Stress-Minimizing Orthogonal Layout of Data Flow Diagrams with Ports

We present a fundamentally different approach to orthogonal layout of data flow diagrams with ports. This is based on extending constrained stress majorization to cater for ports and flow layout. Because we are minimizing stress we are able to better display global structure, as measured by several criteria such as stress, edge-length variance, and aspect ratio. Compared to the layered approach, our layouts tend to exhibit symmetries, and eliminate inter-layer whitespace, making the diagrams more compact

Using One-Dimensional Compaction for Smaller Graph Drawings

We review the technique of one-dimensional compaction and use it as part of two new methods tackling problems in the context of automatic diagram layout: First, a postprocessing of the layer-based layout algorithm, also known as Sugiyama layout, and second a placement algorithm for connected components with external extensions. We apply our methods to dataflow diagrams from practical applications and find that the first method significantly reduces the width of left-to-right drawn diagrams. The second method allows to properly arrange disconnected graphs that have hierarchycrossing edges. Keywords: one-dimensional compaction, diagram layout, layer-based layout, Sugiyama layout, disconnected graphs, dataflow diagram

Sugiyama Layouts for Prescribed Drawing Areas

The area of graph drawing is concerned with positioning the elements of a graph on a canvas such that the resulting drawing is well-readable by humans and aids their execution of certain tasks. While known methods are usually well-studied from a theoretical perspective, both their applicability to graphs from practice and their integration into tools from practice are not always satisfactory. This is due to various reasons, for instance, due to known methods usually solving well-defined, self-contained problems that do not cover all of the bits and pieces that must be considered in practice. There, the diagrams the graphs originate from often comprise more than just simple nodes and simple edges, they tend to be messy and complex, and existing methods regularly compute drawings with poor compactness. This thesis is concerned with improving the well-known layer-based layout approach, originally proposed by Sugiyama et al., and devotes special attention to the requirements of dataflow diagrams. It presents new methods for the approach's layer assignment and coordinate assignment steps, and it identifies and illustrates research tasks that are essential to further better the situation in practice

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

Contours in Visualization

This thesis studies the visualization of set collections either via or defines as the relations among contours. In the first part, dynamic Euler diagrams are used to communicate and improve semimanually the result of clustering methods which allow clusters to overlap arbitrarily. The contours of the Euler diagram are rendered as implicit surfaces called blobs in computer graphics. The interaction metaphor is the moving of items into or out of these blobs. The utility of the method is demonstrated on data arising from the analysis of gene expressions. The method works well for small datasets of up to one hundred items and few clusters. In the second part, these limitations are mitigated employing a GPU-based rendering of Euler diagrams and mixing textures and colors to resolve overlapping regions better. The GPU-based approach subdivides the screen into triangles on which it performs a contour interpolation, i.e. a fragment shader determines for each pixel which zones of an Euler diagram it belongs to. The rendering speed is thus increased to allow multiple hundred items. The method is applied to an example comparing different document clustering results. The contour tree compactly describes scalar field topology. From the viewpoint of graph drawing, it is a tree with attributes at vertices and optionally on edges. Standard tree drawing algorithms emphasize structural properties of the tree and neglect the attributes. Adapting popular graph drawing approaches to the problem of contour tree drawing it is found that they are unable to convey this information. Five aesthetic criteria for drawing contour trees are proposed and a novel algorithm for drawing contour trees in the plane that satisfies four of these criteria is presented. The implementation is fast and effective for contour tree sizes usually used in interactive systems and also produces readable pictures for larger trees. Dynamical models that explain the formation of spatial structures of RNA molecules have reached a complexity that requires novel visualization methods to analyze these model\''s validity. The fourth part of the thesis focuses on the visualization of so-called folding landscapes of a growing RNA molecule. Folding landscapes describe the energy of a molecule as a function of its spatial configuration; they are huge and high dimensional. Their most salient features are described by their so-called barrier tree -- a contour tree for discrete observation spaces. The changing folding landscapes of a growing RNA chain are visualized as an animation of the corresponding barrier tree sequence. The animation is created as an adaption of the foresight layout with tolerance algorithm for dynamic graph layout. The adaptation requires changes to the concept of supergraph and it layout. The thesis finishes with some thoughts on how these approaches can be combined and how the task the application should support can help inform the choice of visualization modality

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

Conceptual design for the Space Station Freedom fluid physics/dynamics facility

A study team at NASA's Lewis Research Center has been working on a definition study and conceptual design for a fluid physics and dynamics science facility that will be located in the Space Station Freedom's baseline U.S. Laboratory module. This modular, user-friendly facility, called the Fluid Physics/Dynamics Facility, will be available for use by industry, academic, and government research communities in the late 1990's. The Facility will support research experiments dealing with the study of fluid physics and dynamics phenomena. Because of the lack of gravity-induced convection, research into the mechanisms of fluids in the absence of gravity will help to provide a better understanding of the fundamentals of fluid processes. This document has been prepared as a final version of the handout for reviewers at the Fluid Physics/Dynamics Facility Assessment Workshop held at Lewis on January 24 and 25, 1990. It covers the background, current status, and future activities of the Lewis Project Study Team effort. It is a revised and updated version of a document entitled 'Status Report on the Conceptual Design for the Space Station Fluid Physics/Dynamics Facility', dated January 1990