I NSTITUTE OF THEORETICAL I NFORMATICS KARLSRUHE I NSTITUTE OF TECHNOLOGY (KIT) Algorithmen zur Visualisierung von Graphen Lagenlayouts I Marcus Krug | WS 2011/12 KIT – Universit¨ at des Landes Baden-W ¨ urttemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
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INSTITUTE OF THEORETICAL INFORMATICSKARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY (KIT)
Algorithmen zur Visualisierung von GraphenLagenlayouts IMarcus Krug | WS 2011/12
KIT – Universitat des Landes Baden-Wurttemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
www.kit.edu
E-Mail-Graph der Fakultat fur Informatik
Kreise brechen
Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 2/10
E-Mail-Graph der Fakultat fur Informatik
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 2/10
LagenlayoutsProblemstellung
Gegeben: gerichteter Graph D = (V ,A)
Gesucht: Zeichnung von D, die Hierarchie moglichst gutwiedergibt
Desiderata
moglichst viele Kanten aufwartsgerichtetKanten moglichst geradlinig und kurzZuordnung der Knoten auf (wenige) horizontale Linienmoglichst wenige KantenkreuzungenKnoten gleichmaßig verteilt
! Kriterien widersprechen sich
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 3/10
LagenlayoutsProblemstellung
Gegeben: gerichteter Graph D = (V ,A)
Gesucht: Zeichnung von D, die Hierarchie moglichst gutwiedergibt
Desiderata
moglichst viele Kanten aufwartsgerichtetKanten moglichst geradlinig und kurzZuordnung der Knoten auf (wenige) horizontale Linienmoglichst wenige KantenkreuzungenKnoten gleichmaßig verteilt
! Kriterien widersprechen sich
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 3/10
LagenlayoutsProblemstellung
Gegeben: gerichteter Graph D = (V ,A)
Gesucht: Zeichnung von D, die Hierarchie moglichst gutwiedergibt
Desiderata
moglichst viele Kanten aufwartsgerichtetKanten moglichst geradlinig und kurzZuordnung der Knoten auf (wenige) horizontale Linienmoglichst wenige KantenkreuzungenKnoten gleichmaßig verteilt
! Kriterien widersprechen sich
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 3/10
Klassisches Vorgehen (Sugiyama)
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 4/10
Klassisches Vorgehen (Sugiyama)
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 4/10
Klassisches Vorgehen (Sugiyama)
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 4/10
Klassisches Vorgehen (Sugiyama)
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 4/10
Klassisches Vorgehen (Sugiyama)
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 4/10
Klassisches Vorgehen (Sugiyama)
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 4/10
1. Schritt: Behandlung von GerichtetenKreisen
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 5/10
Behandlung von Gerichteten Kreisen
Vorgehen
Finde maximalen azyklischen Subgraph durch Entfernenvon Kanten Af
fuge Inversen zu Kanten in Af ein
Problem MINIMUM FEEDBACK ARC SET (FAS):
Gegeben: gerichteter Graph D = (V ,A)
Finde minimale Menge Af ⊆ A, so dass D−Af azyklisch ist
FAS ist NP-schwer
Kreise brechen
Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 6/10
Behandlung von Gerichteten Kreisen
Vorgehen
Finde maximalen azyklischen Subgraph durch Entfernenvon Kanten Af
fuge Inversen zu Kanten in Af ein
Problem MINIMUM FEEDBACK ARC SET (FAS):
Gegeben: gerichteter Graph D = (V ,A)
Finde minimale Menge Af ⊆ A, so dass D−Af azyklisch ist
FAS ist NP-schwer
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 6/10
Behandlung von Gerichteten Kreisen
Vorgehen
Finde maximalen azyklischen Subgraph durch Entfernenvon Kanten Af
fuge Inversen zu Kanten in Af ein
Problem MINIMUM FEEDBACK ARC SET (FAS):
Gegeben: gerichteter Graph D = (V ,A)
Finde minimale Menge Af ⊆ A, so dass D−Af azyklisch ist
FAS ist NP-schwer
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 6/10
Behandlung von Gerichteten Kreisen
Greedy-Heuristik zur Berechnung eines azyklischen GraphenD′ = (V ,A′)
(1) A′ := ∅(2) Betrachte Knoten in beliebiger Reihenfolge
fuge entweder eingehende oder ausgehende Kanten zu A′
hinzu (je nachdem welche Menge großer ist) und loscheKnoten
(3) Af := A \ A′
Laufzeit O(n + m)
A′ hat mindestens |A|/2 viele Kanten
Kreise brechen
Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 7/10
Behandlung von Gerichteten Kreisen
Greedy-Heuristik zur Berechnung eines azyklischen GraphenD′ = (V ,A′)
(1) A′ := ∅(2) Betrachte Knoten in beliebiger Reihenfolge
fuge entweder eingehende oder ausgehende Kanten zu A′
hinzu (je nachdem welche Menge großer ist) und loscheKnoten
(3) Af := A \ A′
Laufzeit O(n + m)
A′ hat mindestens |A|/2 viele Kanten
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 7/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Algorithmus 1: Greedy-Algorithmus (Eades, Lin & Smyth)1 A′ := ∅;
2 while V 6= ∅ do3 while in V existiert eine Senke v do4 A′ ← A′ ∪ N←(v)5 entferne v und N←(v): V ,n,msink
6 Entferne alle isolierten Knoten aus V : V ,n,miso
7 while in V existiert eine Quelle v do8 A′ ← A′ ∪ N→(v)9 entferne v und N→(v): V ,n,msource
10 if V 6= ∅ then11 sei v ∈ V mit |N→(v)| − |N←(v)| maximal;12 A′ ← A′ ∪ N→(v)13 entferne v und N→(v): V ,n,m=,<
Kreise brechen
Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 8/10
Behandlung von Gerichteten Kreisen
Verbesserte Greedy-Heuristik von Eades et al.
Laufzeit O(n + m) Wie?A′ hat mindestens |A|/2 + |V |/6 viele Kanten
Weitere Methoden
randomisiert: Zufallige Ordnung + Greedy: erwartetmindestens (
12
+ Ω
(1√
∆(G)
))|E |
[Berger & Shor, ’90]
Exakt: via Linear-Ordering Polytope + Cutting-PlaneMethod [Grotschel et al., ’84]
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 9/10
Behandlung von Gerichteten Kreisen
Verbesserte Greedy-Heuristik von Eades et al.
Laufzeit O(n + m) Wie?A′ hat mindestens |A|/2 + |V |/6 viele Kanten
Weitere Methoden
randomisiert: Zufallige Ordnung + Greedy: erwartetmindestens (
12
+ Ω
(1√
∆(G)
))|E |
[Berger & Shor, ’90]
Exakt: via Linear-Ordering Polytope + Cutting-PlaneMethod [Grotschel et al., ’84]
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 9/10
E-Mail-Graph der Fakultat fur Informatik
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 10/10
E-Mail-Graph der Fakultat fur Informatik
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Marcus Krug – Lagenlayouts WS 2011/12 10/10
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