Graph Drawing Computational Geometry
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- Siegfried Hoch
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1 1 / 46 Computational Geometry Universität zu Lübeck Institute for Theoretical Computer Science February 7, 2012
2 2 / 46 Outline
3 3 / 46 What is? How to draw nice graphs?
4 4 / 46 What is a nice graph? Visualization of the graph should have nice look No precisely definition. Criteria on nice drawings Symmetries Less crossing as possible Less bends as possible Drawing should represents special properties Topological sorting
5 5 / 46 (a) (b) (c) (d) Figure : : a polyline (a), straight-line (b) and (c) an orthogonal drawing of K 3,3 ; (d) upward drawing
6 Motivation Is it useful for me? Dreeblöcken Kowitzberg Scharbeutz Timmendorfer Strand Niendorf 40 Pariner-/ Groß Parin 35 Kirschblüten- Linden Hagelstein Brodten Bad Schwartau HowingsTravemünde weg Gneversdorf 1 brook Lembke Distelkrog Am NordmeerRensefeld Hoppenhof 1 Steen- LeegerRensefeld Friedhof Mittschiffs wall kamp Eutin NorwegenTravemünde Kirche MittelRantzauallee Bollbrüch Strandbahnhof Labradorweg Am DänemarkAm Hoch- Kurpark 6007 Linien-Taxi 18 Rönkweg 35 Riesebusch kamp [18] Orkneyweg Stockelsdorf FehlingAm 35 Ludwig-Jahn-Str. Rose 33 Schleswig-Holstein-Tarif Außenallee Fahrenberg Gewerbegebiet Markt Raiffeisen Kirchen Eutiner Strand 5510 Altenheim Bohnrader Weg Gneversdorfer Weg Trelleborgallee NordlandBahnhof Ring Rodenkathen Stockelsdorfer Weg ring Travemünde Clever Segeberger Str. Mittlerer Nikolaus Teutendorf Am Lotsenberg 35 (17) Land Albert7 9 Wassergang Dorf Schwartauer Str. ZOB Teich Brodtener Kirchsteig Hafen Weidenweg Königsberger Kurgarten Schweitzer-Str. Cleverhofer Bad Schwartau Tannenberg31 2 Bäcker38 Gneversdorfer Weg Str. Bollbrügg Langer Hamburger Str. Weg AugustBerg Ravensbusch Garten (17) 9 Paul-Brümmer-Str. 9 gang Tor 30 Bogen Mollwo Teutenbrink Kaltenhöfer Schul- Sereetz Schulweg Hafenbahnhof LinienHindenburgKolberger MarienHohlweg Str Personen 1 35 Taxi Ring 7 10 burg Siebenberg 10 Str. MaxTravemünde fähre (Mai - Sept.) Teutendorfer Weg Rönnauer Ring DrögenMorier Hamerich-Str. Rathaus5520 Leibniz-Gymnasium Lübeck-Travemünder Priwallfähre Margarethenmarkt Dänischburg Mühleneck 2 Str. Sereetzer Weg Rönnauer Weg Bruhn 2 (17) Verkehrsgesellschaft 3 Cleverbrücker Str Vorwerker Friedhof Priwall Priwallfähre 6007 Ostsee PommernBahnhof Am Autofähre Groß Sereetzer Tannen KonradMorier- Bei den zentrum Tremskamp Steinrader WellenMecklenburger Steinrade hof Tannen Skandinavienkai 2 3 Ratekauer Behnckenhof Reinsbeker 1 Damm Grüner Jäger Dänischburger schlag Eingang Teich Land 10 Am Weg Bogen Terminal (17) Str. PassatLand Tremser Teich Ovendorfer Str. Rugenberg Vorwerker Diakonie Hahnenkamp 9 Auf hafen Eutiner Str. Camping Ivendorfer Str. Travemünder Land Am Dreworp Peenestieg der UhlenMedenGrenzPostillion1 platz Am Bauernweg Niels-Bohr-Ring 1 weg breite Reihe Pötenitzer hörn weg 10 3 Schwarzen Berg Tra Surenfeld Langenreem Wiek Oder TaschenWeg Roggenhorst Kücknitz ve BornhövedNorderneymacher- Hofland Am Am Süder 12 Nuelsen12 Elbing 15 2 Lenardweg Hutmacherring Grenzwall Mailand Luisenhof-Schule Bf Kücknitz Hoch 6005 Trift Niels12 39 Schönböckener Georg2 30 Roter Hahn KrämerBohr-Ring Kurzer Weg 12 Haupt An der Kerschensteiner-Str. Kücknitz Normannenweg 3 Josephinen wende Tilsit Hülshorst Rapsacker Lohmühlen- An der Lehmannkai 6006 OstpreußenZinngießer Beethovenring SedanPommernring platz Hansehalle Kernzone Glashüttenweg Fahrenheitweg ForstmeisterGermanen33 Pfitzner Schönböckener Str. Friedhof Karl 39 weg 12 Roggenhorster weg Buchen- EichenSchneidemühl 3 Kirch- Waldhusen Kornweg Hugo-Distler-Str. Str. weg weg weg (17) Torneiweg BunsenWilh.