
→
∞时，F(x,y)
→
0；同时，生成曲面连续且尽可能的平滑为目标，进行曲面计算：
1)构造单个节点的点插值曲面从单个节点的角度出发，在xOy空间中，与此节点越近的点位受到的影响越大，而距离较远的点位受到的影响则相对较小；因此针对节点v
i
，设置一个曲面构造函数f
i
(x,y)，该函数使得曲面平滑的同时又能产生“近大远小”的特性；记平面空间点位(x,y)与节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：张舒航，权义宁，宋建锋，苗启广，刘如意，李宇楠，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：