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Vortrag für das Proseminar Informationvisualisierung und Scientific Visualization

Von Christian Wasileiades und Dimitrios Petridis Zum Thema Netzwerkvisualisierung

1. Einleitung *

2. Problematik

2.1 Positionieren von Knoten 2.2 Effiziente Darstellung von sehr großen Netzwerken 2.3 Navigation 2.4 Interaktion

3. Vorstellung von einigen Hilfsmitteln (Software)

3.1 SemNet 3.2 HierNet 3.3 SeeNet

4. Zusammenfassung * Rot markierte Text = Geschrieben von Petridis Dimitrios Grün markierte Text = Geschrieben von Cristian Wasileiades



1.0) Einleitung

Zunächst stellt sich für uns die Frage,was man unter Netzwerkvisualisierung versteht, wo sie zu gebrauchen ist,und welche Ziele sie hat.Allgemein gesagt hat Netzwerkvisualisierung die Aufgabe Visuelle Repräsentationen von Daten zu erzeugen.Dadurch wird das Verständnis von Modellen bzw. Daten erleichtert. Ziel der Netzwerkvisualisierung ist das Beschreiben von Kommunikationsnetzwerken ,wie zum Beispiel das Internet,Telekommunikationsnetzwerk,und im Bereich Software Engineering.Das heißt es werden Elemente,die sonst nicht direkt erkennbar sind visuell repräsentiert. Hier muß man noch hinzufügen, daß bei großen Netzwerken, die Menge der Knoten nicht sehr interessant ist, sondern die Menge der Daten, und das ist ein Grund warum wir die Visualisierung brauchen. Für das leichtere Verstehen werde ich das kurz,anhand zwei Bildern, erklären. Ohne Bilder ist die Visualisierung nutzlos. In der nächsten Abbildung kann man ein Netzwerk erkennen, das aus Knoten besteht. Diese sind Städte auf einer Landkarte. Weiterhin sind die Knoten mit Link verbunden. Die Farben, die die Belastung des Netzwerks ausdrücken, werden anhand der Skala analysiert.

Abb. 1 Quelle (http://www.bell-labs.com/user/eick/NetworkVis.html)



Das zweite Bild sieht dem ersten ähnlich. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Knoten nicht mehr die Städte , sondern die Ländern darstellen. Jetzt kann man einfacher die Belastung auf den Knoten erkennen als vorher.

Abb. 2 Quelle (http://www.bell-labs.com/user/eick/NetworkVis.html )



3.2) HierNet

Nun werde ich zunächst ein Werkzeug, daß zum Untersuchen von großen Netzwerken dient vorstellen. Diese Netzwerke assoziieren mit der Stärke und dem Gewicht der Links, und dafür ist eine hierarchische Präsentation der Knoten notwendig. 3.2.1) Positionieren von Knoten Anstatt, einen vorbestimmten (z.B., geographischen) Standort zu verwenden, oder ein Layout zu benutzen, das lediglich gebildet wird, um Unordnung zu vermeiden, verwenden wir Algorithmen, die die Knoten positionieren, indem sie die belasteten Links zwischen den Knoten deutlich machen. Diese Methoden plazieren die stärkeren Knoten nahe zusammen und geben Bedeutung zu den relativen Standorten. Als angenehme Nebenwirkung wird Unordnung verringert oder sogar vermeidet. Beim Positionieren von Knoten erkennt man sofort den großen Unterschied zwischen HierNet und SemNet. HierNet benutzt Algorithmen und keine vordefinierten Knoten wie es im SemNet Werkzeug der Fall ist. Der erste vorzustellende Algorithmus heißt MDS oder multidimensionale Skalierung. Nach diesem Algorithmus ist die Distanz zwischen zwei Knoten, die positioniert werden sollen, umgekehrt Proportional mit der Stärke von der Link. Kurz gesagt je größer die Distanz zwischen zwei Knoten desto schwächer die Stärke der Links. Nach diesem Prinzip arbeitet der MDS Algorithmus. Trotzdem wird der MDS Algorithmus nicht benutzt, weil er nicht effizient ist, um das zu zeigen, werde ich die folgende Gleichung brauchen. Mit dem ersetzen von δij durch 1/wij erhalten wir nicht die Minimierung der vorherige Propotionalität. Das bedeutet das schwächere Links eine größere Bedeutung in Relation zu größeren Links haben dij=Distanz zwischen Knoten wij=Stärke Links Deswegen können wir nicht diesen Algorithmus als Knoten plazierenden Algorithmus verwenden. Der nächste vorzustellende Algorithmus heißt Force-based-Algorithmus. Der ist dem MDS Algorithmus ähnlich, weil er teilweise das gleiche Prinzip wie MDS benutzt. Der Force-based-Algorithmus ist besser als MDS aber immer noch ineffizient. Besser, weil die erste Knoten zufällig positioniert werden und weiter wird der MDS benutzt, aber er bleibt immer noch ineffizient, weil der MDS weiter benutzt wird. Der folgende Algorithmus heißt Spring Algorithmus. Der wird weit und breit benutzt. Er läßt möglichst keine Lücken frei zwischen den Knoten, daraus folgt daß die Gruppen der jeweiligen Knoten nicht mehr zu erkennen sind. Also hat die Visualisierung ihr Ziel verfehlt, eine klare Abbildung von dem Netzwerk zu schaffen, so daß man das Netzwerk leichter erforscht.

