Comparison of Node-Link and Hierarchical Edge Bundling Layouts: A User Study

Visually investigating large network-like structures is a challenging task. Several approaches have been proposed in the past: node-link diagrams, adjacency matrices, and, more recently, hierarchical edge bundles. We present a recent experiment that compares the effectiveness of the classical node-link diagrams with the more recent hierarchical bundled edges. The users involved several computer science practitioners, the data ranged from graphs of several hundreds to several tens of hundreds of nodes, the tasks involved answering a number of structural overview as well as detailed questions involved system dependencies

A layout algorithm for undirected compound graphs

Cataloged from PDF version of article.We present an algorithm for the layout of undirected compound graphs, relaxing restrictions of previously known algorithms in regards to topology and geometry. The algorithm is based on the traditional force-directed layout scheme with extensions to handle multi-level nesting, edges between nodes of arbitrary nesting levels, varying node sizes, and other possible application-specific constraints. Experimental results show that the execution time and quality of the produced drawings with respect to commonly accepted layout criteria are quite satisfactory. The algorithm has also been successfully implemented as part of a pathway integration and analysis toolkit named PATIKA, for drawing complicated biological pathways with compartmental constraints and arbitrary nesting relations to represent molecular complexes and various types of pathway abstractions. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved

A layout algorithm for undirected compount graphs

Cataloged from PDF version of article.Graph layout is an important problem in information visualization. All datadriven graph-based information visualization systems require some sort of an automatic geometry generation mechanism, as it is generally not directly available from the data being modeled. This is why graph layout problem has been studied extensively. However, for the case of compound graphs, there are still important gaps in this area. We present a new, elegant algorithm for undirected compound graph layout. The algorithm is based on the traditional force-directed layout scheme with extensions to handle nesting, varying node sizes, and possibly other application-specific constraints. Experimental results show that the execution time and quality of the produced drawings with respect to commonly accepted layout criteria are quite satisfactory. The algorithm has also been successfully implemented as part of a pathway integration and analysis toolkit named Patika for drawing complicated biological pathways with compartmental constraints and arbitrary nesting relations to represent molecular complexes and various types of pathway abstractions.Giral, ErhanM.S

Kreuzungen in Cluster-Level-Graphen

Clustered graphs are an enhanced graph model with a recursive clustering of the vertices according to a given nesting relation. This prime technique for expressing coherence of certain parts of the graph is used in many applications, such as biochemical pathways and UML class diagrams. For directed clustered graphs usually level drawings are used, leading to clustered level graphs. In this thesis we analyze the interrelation of clusters and levels and their influence on edge crossings and cluster/edge crossings.Cluster-Graphen sind ein erweitertes Graph-Modell mit einem rekursiven Clustering der Knoten entsprechend einer gegebenen Inklusionsrelation. Diese bedeutende Technik um Zusammengehörigkeit bestimmter Teile des Graphen auszudrücken wird in vielen Anwendungen benutzt, etwa biochemischen Reaktionsnetzen oder UML Klassendiagrammen. Für gerichtete Cluster-Graphen werden üblicherweise Level-Zeichnungen verwendet, was zu Cluster-Level-Graphen führt. Diese Arbeit analysiert den Zusammenhang zwischen Clustern und Level und deren Auswirkungen auf Kantenkreuzungen und Cluster/Kanten-Kreuzungen

Visualisations novatrices pour la compréhension de réseaux et de logiciels complexes

