Visualisierung evolutionärer Zusammenhänge

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Evolution

Enstehung neuerArten:

Vererbung Mutation Selektion Horizontaler Gentransfer,

Endosymbiose, Hybridisierung

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2 Beispiele:

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Klassischer Dinosaurier Stammbaum

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Tree of Life by Tim Hughes

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Was fällt auf ?

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Daten

Rohdaten: DNA ,RNA und Protein SequenzierungRekonstruktion: verschiedene Algorithmen

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Probleme

Größe der Graphen ( 100.000 und mehr Knoten) Lösung des Rekonstruktionsalgorithmus nicht eindeutig. Rekonstruktion hängt von Daten und verwendetem Algorithmus ab

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Anforderungen an die Visualierung

Darstellung großer GraphenStrukturmerkmale sollen erkennbar seinOrientierungshilfen gebenVergleich ermöglichen (Vorhersehbarkeit)Vergleich erleichtern (Markierung, Navigation)

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Einordnung in Visualisierung

Informations-Visualisierung Darstellung großer Hierarchien Graphen zeichnen

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Layout: Dimension

3D :

Mehr Raum für zusätzliche Informationen

Natürlichere Darstellung

Hohe Hardwareanforderungen

2D :

Gut für Publikationen

Einfachere Implementation

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2D Layout

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3D Layout

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Bäume und Netzwerke

Bäume:Einfachere Struktur

In 2D einbettbar

Rekonstruktion sowieso fehlerbehaftet

Besser entwickelte Algorithmen

Netzwerke:Entspricht evolutionären Vorgängen besser

Komplexer Berechnung

Komplexere Darstellung

Darstellung mittels Spannbaum

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NeighborNet

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Zoom Techniken

Geometrischer ZoomSemantischer Zoom (Ein/ Ausblenden von Details)Level of Detail

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Zoom: Beispiel

Zoom: Beispiel

Geometrischer Zoom: Probleme

Benutzer verliert die Übersicht Änderung des Zoomlevels zur Navigation notwendig Keine einheitliche Darstellung

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Fokus+Kontext Techniken

Verbesserung gegenüber Zoom:Ausschnitt wird fokussiert-der Kontext bleibt sichtbar

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Fokus+Kontext Übersicht

Fischauge 3D Darstellung Hyperbolisch Sphärisch

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Fischaugenverzerrung

Unabhängig von Layout

Verzerrung mittels konkaver, monotonor Funktion

Verzerrung abhängig von der Entfernug vom Fokuspunkt

Je nach Funktion polare, kartesische oder andere Verzerrung

Komplizerte Kurven entstehen-höherer Rechenaufwand für Approximation

Geignet für mittelgrosse Graphen

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Hyperbolische Darstellung

Besonderes Layoutverfahren

Mehr Platz als in euklidischer Ebene

Verschiedene Projektionen

Unerwartete hyperbolische Effekte (Drehungen)

Animation schwierig

Geeignet für sehr grosse Graphen

2D und 3D möglich

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Grundlagen der hyperbolischen Darstellung

Darstellung von M.C Escher

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Sphärische Darstellung

Besonderes Layout

Beschränkter Platz

Intuitiver Zugang des Benutzers zur Darstellungstechnik

Darstellung von Hierarchien mittels Bändern

3D Ansatz (vieleicht) möglich

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Grundlagen Magic Eye

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Bäume vergleichen

Bäume Vergleichen

Bäume vergleichen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten:direkter Vergleich

Baummetriken

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Direkter Vergleich

Struktur erkennbar

Hilfe bei gemeinsamer Navigation nötig- erkennen äquivalenter Teilbäume durch Programm

Kompatibel mit Fokus+Kontext

Nur für den Vergleich weniger Bäume geeignet

TreeJuxtaposer

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Baummetriken

Treeset von Amenta und Klinger

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Baummetriken

Treespace- Metrik auf dem Raum der Bäume

Überblick über eine grosse Anzahl von Bäumen

Strukturunterschiede der Bäume nicht erkennbar

Nach Auswahl können Details angezeigt werden (Konsensbaum)

Einfache Visualisierung

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Verlauf einer Rekonstruktion visualisieren

Besondere Form des Vergleiches

Integration in Rekonstruktionsalgorithmus notwendig

Einheitlichere Daten

FastDNAml-Viewer

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3D Metaphern

Sollen die Navigation erleichtern Übertragen Erfahrung/ Intuition des Benutzers auf einen neuen Kontext Erhöhen den Darstellungsaufwand Gefahr der Fehlinterpretation

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Landscape Metapher

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Botanische Metaphern

Unix Home Verzeichniss nach Kleiberg

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Treemaps

Sequoia View von van Wijk und van der Wetering

Beispiel dafür, dass hierarchische Daten nicht in Baumform dargestellt werden müssen

Hierarchie wird durch Größe und Anordnung der Kissen dargestellt

Eignung für die Darstellung phylogenetischer Zusammenhänge fraglich

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DFG Antrag:Globe View

Entwicklung einer neuen Visualisierungtechnik zum Vergleich phylogenetischer Bäume und zur

Darstellung der Arbeitsweise von Rekonstruktionsalgorithmen

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Globe View:Beschreibung

Idee: Einbetten eines 3D Baumes in eine Kugel, so dass Wurzel in der Mitte liegt und die Blätter auf der Oberfläche

Durch ein geeignetes Layout entsteht auf der Oberfläche eine 2D Struktur, die das Ablesen der evolutionären Distanz möglich macht. Jedem Blatt wird eine eindeutige Position zugewiesen, die

nur von der Struktur des Baumes abhängt Vergleich/Tracking: Wanderung der Blätter wird animiert

dargestellt Wechsel von 2D nach 3d: Benutzter “ taucht” durch die

Oberfläche

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Globe View: Arbeitseinteilung

A Layout-Visualisierung

B Vergleich unterstützen

C Darstellung optimieren

D Integration in Software

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A Layout Visualisierung:

Evolutionäre Nähe darstellen

Conetree anpassen

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Evolutionäre Nähe Darstellen

Definition ( Evolutionäre Distanz): kürzeste Entfernung zweier Taxa im rekonstruiertem Graphen

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Problem:

Zu viele Taxa haben den gleichen evolutionären Abstand.

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Lösungen

ApproximationFarbkodierungClustering

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Clustering: Beobachtung

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GlobeView

Conetree Algorithmus anpassen, so dass Clustering auf Oberfläche entsteht 3D Darstellung inklusive

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Vergleich unterstützen

Unterschiede erkennen und kennzeichnen

Automatische Navigation

Sequenz für Animation erstellen

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C: Darstellung optimieren

Platzverschwendung kontra Überkreuzung/ Verdeckung

Circle Packing

Aus Stichprobe optimale Aufteilung schätzen

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Darstellung optimieren:Circle Packing

Kreispackung Größe der Scheiben veränderen Verschiedene schnelle Algorithmen

zur Anpassung vorhanden Für euklidische, hyperbolische und

sphärische Geometrie geeignet

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Literatur

� Praxis: Carrizo,S.F.2004 Phylogenetic Trees: an Information Visualisation perspective

� Graphen Zeichnen; Herman,I et al. 2000 Graph Visualisation and Navigation in information visualisation

� Hyperbolisch: Munzner http://graphics.stanford.edu/~munzner

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