Vortrag für das Proseminar Informationvisualisierung und

Scientific Visualization Von Christian Wasileiades und Dimitrios Petridis

Zum Thema Netzwerkvisualisierung

Zum Schluß kommt der Layout Algorithmus, der auch der effizientere und beste Algorithmus ist. Nach der Minimierung der nebenstehenden Funktion, bekommen wir die Relation , die wir zwischen Knoten und Link brauchen. Wichtig ist, daß die stärksten Knoten näher aneinander stehen. dij=Distanz zwischen Knoten wij=Stärke von Links Außerdem hat die Hierarchie Vorteile vom Layout Algorithmus, und das zeigt eine mögliche Positionierung der Knoten in den folgenden Bildern.

Abb.3 Der Anfangsknoten befindet sich im Zentrum des Graphen



Abb.4 Der Rootknote des unteren Baums wird ins Zentrum gesetzt

Abb.5 Die Hierarchie wird weiter nach unten verfolgt, und kommt nicht durcheinander



3.2.2) Interaktion Nun sollen wir auch die Interaktion in HierNet nicht vergessen. Dazu ist nicht viel zu sagen. Wir verwenden Interaktion, und erlauben somit den Benutzer, mit einer guten grundlegenden Methode , Parameter zu justieren, sie sichtbar zu machen, Abfragen zu versteckter Information zu bearbeiten und die Bildschirmanzeige direkt zu manipulieren . Die Interaktion wird benutzt um die Visualisierung zu editieren oder zu ändern. Das kann zum Beispiel die Knotengröße oder Linienbreite sein, aber auch das direkte Manipulieren der gesamten Abbildung. Die Interaktion ist eine große Hilfe für die Navigation im gesamten Hierarchischen Netzwerk. 3.2.3) Linking Beim Linking kann der Benutzer sich auf spezifische Merkmale von Daten konzentrieren. Weil wir mit einem Überfluß von Informationen bedroht werden, verwenden wir Linking. Wir erlauben uns auf spezifische Eigenschaften der Daten beim Beibehalten eines gesamten Kontextes zu konzentrieren, und stellen untergeordneten Informationen zur Verfügung . Man kann hier sagen, daß Linking und Interaktion zu einer besseren Navigation im großen hierarchischen Netzwerk dienen. Kurz gesagt, der Benutzer kann bestimmte Daten fokusieren, die wichtig sind, und trennt die nebensächlichen Informationen. Wenn der Benutzer an einem Display arbeitet werden die anderen automatisch aktualisiert. Linking kombiniert das ganze so, daß die Navigation einfacher für den Benutzer ist.

3.3) SeeNet

SeeNet ist ein weiteres Werkzeug, das für die Abbildung von Netzwerkdaten entwickelt wurde. In diesem Punkt müssen wir erwähnen, daß die Netzwerkdaten und nicht das gesamte Netzwerk Ziel unsere Analyse ist. Daten, die von den Knoten und Links abhängig sind, werden deutlich gemacht. Man kann das SeeNet abstrakt als 3 graphische Werkzeuge in einem beschreiben, ansonsten sprechen wir von Visualisierungstechniken, die ich weiterhin erläutere. Diese sind Statische Abbildungen, interaktives Kontrollieren, und direkte Manipulation (Animation)