-WisserDummersdorfer Dröge 40 Solmitz HirtenbergArtlenburger Str. Weg Str weg Neuer Wald Luisen ibis Hotel Kücknitzer 10 weg 30 Drechsler7 Faulenhoop An der Frieden StellScheide 1 Richard-Wagner-Str. Adolf- Burgtor12 Buurdiek Reh Kirchplatz Hanse 12 Ernst-DeeckeStadtmacher32 sprung friedhof Residenz Jungborn 3 Siems Weg Dummersdorfer Scheide Burckhardtfreiheit 21 SpenglerMozart Wickede 40 Schulzentrum Adler39 Gymnasium Gustav- 30 Steinmetz Siems Eisen 31 Fackenburger LÜBECK RadbruchWisby LohgerberUlmenweg Silber Allee 32 Beckergrube 11 Zeppelin- 32 Israels- Kreuzweg- Am 32 HBF Ehren15 Platz Max-RegerVerbindungs40 Breite Str./ Herrenwyk dorf brücke friedhof Stau LindenArcaden 12 WerkSchul 11 Meier Str. 3 Stadt Wendische Töpferweg Geschw.-Scholl-Weg SeelandLeinweber theater 33 Möllerung Str. Unter 16 Große trave Gustav-Adolf-Str. Fregatten12 Traveweg Burg RoeckGrapengießer ZOB/ Schüssel 3 Preisstufen Mitte Hauptbahnhof 16 buden Heinrich Trave Rotenhauser Koberg 15 Travehaus 31 Grapengießer 11 Herrenholz Feld HolstentorDräger- 4 LachswehrLauerhof Preisstufe 1: Für Fahrten in einer der Märkische platz park StadtBuntekuh Katharineum allee Str. Tarifzonen außerhalb der Kernzone werke 10 Citti-Park Auf der Falkendamm Schenkendorf Königsberg Heide Preisstufe 2: Für Fahrten in der Kernzone Karavellen Fleischhauer21 Kolberger 12 Dräger6 Kohlmarkt 6000 oder in 2 der 12 Tarifzonen außerhude An der Am Rittbrook Platz werk 6 16 kamp Eichen Falkenwiese Gneisenau halb der Kernzone (17) Fabrik Im Wahm 12 Ginsterallee/LN 21 Prassek Goeben- 3 Gleisdreieck Korvetten Linien 15 u. 32 weg 5 Perceval Sand Preisstufe 3: Für Fahrten in der Kernzone Wieland21 Beim Meilenstein Umleitung wegen MarliMeesenKirschenWesloer Schlutuper Westphal12 Neubau 6000 und weiteren Tarifzonen oder 3 und KrähenHamburger ring ring allee Brücke Hansering Blanck König Tannen Possehlbrücke Tal- Roter 6 Mecklenburger / 11 mehr Tarifzonen außerhalb der Kernzone. Schaluppen- weg Str. 4 bis 2014/15 Löwe Wesloer Str. weg Fegefeuer 11 RastattBrinkAm 5 Kaufhof 4 Moltke Moltke11 Lutherkirche HerbartAschenputtelweg Bruch10 Groot weg Schlutup Markt Bertramshof weg 5 Hüxtertorallee platz Andersenkoppel 1 Försterei weg 5 4 Moislinger Baum 15 ring 7 Schlutup 21 Welsbach Achatweg 3 Trave-Park Linienverlauf im Zentrum Ilsebillweg Pensebusch Stadthalle keine Bedienung 11 Verwaltungszentrum GrootSterntaler6001 Türkisweg HaselnussMühlentor Genin koppel 2 weg Palinger Kernzone WalkmühlenAugustMoisling 12 weg Mühlenweg Tannenschlag weg Weg Bebel-Str. Heiweg Bei der Stresemann Hinter den Theodor-HeussGustav An der Trave ZOB / 6000 Dreifelder1 Gasanstalt Kirschkaten Zeiß weg Radbruchbl Reußkamp Gleisdreieck 7 Str. Fasanenweg Hagebuttenweg 4 Hbf 11 7 au en 6 4 Platz e Lini Penn- Oberbüssauer Weg Zarnewenzweg Im Schlag Krupp15 ETAP Diesel Wasserkunst 1 An den 16 W a moor (17) ie k e Hotel ALT2 Reval Hinter den Selmsdorf Schießständen Overbeck Im Block Kirschkaten Schildfarn15 STADT 7 Fahlenkampsweg Guericke Siemens- Mitte Krankenhaus Niendorfer Riga eck 9030 Ritterspornweg 32 9 Süd Mühlenweg Ring3 16 Buten- ObstTrendelenburg- Helmholtz- KahlhorstMalmö- stedten(17) Eichholz Teich Amselweg gut SchleusenStadthalle hof