Visualization Algorithms for Maps and Diagrams

One of the most common visualization tools used by mankind are maps or diagrams. In this thesis we explore new algorithms for visualizing maps (road and argument maps). A map without any textual information or pictograms is often without use so we research also further into the field of labeling maps. In particular we consider the new challenges posed by interactive maps offered by mobile devices. We discuss new algorithmic approaches and experimentally evaluate them

Upward planarization and layout

Die Visualisierung von gerichteten azyklischen Graphen (DAGs) gehört zu den wichtigsten Aufgaben im automatischen Zeichnen von Graphen. Hierbei suchen wir für einen gegebenen DAG G eine Zeichnung von G (Aufwärtszeichnung von G genannt), sodass alle Kanten als Kurven streng monoton in vertikaler Richtung steigend gezeichnet werden. Um die Lesbarkeit der Zeichnung zu erhöhen, sollte neben der Aufwärtseigenschaft auch die Anzahl der Kantenkreuzungen in der Zeichnung möglichst gering sein. In dieser Dissertation entwerfen wir einen neuen Ansatz zur Visualisierung von gerichteten Graphen, der auf der Idee der Aufwärtsplanarisierung basiert. Wir stellen zuerst ein innovatives Aufwärtsplanarisierungverfahren vor, das neue Techniken für die Berechnung aufwärtsplanare Untergraphen und die anschließende Kanteneinfügephase einsetzt. Vor allem werden in dem neuen Verfahren keine Schichtungstechniken zur Kreuzungsminimierung benutzt, wie wir sie aus dem Zeichenverfahren von Sugiyama et al. [STT81] oder aus dem Aufwärtsplanarisierungsverfahren von Eiglsperger et al. [EKE03] kennen. Die Festlegung einer Schichtung kann nämlich zu sehr schlechten Ergebnissen führen. Folglich besitzt das neue Verfahren nicht die Nachteile der bisherigen Kreuzungsminimierungsverfahren. Experimentellen Analysen zeigen, dass das neue Aufwärtsplanarisierungsverfahren deutlich bessere Ergebnisse liefert als das klassische, auf Schichtungen basierende Kreuzungsminimierungsverfahren, und dies unabhängig von den benutzten Lösungsansätzen (heuristisch oder optimal) für die klevel Kreuzungsminimierungsphase. Auch im Vergleich mit den bekannten Aufwärtsplanarisierungsverfahren (Di Battista et al. [BPTT89] und Eiglsperger et al. [EKE03]) zeigt sich, dass der neue Ansatz weitaus bessere Ergebnisse liefert. Wir stellen auch zwei Erweiterungen des neuen Ansatzes vor: eine Erweiterung zur Aufwärtsplanarisierung von gerichteten Hypergraphen und eine zur Unterstützung von Port Constraints. Das Ergebnis der Aufwärtsplanarisierung ist eine aufwärtsplanare Repräsentation (UPR) — ein eingebetteter DAG, in dem Kreuzungen durch künstliche Dummy-Knoten modelliert werden. Wir stellen ein Layoutverfahren zur Realisierung solcher UPRs vor, d.h., ein Verfahren, das aus einem UPR eine Aufwärtszeichnung konstruiert, sodass die Kantenkreuzungen in der Zeichnung zu den Dummy-Knoten des gegebenen UPR korrespondieren. Die wenigen existierenden Zeichenverfahren zur Realisierung von UPRs sind sehr einfach und wurden ursprünglich entwickelt, um planare st-Graphen zu zeichnen. Unser neues Verfahren stellt somit das erste Layoutverfahren dar, das speziell im Hinblick auf die Realisierung von UPRs entworfen wurde. Es bietet zwei wichtige Vorteile gegenüber dem etablierten Standardzeichenalgorithmus von Sugiyama et al.: Die Zeichnungen besitzen wesentlich weniger Kreuzungen, was zur deutlichen Verbesserung der Lesbarkeit führt. Ferner sind sie strukturierter und machen einen aufgeräumteren Eindruck

