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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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