Holzkoppel weg Feld Brandenbaumer Tannen (17) Kalkhorster Herrnburger Kronsforde 3 Weinberg Hellkamp Friedrich 2 Röntgen9 Weg Weg Vorrader SchierKirche Kalkbrenner Krummesser Eichholz eichenkoppel 15 Str. Virchow- Sudeten- St. Jürgen Baum Holderbusch Gustav-Falke-Str. 3 Am Legende Brunshorster TeufelsBerliner Allee Heideweg Niemarker Weg 5 Weg moor Grote Kastanienallee Stadtweide Universität 8720 Carl-Gauß-Str. Utechter Bleeken AhornAm Ruschweg Fachhochschule Staunsfeld Weg 2 Buslinie, Haltestelle Grönauer Baum weg Kamp Stephenson 16 UniVorrade Grace-Hopper-Str. Nienhüsen Moorweg Auskunft kliniken 2 (zeitweilige Bedienung) 7 (17) Neptun Englisch Bahn 1 UniHerrnburg Alexander-Fleming-Str. Sporthuus Moor9 Hagen LibellenMaria- Bessemer VerwalSchule Schärenweg Herrnburg Str. Goeppert7 garten Stadtverkehr Lübeck Schwerin tung Halt nur in einer Richtung 9020 St.Hubertus weg 5 Wulfsdorf Beidendorf Str. Bahnhof 1 Universitäts(0451) Uhr Sundweg Liniennetz Region Lübeck I state-machines I UML class diagrams I electrical circuits / chip-design I traffic-nets (e. g. bus map) Graph Node R1 Edge R2 Faces el ün gr z n it inien rote L in PlanarGraph 6 / 46
7 7 / 46 Used for straight line drawings Model the graph-vertices and edges as physical objects with forces Distance of adjacent vertices (v, w) should be nearly the same distance d(v, w) No overlapping vertices
8 8 / Generate random representation of G with random positions p(v) for v V 2. Calculate forces between each pair of vertices v i, v j : f (vi, v j ) 3. Calculate resulting force f (v) for each node v V : f (v) w V \{v} f (v, w) 4. Update positions p(v) = p(v) + f (v)
9 9 / 46 Remember: we want a unit distance d(v, w) if v, w are adjacent Model edges as springs with a unit length unit length no force attracting force (adjacent vertices): f a = c a log d repelling force (non-adjacent vertices): f r = c r d 2 stepwise simulatable { f a (v, w), (v, w) E f (v) = ( p(w) p(v)) f r (v, w), (v, w) E w V \{v} p(v) := p(v) + f (v)
10 10 / 46 Sample
11 11 / 46 Advantages & Disadvantages easy implementable usefull for interactive implementation time-complexity: O(n V 2 ) slow with huge graphs non-predictable result
12 12 / 46 Goal: optimize drawing σ to selected criterias No forces, but physical model Inspired by cool-down process in liquids Define an energy-function E : σ R Low value E(σ) σ fits many criteria High temperature T high propabilty P finding a better configuration σ Low energy value E(σ) low propability P finding a better configuration σ
13 13 / 46 Algorithm 1: input : A graph G = (V, E), an initial temperature T output: A straight-line drawing of G begin Create initial drawing/configuration σ with random pos. for each vertex v V ; while do Choose a new configuration σ from the neighborhood of σ; Let E and E be the energy values of σ and σ ; if E < E or with a probability of e (E E)/T then σ σ ; Decrease T
14 14 / 46 Energy function should depend on the criteria low time complexity Example (by R. Davidson and D. Harel.): f = λ 1 1 d(n i, n j ) i j + λ 2 d bord (n) n V + λ 3 d(e) e E distribution border dist. edge length + λ 4 crossings edge crossings + λ 5 d(n, e) edge-distance e E,n V
15 15 / 46 Neighborhood & energy function How can we define the neighborhood? change the position of a single node in σ
16 R. Davidson, D. Harel Drawing Graphs Nicely Using, / 46 Simulated annealing example
