本發(fā)明涉及信息可視化領(lǐng)域，尤指一種基于螺旋圖的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化方法。

背景技術(shù)：

人類(lèi)的日常行為中，時(shí)間是無(wú)所不在的標(biāo)尺。在當(dāng)今數(shù)據(jù)劇增的時(shí)代，人們?cè)诨顒?dòng)中都產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)，其中就包含涉及狀態(tài)變化的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。人們往往希望從時(shí)間序列數(shù)據(jù)中得到數(shù)據(jù)隨著時(shí)間變化的模式，但是通過(guò)肉眼觀察大量數(shù)據(jù)是很難從中快速得到有效信息。

可視化將數(shù)據(jù)抽象為圖表的形式，幫助人們理解晦澀難懂的數(shù)據(jù)，并通過(guò)交互發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)中的知識(shí)。比較常見(jiàn)的可視化形式包括折線(xiàn)圖、圓餅圖、散點(diǎn)圖以及最近出現(xiàn)交互性比較強(qiáng)的?；鶊D，樹(shù)圖等等。不同的可視化展現(xiàn)形式適用于不同特性的數(shù)據(jù)?？梢暬夹g(shù)在展示時(shí)間序列數(shù)據(jù)已經(jīng)取得了卓越的成果，例如曲線(xiàn)圖，主題河流，樹(shù)圖，螺旋圖等。其中螺旋圖是可視化中展示周期性時(shí)間序列數(shù)據(jù)的一種重要的形式。螺旋圖通過(guò)連續(xù)的螺旋線(xiàn)能夠展現(xiàn)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的連續(xù)性以及不同時(shí)間周期上的變化規(guī)律，因此其在處理周期性連續(xù)數(shù)據(jù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

階段性時(shí)間序列數(shù)據(jù)類(lèi)型是一種比較特殊的數(shù)據(jù)類(lèi)型，它描述了一個(gè)事件的狀態(tài)隨著時(shí)間的變化。一個(gè)事件從起始時(shí)間到結(jié)束時(shí)間，一共包含n個(gè)狀態(tài)，事件順序地從狀態(tài)1轉(zhuǎn)換到狀態(tài)n，從狀態(tài)i轉(zhuǎn)換到狀態(tài)i+1的過(guò)程稱(chēng)為階段i，并且該過(guò)程存在多條可達(dá)路徑。對(duì)階段性時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化需要滿(mǎn)足以下要求：1.有效地展示狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中時(shí)間的變化；2.良好的交互，為用戶(hù)進(jìn)行各個(gè)階段的路徑選擇提供決策支持；3.在有限的空間中展示可擴(kuò)展的時(shí)間長(zhǎng)度；4.保證數(shù)據(jù)可靠性的條件下滿(mǎn)足人們審美需求。

本發(fā)明所研究數(shù)據(jù)的重要特征是：狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的路徑耗時(shí)具有不確定性，而已有的可視化方法，如平行坐標(biāo)、?；鶊D等不能有效展示可擴(kuò)展的時(shí)間軸。平行坐標(biāo)與?；鶊D，以一條時(shí)間軸表示一個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)之間的連線(xiàn)表示可達(dá)路徑，那么當(dāng)某個(gè)路線(xiàn)歷時(shí)很長(zhǎng)時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致與之相關(guān)的時(shí)間軸加長(zhǎng)，這顯然不符合可視化簡(jiǎn)潔美觀的審美要求。本發(fā)明提出的螺旋圖能較好解決這個(gè)問(wèn)題。

螺旋圖廣泛應(yīng)用于表示周期性變化的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。在較早1998年Carils等給出了一種可視化周期性時(shí)間序列數(shù)據(jù)的新型可視化形式，并介紹了幾個(gè)螺旋可視化的實(shí)際應(yīng)用。不同的可視化樣式可以以螺旋圖的樣式排列布局在圖表上，比如墨點(diǎn)圖，三維環(huán)圖，柱狀圖，這些實(shí)體的大小表示數(shù)值的大小。1999年Hewagamage等采用3D的螺旋形式在地理圖片上展示時(shí)空性數(shù)據(jù)。2001年Weber等關(guān)注使用線(xiàn)條與顏色對(duì)時(shí)序性數(shù)據(jù)編碼。當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)提出使用3D耳輪式螺旋展示數(shù)據(jù)。2002年Dragicevic等提出一種新型的可視化展示即將發(fā)生事件的方式——SpriaClock(螺旋時(shí)鐘)，它結(jié)合了螺旋圖和時(shí)鐘表現(xiàn)形式，能較好展示時(shí)序發(fā)生的一系列事件。2005年Tominski等提出在3D地圖上展示3D耳輪螺旋圖，它針對(duì)3D地圖帶來(lái)的信息隱藏提出了隧道視圖查看更多耳輪螺旋圖隱藏的信息，并提出將耳輪螺旋圖進(jìn)行顏色編碼展示多個(gè)變量的數(shù)據(jù)的編碼形式。2008年Tominski等提出使用TTPC編碼方式對(duì)螺旋圖顏色編碼，使得數(shù)值對(duì)于用戶(hù)更加清晰可辨。2012年Cheng等提出一種新穎的極平行坐標(biāo)的方式可視化時(shí)間序列數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)平行坐標(biāo)進(jìn)行比較。極平行坐標(biāo)可以展示更多的坐標(biāo)，而且可以有效地展示時(shí)間序列數(shù)據(jù)的周期性特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有的可視化形式比如平行坐標(biāo)和桑基圖，以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的路徑耗時(shí)具有不確定性，本發(fā)明的目的是提供了一種在有限的空間內(nèi)有效、簡(jiǎn)明顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換間路徑信息的方法——基于螺旋圖的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化方法。