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

Automatisches Zeichnen von Graphen für modellgetriebene Softwareentwicklung

As shown previously by Fuhrmann, there are several concepts for increasing the productivity of MDE by improving the practical handling of models. The automatic layout of graph-based models is a key enabler in this context. However, there is a striking contrast between the abundance of research results in the field of graph layout methods and the current state of graphical modeling tools, where only a tiny fraction of these results are ever adopted. This thesis aims to bridge this gap on three separate levels: specialized layout algorithms, configuration management, and software infrastructure. Regarding layout algorithms, here we focus on the layer-based approach. We examine its extension to include ports and hyperedges, which are essential features of certain kinds of graphs, e.g. data flow models. The main contribution is the handling of constraints on the positioning of ports, which is done mainly in the crossing minimization and edge routing phases. Hyperedges are represented with normal edges, simplifying their handling but introducing inaccuracies for counting crossings. A final extension discussed here is a sketch-driven approach for simple integration of user interactivity. An abstract layout is the selection of a layout algorithm with a mapping of its parameters to specific values. We discuss a new meta model allowing to specify the structure of a graph as well as its abstract layout and its concrete layout, i.e. positioning data computed by the layout algorithm. This forms a basis for efficient management of layout configurations. Furthermore, we investigate an evolutionary algorithm for searching the solution space of abstract layouts, taking readability criteria into account for evaluating solutions. The software infrastructure developed here targets the connection of arbitrary diagram viewers (front-ends) with arbitrary graph layout algorithms (back-ends). The main challenge is to find suitable abstractions that allow such generality and at the same time keep the complexity as low as possible. We discuss a possible realization based on the Eclipse platform, which is used by several modeling tools, e.g. the Graphical Modeling Framework. A web-based survey has been conducted among users of the layout infrastructure in order to evaluate to what extent the stated goals have been met. The overall feedback collected from this survey is very positive.Wie bereits von Fuhrmann gezeigt, kann die Produktivität modellgetriebener Softwareentwicklung durch zahlreiche Konzepte zur Verbesserung der praktischen Handhabung von Modellen erhöht werden. Dabei ist das automatische Layout graphenbasierter Modelle ein zentraler Schlüssel. Allerdings gibt es einen bemerkenswerten Kontrast zwischen der Fülle an Forschungsergebnissen im Bereich des Graphen-Layout und dem aktuellen Stand graphischer Modellierungswerkzeuge, bei denen nur ein kleiner Teil dieser Ergebnisse übernommen wird. Das Ziel dieser Arbeit ist diese Lücke auf drei separaten Ebenen zu überbrücken: spezialisierte Layout-Algorithmen, Verwaltung von Konfigurationen und Software-Infrastruktur. Im Bezug auf Layout-Algorithmen liegt der Schwerpunkt auf dem Layer-basierten Ansatz. Wir untersuchen dessen Erweiterung zur Unterstützung von Ports und Hyperkanten, was wesentliche Bestandteile bestimmter Arten von Graphen sind, z.B. Datenflussmodelle. Der Hauptbeitrag ist die Einbeziehung von Bedingungen für die Positionierung von Ports, vor allem während der Kreuzungsminimierung und der Kantenführungsphase. Hyperkanten werden durch normale Kanten repräsentiert, was deren Verarbeitung vereinfacht aber Ungenauigkeiten beim Zählen von Kreuzungen verursacht. Als letzte Erweiterung betrachten wir einen Sketch-basierten Ansatz für die einfache Integration von Nutzerinteraktivität. Ein abstraktes Layout ist die Auswahl eines Layout-Algorithmus zusammen mit einer Abbildung seiner Parameter auf konkrete Werte, während ein konkretes Layout Positionsdaten beschreibt, die von einem Algorithmus berechnet wurden. Wir diskutieren ein neues Metamodell, mit dem sowohl die Struktur als auch das abstrakte sowie das konkrete Layout eines Graphen spezifiziert werden kann. Dies bildet eine Grundlage für die effiziente Verwaltung von Layout-Konfigurationen. Zudem untersuchen wir einen evolutionären Algorithmus für die Suche im Lösungsraum abstrakter Layouts, wobei zur Bewertung von Lösungen Ästhetikkriterien ausgewertet werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Software-Infrastruktur hat als Ziel, beliebige Graphen-basierte Diagramme (front-ends) mit beliebigen Layout-Algorithmen (back-ends) zu verbinden. Die größte Herausforderung dabei ist das Finden geeigneter Abstraktionen, die eine solche Allgemeingültigkeit erlauben und gleichzeitig die Komplexität so niedrig wie möglich halten. Wir betrachten eine mögliche Realisierung, die auf Eclipse basiert, eine von vielen Modellierungswerkzeugen verwendete Plattform. Eine Web-basierte Umfrage wurde unter Nutzern der Layout-Infrastruktur durchgeführt, um zu untersuchen inwieweit die gesteckten Ziele erfüllt worden sind. Die allgemeine Resonanz zu dieser Umfrage ist sehr positiv