17 17 / 46 Goal: reduce number of crossings in a drawing of a non-planar graph G We know: planar graphs can be drawn without crossings Approximate Graph as a planar graph Idea: convert non-planar graphs into planar graphs and replace non-removable crossings as virtual vertices Planarizataion : create a planar embedding of the new graph
18 18 / Find maximum planar subgraph and embedding, without crossing 2. Create embedding of the graph 3. Insert the non-planar edges with a minimum number of crossing, use crossings as virtual vertices
19 18 / Find maximum planar subgraph and embedding, without crossing 2. Create embedding of the graph 3. Insert the non-planar edges with a minimum number of crossing, use crossings as virtual vertices Problem Finding a maximum-planar subgraph is N P-hard. trade off find a maximal planar subgraph
20 19 / 46 Maximal planar subgraph Algorithm 2: Maximal planar subgraph input : a graph G = (V, E) output: a maximal planar subgraph G = (V, E ) of G begin E = ; while there is an edge e E \ E that G = (V, E {e}) is planar do E E {e}; return G ;
21 20 / 46 Definition A dual graph D G = (F, E) of a planar graph G = (V, E) is a (multi-)graph where F represents the faces in a planar embedding of G. Each pair f 1, f 2 F of adjacent faces is splitted by an edge in G. E(F) E(G)
22 21 / 46 Insert non-planar edge with min. crossings Insert non-planar edge e = (v, w) E 1. Find shortest path p in the dual-graph D G 2. Insert e over path p generate new virtual nodes and split faces
23 22 / 46 Insert non-planar edge with min. crossings
24 23 / 46 Insert non-planar edge with min. crossings
25 24 / 46 Shortest Path in the Dual Graph k e k e k+1 k+1
26 25 / 46 Improve with parallel substructures Problem: for some edges the graph can easily be modified to reduce number of crossings if the 2 vertices of the edge are in different blocks of a parallel substructure switch the order to decrease number of crossings
27 26 / 46 s e t (a) trivial case e (b) parallel case e (c) series case e (d) rigid case Figure : the four different types of nodes in a
28 27 / 46 a d c b e g f h k l i m j n o p
29 28 / 46 a f d b c k h e l i j m g n k o m l h p f m h d h h h j h a d c d e e e e e e h n j j j j i b e n n j g n n o p
30 29 / 46 s a k m l h f d c b d d e e g e e h e e n h e n h n h j n n h j j j o j j m h i R p S P S R P S P S P S P R
31 30 / 46 s b a c e d f h l k i j m g n o p R P S P R S P S P S S P R
32 31 / 46 s e b c d a f h i k l j m g n o p R P S P R S P S P S S P R
33 Γ(E) for each edge e E is a set of orthogonal lines Γ(v) for each vertex v V is a point in R 2 Definition We call Γ an orthogonal planar drawing of G if 1. v, w V : Γ(v) = Γ(w V ) w = v (invective) 2. e = (v, w) E : Γ(v), Γ(w) are endpoints of Γ(e) 3. e 1, e 2 E : e 1 e 2 Γ(e 1 ), Γ(e 2 ) only intersect at a point Γ(v) of a common vertex v (if exists) 32 / 46
34 33 / 46 two different planar orthogonal representations Γ, Γ of the same Graph G, but with a different number of edges and the same faces
35 34 / 46 Bend as If we have a planar representation Γ of a planar Graph, keeping the the same faces we can minimize the number of bends with solving a minimum cost flow problem.
36 35 / 46 Bend as Definition A min-cost flow network N = (D, u, l, b, c) consists of directed (multi-)graph D = (W, A) capacities u : A N 0 { }, l : A Z node demands b : W Z costs c : A N 0. f : A N 0 is a flow on N if l(a) f (a) u(a) b(v) = (v,w) A f (v, w) (w,v) A ( v W (b(v) = 0)) f (w, v) f is a min-cost-flow if a A c(a)f (a) is minimal.
