[論文レビュー] Multi-level tree based approach for interactive graph visualization with semantic zoom

Felice De Luca, Iqbal Hossain+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Data Visualization and Analytics被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、大規模なグラフのインタラクティブで地図に似た可視化を実現するため、段階的な詳細度を持つステイナー木の階層を用い、実際のノード/エッジを維持し、重複や交差を回避し、コンactなレイアウトを実現する、ズーム可能なマルチレベルツリー（ZMLT）アルゴリズムを提案する。この手法は、7つの重要な特性を満たすセマンティックズームを保証し、レイアウト品質とエッジ長の一貫性においてベースライン手法を上回る。

ABSTRACT

Human subject studies that map-like visualizations are as good or better than standard node-link representations of graphs, in terms of task performance, memorization and recall of the underlying data, and engagement [SSKB14, SSKB15]. With this in mind, we propose the Zoomable Multi-Level Tree (ZMLT) algorithm for multi-level tree-based, map-like visualization of large graphs. We propose seven desirable properties that such visualization should maintain and an algorithm that accomplishes them. (1) The abstract trees represent the underlying graph appropriately at different level of details; (2) The embedded trees represent the underlying graph appropriately at different levels of details; (3) At every level of detail we show real vertices and real paths from the underlying graph; (4) If any node or edge appears in a given level, then they also appear in all deeper levels; (5) All nodes at the current level and higher levels are labeled and there are no label overlaps; (6) There are no edge crossings on any level; (7) The drawing area is proportional to the total area of the labels. This algorithm is implemented and we have a functional prototype for the interactive interface in a web browser.

研究の動機と目的

• 大規模なグラフの理解を促進するため、ユーザーの地図読み取りスキルを活用した、地図にインspiredされたインタラクティブなグラフ可視化を構築すること。
• マルチレベルグラフ可視化に望ましい7つの特性を定義・適用すること：適切な表現、レイアウト、現実性、恒常性、重複のないラベル、交差のないエッジ、コンパクト性。
• すべての7つの特性をレベルごとに維持しながら、セマンティックズームをサポートする機能的なウェブベースのプロトタイプを実装すること。
• エッジ長の一貫性、ラベルの重複、レイアウトのコンパクト性といった定量的指標を用いて、ベースライン手法と比較して手法の性能を評価すること。

提案手法

• ZMLTアルゴリズムは、端末ノード（重要な頂点）を重みの降順に追加することで、段階的に大きな部分グラフのフィルトレーションを構築するマルチレベルステイナー木アプローチを用いる。
• 各レベルで、現在の端末ノードの集合上にステイナー木を計算し、合計エッジ重みを最小化するとともに平面性を維持するために、非端末（ステイナー）ノードを含める可能性がある。
• レイアウトは、レベルの詳細度に比例した所望のエッジ長を強制するように変更された力描画アルゴリズム（ImPred）を用いて生成され、視覚的な階層と滑らかなズームを保証する。
• ラベル配置は重複を回避しながら読みやすさを保つように最適化され、ノードサイズは重要度に比例し、空きスペースを最小限に抑えることで、全体のレイアウトがコンパクトになるように制約が加えられる。
• 実装では、パンとズームを可能にするウェブベースのインターフェースを用い、ユーザーがレベルの詳細度をインタラクティブにナビゲートできる。
• 品質指標（エッジ長の一貫性（DL）、ストレス（ST）、コンパクト性（CM））が計算され、直接的アプローチと比較され、性能の妥当性が検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチレベルツリーに基づくグラフ可視化は、実際のノード・エッジと意味的な空間的関係を維持しながら、セマンティックズームを達成できるか？
• RQ2 グラフ可視化は、複数の詳細度レベルにわたり、恒常的で重複のない、交差のないレイアウトをどのように維持できるか？
• RQ3 ZMLT手法は、ベースライン手法と比較して、レイアウト品質と視覚的一致性をどの程度向上できるか？
• RQ4 単純なスケーリングに依存せずに、過剰な空きスペースを避けるためにレイアウトをコンパクトにできるか？

主な発見

• ZMLT手法は、すべての7つの望ましい特性を達成している：適切な表現、実際で恒常的なノード/エッジ、ラベルの重複なし、エッジの交差なし、コンパクトなレイアウト。
• 指標評価において、ZMLTは直接的アプローチを一貫して上回り、全8レベルの詳細度においてストレス（ST）、コンパクト性（CM）、エッジ長（DL）の値が低かった。
• ZMLTにおける平均エッジ長は、レベルの深さに比例して減少し、理想的なトレンドに近く一致していたが、直接的アプローチではエッジ長が全レベルでほぼ一定を保っていた。
• 視覚的比較では、ZMLTが、特に高レベルの詳細度において、ベースライン手法よりもコンパクトなレイアウトで空きスペースが少なかった。
• プロトタイプ実装は、滑らかな遷移とインタラクティブなナビゲーションを備えており、大規模グラフのリアルタイム探索を効果的に可能にした。
• コードとインタラクティブシステムは公開されており、マルチレベルグラフ可視化分野における再現性とさらなる研究を可能にしている。