La visualisation d’information a le potentiel de pouvoir exploiter nos capacités visuelles, acquises au fil de centaines de millions d’années d’évolution, afin de faciliter la découverte de secrets enfouis dans les données, de nouveaux patrons ou de relations insoupçonnées. Il existe toutefois une grande variété de données, plus ou moins structurées, que l’on cherche à comprendre sous diverses perspectives. En particulier, les données sous forme de réseaux servent à modéliser des phénomènes importants, tels que les communautés sociales ou les transactions financières, mais peuvent être difficiles à représenter si les réseaux sont grands, hiérarchiques, et/ou dynamiques. Cette thèse se concentre sur la conception de nouvelles techniques de visualisation de réseaux, dans le but de faciliter la compréhension de données. Les techniques de visualisation présentes dans la littérature sont utiles dans certains contextes et comportent chacune des limitations. Néanmoins, il existe encore des possibilités inexplorées pour créer des nouvelles façons de représenter des données. La validation de ces nouvelles techniques demeure un défi. En outre, les interfaces doivent être simples à utiliser, mais aussi faciliter l’analyse et l’exploration de données. Dans le but d’étudier de nouvelles options de visualisations pour faciliter des tâches de compréhension des données, nous avons d’abord classifié les travaux antérieurs avec des taxonomies. De cette manière, nous avons aussi pu mettre en lumière des nouvelles pistes d’hybrides (c’est-à-dire, des combinaisons d’approches) potentiellement intéressantes pour visualiser des réseaux statiques et dynamiques. Les contributions présentées dans cette thèse couvrent différents aspects de la visualisation de réseaux complexes et dynamiques. D’abord, le premier chapitre se concentre sur la visualisation de réseaux statiques comportant des hiérarchies, par la combinaison d’approches. Le prototype décrit dans le deuxième chapitre permet également de combiner des représentations visuelles, mais peut être aussi utilisé afin de modéliser des graphes dynamiques. Enfin, le troisième chapitre présente une nouvelle méthode visuelle appliquée afin de tracer l’évolution de structures de conception complexes dans des logiciels (modélisés par des réseaux). Ainsi, dans le premier prototype (TreeMatrix), des parties de graphes sont montrées avec des matrices et des diagrammes noeuds-liens, alors que les arborescences sont représentées par des diagrammes en glaçons et des regroupements. Contrairement aux autres visualisations dans la littérature, cette nouvelle technique aide à montrer des réseaux denses, sans nuire à la compréhension des liens à plus haut niveau. Une expérience avec des utilisateurs a montré certains avantages afin de découvrir et organiser les liens de modules au sein d’un logiciel, en comparaison avec le logiciel commercial Lattix. Nous avons également combiné des approches de manière novatrice pour notre second prototype (DiffAni) afin de visualiser des réseaux qui évoluent dans le temps. DiffAni est le premier hybride interactif de graphes dynamiques et sa validation avec des participants a permis de faire ressortir certains avantages. Ainsi, l’utilisation d’animation doit être modérée et est surtout utile lors de mouvements significatifs. Ces résultats, avec nos taxonomies, pourraient contribuer à guider la création de nouveaux hybrides dans le futur. Le troisième prototype (IHVis) a facilité l’exploration et le traçage de structures de conception dans des logiciels en évolution (modélisés par des réseaux) à partir de répertoires de code source. Cette nouvelle visualisation a notamment révélé des cas d’introduction de points de stabilité et des refactorings, et certains participants ont aussi trouvé d’autres informations intéressantes, telles que l’extension de fonctionnalités par l’implémentation d’interfaces. En résumé, cette thèse présente des façons novatrices et utiles de visualiser des réseaux complexes et dynamiques. Nos principales contributions sont (1) l’exploration d’espaces de conception de nouvelles visualisations de réseaux à l’aide de taxonomies, (2) la conception de prototypes combinant des approches pour visualiser des réseaux hiérarchiques et dynamiques, (3) la conception d’une nouvelle méthode visuelle d’exploration des variations et des instabilités au sein de logiciels en évolution, (4) l’évaluation de ces techniques à l’aide d’expériences avec des participants