3.3.1) Statische Abbildungen Von den drei Visualisierungstechniken, werden wir versuchen als erstes die Statische Abbildungen zu erläutern. Statische Abbildungen sind verschiedene Techniken für die Abbildung von Daten eines Netzwerkes Das Verknüpfen von Daten auf einer Abbildung ist eine Statische Abbildung. Hier versucht man mit Linien die Knoten zu verbinden. Die Linien(Links) sind farblich markiert, weil Farbe die Belastung an diesen Knoten zeigt. Die Richtung der Daten ist durch kleine Pfeile auf den Links erkennbar. Eine andere Methode ist die Abbildung von Knoten als farbige geometrische Symbole. Verschiedene Symbole, wie Kreise oder Quadrate, zusammen mit anderen Charakteristika, wie Größe, Farbe oder Form, zeigen verschiedene Werte in der gesamten Statistik. Wenn man andere komplexe Symbole benutzt, kann man gleichzeitig mehrere Statistiken bewerten. Als letztes kommt die Darstellung von Knoten und Links als Matrix. Die Darstellung eines Netzwerks als Matrix konzentriert sich mehr auf die Links. Durch diese Darstellung versucht man zwei typische Probleme der Visualisierung, zu lösen. Diese sind ganz lange Linien und das Durcheinander bei vielen langen Linien. Die Probleme der Darstellung sind dadurch gelöst aber das gesamte Netzwerk verliert die geographische Einrichtung die es eventuell vorher hatte. 3.3.2) Interaktives Kontrollieren Nun kommen wir zum interaktiven Kontrollieren(Parameter focusing).Es ist sehr wichtig, um ein Abbildungsdurcheinander zu vermeiden. Der Benutzer oder Analytiker ändert die Parameter auch während der Aktualisierung und versucht nur die wichtigen und brauchbaren Informationen zu erforschen. Also beim guten Parameter focusing bekommt man Informationen über das Netzwerk, die man braucht. Das erreicht man tatsächlich, wenn die angezeigte Statistik datenabhängig ist. Statistik ist eine der wichtigen Parameter. Mann kann sehr einfach zu falschen Schlußfolgerungen über das Netzwerk kommen, wenn man nicht die abhängigen Daten benutzt. Außerdem sollen die angezeigten Daten ausgewählt werden (Levels).Der Benutzer entscheidet, was angezeigt werden soll und was nicht. Die Topologie/Geographie der Knoten ist auch ein wichtiger Parameter. Der Benutzer kann Knoten und Links, die geographisch auf eine Landkarte dargestellt sind, aktivieren und deaktivieren. Er kann auf dieser Landkarte alle Regionen deaktivieren, und verschiedene Regionen, die für ihn interessant sind aktivieren.



Man soll auch das richtige Zeitintervall für zeitbasierende Daten auswählen. Der Benutzer kann Zeitintervalle aussuchen die für ihn interessant und wichtig sind. Sehr oft wird die Hilfe eines Displays gebraucht ,um interessante Perioden auszusuchen, und eines weiteren Displays, um diese detailliert zu untersuchen. Hier muß man hinzufügen, daß wir im SeeNet ständig Daten über verschiedene Perioden bekommen, dies ist eine Art von Updates. Ein weitere wichtiger Parameter ist die gesamte Statistik. Der Benutzer braucht Werkzeuge für die Vereinigung der verschiedenen Statistiken. Eine gesamte Statistik ist immer gefragt. Zum Schluß des Abschnitts interaktives Kontrollieren sind die Anzahl an Symbolen und Farben und die Große von Symbolen. Diese bieten eine visuelle Hilfe für den Benutzer. Zum Beispiel zeigt ein großer roter Kreis höhere Belastung als ein kleines blaues Parallelogramm. All diese Symbole sind brauchbar wenn man versucht ein Netzwerk mit vielen wichtigen Informationen darzustellen. 3.3.3) Direkte Manipulation Als dritte und letzte kommt die direkte Manipulation oder anderes ausgedrückt Animation. Das interaktive Kontrollieren allein hilft nicht viel weiter ohne die direkte Manipulation. Das ist leicht zu erklären. Der Benutzer bekommt immer neue Informationen und Daten über den Parametern. Die Parameter müssen verändert beziehungsweise manipuliert werden, so daß der Benutzer weiterhin Zugang zu einen informativen Display hat. Solch eine Manipulation wäre zum Beispiel die Identifizierung von Knoten und Links. Der Benutzer im SeeNet identifiziert einen Knoten oder Link, wenn er mit dem Cursor an den Knoten geht. Er braucht gar nichts weiter zu tun. Es kann der Name der Stadt angezeigt werden, wenn dieser Knoten eine Stadt ist, oder die Menge der Daten, die über diesen Knoten durchflossen sind. Weiterhin gibt es Werkzeuge, die zur Modifizierung der Linksparameter, Knotenparameter, und Matrizenparameter dienen. Bei der Manipulation der Links gibt es drei Sachen, die der Benutzer manipulieren kann. Diese sind die Länge der Links zwischen zwei Knoten, die Animationsgeschwindigkeit, und wie dick der Link insgesamt sein soll. Der Benutzer hat natürlich für jede einzelne Manipulation eine Werkzeug zur Verfügung. Beim Knotenparameter kann der Benutzer nun die Größe des Symbols, die Sensibilität der Farbe, und die Animationsgeschwindigkeit manipulieren Als Symbole werden Kreise, Rechtecke, Parallelogramme und andere Symbole benutzt. Unter Sensibilität der Farbe versteht man , daß jede Farbe etwas anderes symbolisiert. Hier besteht der Unterschied in der Farbe, das Symbol bleibt das selbe. Wenn der Benutzer die Abbildung als Matrix haben will, will er auch die Möglichkeit haben etwas zu verändern. Dies ist selbstverständlich möglich. Das Vertauschen von Reihen und Spalten beweist uns, daß auch hier manipuliert wird.