37 36 / 46 Define the flow network for the problem node demands & capacities v 4 v 5 v 1 v 2 v 3 α(v 5, v 3 ) = 2 τ(v 3, v 5 ) = 2; τ(v 5, v 3 ) = 1; α(v 3, v 5 ) = 1 define labels α(v, w), τ(v, w) for each edge (v, w) in G: τ : (v, w) E #of L-bends in Γ((v, w)) α : (v, w i ) E betw. Γ((v, w i ))andγ((v, w i+1 ))
38 37 / 46 Define the flow network for the problem node demands & capacities Remember: We want to minimize the total number of bends on edges in the drawing Γ(G). The total number is (v,w) E τ(v, w) + τ(w, v). So the goal is: minimize (v,w) E τ(v, w) + τ(w, v)
39 Theorem The sum of angles(at vertices or bends) around an inner/outer face f F is: π (deg(f ) + #bends 2) This implies: (α(v, w) + τ(w, v) τ(v, w)) = 2 deg(f ) 4 (v,w) E(f ) 38 / 46
40 39 / 46 (α(v, w) + τ(w, v) τ(v, w)) = 2 deg(f ) 4 (v,w) E(f ) Let the face-to-face edges (producers of bends on an edge) get edges in the flow networks with costs 1
41 40 / 46 Define the flow network for the problem The directed (multi-) Graph D G D G = (W, A) with W = V F consists D F as the face-induced subgraph of F by Γ(G) demands { in the flow-network N : 2 deg(x) ± 4, x F (inner / outer face) b(x) = : 4, x V capacities: e A : u(e) = ; e A F : l(e) = 0; e A F : l(e) = 1 costs: e F A F : c(e F ) = 1; e A F : c(e) = 0
42 41 / 46 Assign flow Given a flow f : E N f (v, f v,w ): angle(α) at node v in face f v,w left of (v, w) f ( (f 1, f 2 ) e ) : #LeftBends (τ) on the edge (f1, f 2 ) e between the faces f 1 and f 2 A flow f is a valid model for a valid drawing if: for all nodes v: b(v) = (v,w) E f (v, w) = 4 for all faces f : (α (v, w) + τ(w, v) τ(v, w)) = 2 deg(f ) 4 (v,w) E(f ) inflow outflow A valid flow implies a valid graph representation Γ A cost-minimal flow implies a bend-minimal graph representation Γ
43 41 / 46 Assign flow Given a flow f : E N f (v, f v,w ): angle(α) at node v in face f v,w left of (v, w) f ( ) (f 1, f 2 ) e : #LeftBends (τ) on the edge (f1, f 2 ) e between the faces f 1 and f 2 A flow f is a valid model for a valid drawing if: for all nodes v: b(v) = (v,w) E f (v, w) = 4 for all faces f : (α (v, w) + τ(w, v) τ(v, w)) = 2 deg(f ) 4 (v,w) E(f ) inflow outflow A valid flow implies a valid graph representation Γ A cost-minimal flow implies a bend-minimal graph representation Γ
44 41 / 46 Assign flow Given a flow f : E N f (v, f v,w ): angle(α) at node v in face f v,w left of (v, w) f ( ) (f 1, f 2 ) e : #LeftBends (τ) on the edge (f1, f 2 ) e between the faces f 1 and f 2 A flow f is a valid model for a valid drawing if: for all nodes v: b(v) = (v,w) E f (v, w) = 4 for all faces f : (α (v, w) + τ(w, v) τ(v, w)) = 2 deg(f ) 4 (v,w) E(f ) inflow outflow A valid flow implies a valid graph representation Γ A cost-minimal flow implies a bend-minimal graph representation Γ
45 42 / 46 Existence of a valid flow: Inflow=Outflow to proof: v W b(v) =! 0 b(v) = b(v) + b(f ) v W v V f F = V 4 + ( 2 deg f + 4) 2 deg f o 4 f F\{f o} = V 4 + ( F 2)4 2 f ) f F(deg = V 4 + ( F 2)4 4 E = 4( V + F E 2) = 0
46 43 / 46 Bend example
47 44 / 46 graph drawing is a wide area with many problems most problems are N P hard problems depend on the type of drawings and the slected criterias good approximation is possible for many problems combination of algorithms may be possible there exists many tools for graph drawing 1. yed 2. GraphViz 3. Gephi 4. Tulip
48 45 / 46 GraphViz example circo-layout: twopi-layout: 1graph G{ 2 node[label=""]; 3 a1 -- a2; a1 -- a3; 4 a1 -- a4; 5 a1 -- a5; a1 -- a6; 6 a2 -- a3; a2 -- a4; 7 a2 -- a5; a2 -- a6; 8 a3 -- a4; a3 -- a5; 9 a3 -- a6; 10 a4 -- a5; a4 -- a6; 11 a5 -- a6; 12}
49 46 / 46 yed
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02.05.2017 Kronsforder Hauptstr. 55 Lübeck allgemeine Kontr. 50 401 1 02.05.2017 Waldstr. 36 Am Schellbruch Zone-30 30 90 9 04.05.2017 Neue Hafenstr. L. 25 Sandberg allgemeine Kontr. 50 1442 11 04.05.2017
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