Zyklische Levelzeichnungen gerichteter Graphen

The Sugiyama framework proposed in the seminal paper of 1981 is one of the most important algorithms in graph drawing and is widely used for visualizing directed graphs. In its common version, it draws graphs hierarchically and, hence, maps the topological direction to a geometric direction. However, such a hierarchical layout is not possible if the graph contains cycles, which have to be destroyed in a preceding step. In certain application and problem settings, e.g., bio sciences or periodic scheduling problems, it is important that the cyclic structure of the input graph is preserved and clearly visible in drawings. Sugiyama et al. also suggested apart from the nowadays standard horizontal algorithm a cyclic version they called recurrent hierarchies. However, this cyclic drawing style has not received much attention since. In this thesis we consider such cyclic drawings and investigate the Sugiyama framework for this new scenario. As our goal is to visualize cycles directly, the first phase of the Sugiyama framework, which is concerned with removing such cycles, can be neglected. The cyclic structure of the graph leads to new problems in the remaining phases, however, for which solutions are proposed in this thesis. The aim is a complete adaption of the Sugiyama framework for cyclic drawings. To complement our adaption of the Sugiyama framework, we also treat the problem of cyclic level planarity and present a linear time cyclic level planarity testing and embedding algorithm for strongly connected graphs

Visualisierung biochemischer Reaktionsnetze

In dieser Arbeit werden Anforderungen an die Darstellung biochemischer Reaktionsnetze untersucht und die Netze unter dem Gesichtspunkt der Visualisierung modelliert. Anschliessend wird ein Algorithmus zum Zeichnen biochemischer Reaktionsnetze entwickelt und analysiert.In this dissertation we investigate the requirements for the visualisation of biochemical reaction networks. We compose a model for these networks that lends itself to visualisation and develop and analyse an algorithm to create drawings of the networks