Zooming ist auch eine Art von Manipulation. Der Benutzer kann eine Region zum Beispiel hochziehen weil er die Daten nur von dieser Region benötigt. Obwohl diese Funktion im SeeNet nicht so einfach funktioniert, ist sie trotzdem sehr brauchbar. Die Ausfilterung von unwichtigen Links ist brauchbar für die Statistik. Der Benutzer benötigt eine Statistik, die zu den wichtigen Daten relevant ist. Wenn er die Möglichkeit hat unwichtige Links auszufiltern , wird seine Arbeit leichter und effizienter sein. Töne werden im SeeNet auch benutzt. Man hört Töne bei drei verschiedenen Änderungen. Wenn ein Knoten aktiviert oder deaktiviert wird, wenn ein Links oder Knotenparameter manipuliert wird, und wenn die Animation ändert.

Abb.6 Quelle (http://www.bell-labs.com/user/eick/NetworkVis.html)

Abbildung 6 zeigt uns wie das Display in SeeNet aussieht. Erkennbar sind rechts und unten die Manipulationswerkzeuge.



Abb. 7 Quelle (http://www.bell-labs.com/user/eick/NetworkVis.html)

Abbildung 7 zeigt uns ein vom Benutzer manipulierte Display von SeeNet. Hier auch ist klar zu erkennen, daß unten rechts das Zeitintervall angezeigt wird, und das die

Knoten mit farbige rechteckige Symbole abgebildet werden.



4.0) Zusammenfassung

Schließlich ein paar Folgerungen zu diesem Thema. Heutzutage werden Netzwerke immer komplexer und komplizierter, aus diesem Grund ist eine Visualisierung notwendig, so daß wir Netzwerkstrukturen besser kontrollieren und verstehen können. Viele Netzwerkvisualisierungsmethoden werden für das Verwalten von E-Mail Netzwerk, Telekommunikation Netzwerk, und im Bereich Software Engineering eingesetzt. Man kann auch sagen, daß die Netzwerke so komplexer und kompliziert geworden sind, weil die Visualisierung von Netzwerken und deren Forschung geholfen hat. Somit wird die Visualisierung immer mehr in unserer geometrisch wachsenden Digitalwelt gebraucht.



Kommentiertes Literaturverzeichnis

Ausgangsliteratur

[1] Heidrun Schumann, Wolfgang Müller „Visualisierung – Grundlagen und allgemeine Methoden“ Rostock Darmstadt,2000 Die zwei Autoren dieses Buches geben einen Überblick zum Thema Visualisierung und zeigen dessen Verwendungszweck und Einsatzgebiet auf.

[2] Thomas Stothotte „Computational Visualization Graphics, Abstraction and Interactivity“ Magdeburg,1998

Abstraktion und Wechselwirkung (Abstraction and Interactivity) von Graphen und der Zusammenhang mit der Visualisierung, ist der Schwerpunkt dieser Quelle. Welche Darstellmöglichkeiten eines Graphen gibt es? Wie werden sie realisiert? Welche sind effizient? Das sind die zentrale Fragen, auf die eine Antwort gesucht wird.

[3] Peter Gloor

„Elements of Hypermedia Design – Techniques for Navigation & Visualization in Cyberspace.” Dieses Buch basiert auf Techniken zur Organisation und Strukturierung von Daten in einem großen Informationssystem. Weiterhin, werden Algorithmen vorgestellt die das Auffinden, Reorganisieren und Verknüpfen von Daten ermöglichen.

[4] Chaomei Chen „Information Visualisation and Virtual Environments“ Uxbridge 1999 Das nächste Buch beschäftigt mit großen Informationsstrukturen.Aber das Besondere in dem Buch ist die Presentation von weiteren Applikationen für die Visualisierung von Netzwerken.



[5] Stehphen G. Eick „Network Visualization Images“ http://www.bell-labs.com/user/eick/NetworkVis.html Wunderbare Bilder für die bessere Verständnis der Netzwerkvisualisierung

Habe ich welche gebraucht.Leider ist das Link down momentan.

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