Interactive graph drawing with constraints

This thesis investigates the requirements for graph drawing stemming from practical applications, and presents both theoretical as well as practical results and approaches to handle them. Many approaches to compute graph layouts in various drawing styles exist, but the results are often not sufficient for use in practice. Drawing conventions, graphical notation standards, and user-defined requirements restrict the set of admissible drawings. These restrictions can be formalized as constraints for the layout computation. We investigate the requirements and give an overview and categorization of the corresponding constraints. Of main importance for the readability of a graph drawing is the number of edge crossings. In case the graph is planar it should be drawn without crossings, otherwise we should aim to use the minimum number of crossings possible. However, several types of constraints may impose restrictions on the way the graph can be embedded in the plane. These restrictions may have a strong impact on crossing minimization. For two types of such constraints we present specific solutions how to consider them in layout computation: We introduce the class of so-called embedding constraints, which restrict the order of the edges around a vertex. For embedding constraints we describe approaches for planarity testing, embedding, and edge insertion with the minimum number of crossings. These problems can be solved in linear time with our approaches. The second constraint type that we tackle are clusters. Clusters describe a hierarchical grouping of the graph's vertices that has to be reflected in the drawing. The complexity of the corresponding clustered planarity testing problem for clustered graphs is unknown so far. We describe a technique to compute a maximum clustered planar subgraph of a clustered graph. Our solution is based on an Integer Linear Program (ILP) formulation and includes also the first practical clustered planarity test for general clustered graphs. The resulting subgraph can be used within the first step of the planarization approach for clustered graphs. In addition, we describe how to improve the performance for pure clustered planarity testing by implying a branch-and-price approach. Large and complex graphs nowadays arise in many application domains. These graphs require interaction and navigation techniques to allow exploration of the underlying data. The corresponding concepts are presented and solutions for three practical applications are proposed: First, we describe Scaffold Hunter, a tool for the exploration of chemical space. We show how to use a hierarchical classification of molecules for the visual navigation in chemical space. The resulting visualization is embedded into an interactive environment that allows visual analysis of chemical compound databases. Finally, two interactive visualization approaches for two types of biological networks, protein-domain networks and residue interaction networks, are presented.In zahlreichen Anwendungsgebieten werden Informationen als Graphen modelliert und mithilfe dieser Graphen visualisiert. Eine übersichtliche Darstellung hilft bei der Analyse und unterstützt das Verständnis bei der Präsentation von Informationen mittels graph-basierter Diagramme. Neben allgemeinen ästhetischen Kriterien bestehen für eine solche Darstellung Anforderungen, die sich aus der Charakteristik der Daten, etablierten Darstellungskonventionen und der konkreten Fragestellung ergeben. Zusätzlich ist häufig eine individuelle Anpassung der Darstellung durch den Anwender gewünscht. Diese Anforderungen können mithilfe von Nebenbedingungen für die Berechnung eines Layouts formuliert werden. Trotz einer Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen aus zahlreichen Anwendungsgebieten können die meisten Anforderungen über einige generische Nebenbedingungen formuliert werden. In dieser Arbeit untersuchen wir die Anforderungen aus der Praxis und beschreiben eine Zuordnung zu Nebenbedingungen für die Layoutberechnung. Wir geben eine Übersicht über den aktuellen Stand der Behandlung von Nebenbedingungen beim Zeichnen von Graphen und kategorisieren diese nach grundlegenden Eigenschaften. Von besonderer Wichtigkeit für die Qualität einer Darstellung ist die Anzahl der Kreuzungen. Planare Graphen sollten kreuzungsfrei gezeichnet werden, bei nicht-planaren Graphen sollte die minimale Anzahl Kreuzungen erreicht werden. Einige Nebenbedingungen beschränken jedoch die Möglichkeit, den Graph in die Ebene einzubetten. Dies kann starke Auswirkungen auf das Ergebnis der Kreuzungsminimierung haben. Zwei wichtige Typen solcher Nebenbedingungen werden in dieser Arbeit näher untersucht. Mit den Embedding Constraints führen wir eine Klasse von Nebenbedingungen ein, welche die mögliche Reihenfolge der Kanten um einen Knoten beschränken. Für diese Klasse präsentieren wir Linearzeitalgorithmen für das Testen der Planarität und das optimale Einfügen von Kanten unter Beachtung der Einbettungsbeschränkungen. Der zweite Typ von Nebenbedingungen sind Cluster, die eine hierarchische Gruppierung von Knoten vorgeben. Für das Testen der Cluster-Planarität unter solchen Nebenbedingungen ist die Komplexität bisher unbekannt. Wir beschreiben ein Verfahren, um einen maximalen Cluster-planaren Untergraphen zu berechnen. Wir nutzen dabei eine Formulierung als ganzzahliges lineares Programm sowie einen Branch-and-Cut Ansatz zur Lösung. Das Verfahren erlaubt auch die Bestimmung der Cluster-Planarität und stellt damit den ersten praktischen Ansatz zum Testen allgemeiner Clustergraphen dar. Zusätzlich beschreiben wir eine Verbesserung für den Fall, dass lediglich Cluster-Planarität getestet werden muss, der maximale Cluster-planare Untergraph aber nicht von Interesse ist. Für dieses Szenario geben wir eine vereinfachte Formulierung und präsentieren ein Lösungsverfahren, das auf einem Branch-and-Price Ansatz beruht. In der Praxis müssen häufig sehr große oder komplexe Graphen untersucht werden. Dazu werden entsprechende Interaktions- und Navigationsmethoden benötigt. Wir beschreiben die entsprechenden Konzepte und stellen Lösungen für drei Anwendungsbereiche vor: Zunächst beschreiben wir Scaffold Hunter, eine Software zur Navigation im chemischen Strukturraum. Scaffold Hunter benutzt eine hierarchische Klassifikation von Molekülen als Grundlage für die visuelle Navigation. Die Visualisierung ist eingebettet in eine interaktive Oberfläche die eine visuelle Analyse von chemischen Strukturdatenbanken erlaubt. Für zwei Typen von biologischen Netzwerken, Protein-Domänen Netzwerke und Residue-Interaktionsnetzwerke, stellen wir Ansätze für die interaktive Visualisierung dar. Die entsprechenden Layoutverfahren unterliegen einer Reihe von Nebenbedingungen für eine sinnvolle Darstellung

An Algorithm for Drawing Compound Graphs

We present a new algorithm, called NUAGE, for drawing graphs with both adjacency and inclusion relationships between nodes, that is, compound graphs. Compound graphs are more general than classical graph models or clustered graphs. NUAGE can be applied to both directed and undirected compound graphs. It can be parameterized by classical graph drawing algorithms. NUAGE can be viewed as a method for unifying several classical algorithms within the same drawing by using the structure of the compound graph. Additionally, we present a refinement technique that can be used in conjunction with NUAGE to reduce the number of edge crossings