具體實(shí)施步驟如下所示：

一種基于螺旋圖的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化方法，順序執(zhí)行如下具體步驟：

步驟1：輸入具有狀態(tài)集S＝{s₁,...s_i,...s_n}，和狀態(tài)間可達(dá)路徑集L＝{L₁,...L_i,...L_n-1}的階段性時(shí)間序列數(shù)據(jù)，其中，n為狀態(tài)數(shù)量，s_i表示第i個(gè)狀態(tài)，從狀態(tài)i轉(zhuǎn)換到狀態(tài)i+1的過(guò)程稱(chēng)為階段i，L_i表示階段i的可達(dá)路徑；

步驟2：根據(jù)狀態(tài)集S狀態(tài)屬性設(shè)計(jì)狀態(tài)圓環(huán)，包括狀態(tài)圓環(huán)半徑集R＝{r₁,...r_i,...r_n}，狀態(tài)圓環(huán)寬度arcWidth，狀態(tài)圓環(huán)顏色集Color＝{color₁,...color_i,...color_n}；根據(jù)狀態(tài)周期T設(shè)計(jì)的狀態(tài)圓環(huán)坐標(biāo)軸，其中，半徑集R中元素r_i表示狀態(tài)s_i圓環(huán)的外半徑，Color集中的元素color_i表示狀態(tài)s_i的顏色，狀態(tài)集S表現(xiàn)為一系列同心圓環(huán)，圓心為(x_o,y_o)；

步驟3：根據(jù)路徑集L和狀態(tài)集S，采用橢圓子線(xiàn)條完成路徑的線(xiàn)路繪制，其中路徑集L中各個(gè)階段路徑包括以下屬性：路徑的起始時(shí)間startTime，到達(dá)時(shí)間arriveTime，經(jīng)歷時(shí)間t。詳細(xì)操作步驟如下：

步驟3.1：根據(jù)每條路徑l_ik(i＝1,2,...n-1；k＝1,2,...p_i；p_i＝|L_i|)的起始時(shí)刻startTime_ik，到達(dá)時(shí)刻arriveTime_ik，得到位于狀態(tài)s_i圓環(huán)上的起始位置坐標(biāo)為(Sx_ik,Sy_ik)，位于狀態(tài)s_i+1圓環(huán)的到達(dá)位置坐標(biāo)為(Tx_ik,Ty_ik)；

步驟3.2：根據(jù)路徑l_ik的歷時(shí)t_ik，以及狀態(tài)圓環(huán)周期T，求得路徑螺旋線(xiàn)跨度Δradian_ik＝(t_ik/T)*2π，并將路徑l_ik設(shè)計(jì)為由segment_ik＝(t_ik/T)*360段橢圓子線(xiàn)條構(gòu)成；

步驟3.3：階段i半徑跨度Δr_i＝r_i+1-arcWidth-r_i分成segment_ik段，每段半徑跨度為Δr_ik＝Δr_i/segment_ik，則橢圓子線(xiàn)條seg_ikj(j＝1,2,...segment_ik)的短半軸為a_ikj＝r_i+Δr_ik*(j-1)，長(zhǎng)半軸為b_ikj＝r_i+Δr_ik*j，且橢圓的圓心與狀態(tài)圓環(huán)圓心相同；

步驟3.4：根據(jù)以上步驟繪制路徑線(xiàn)條。

步驟4：路徑l_ik的類(lèi)型映射到區(qū)間[0,1]中得到l_type_ik，并將l_type_ik作為一元函數(shù)y＝kx+b的自變量，得到的y即為l_ik的顏色color_ik；

步驟5：根據(jù)階段i中路徑l_ik與階段內(nèi)其他路徑的交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)crossNum_ik，利用長(zhǎng)尾函數(shù)求得路徑的透明度transp_ik，其中crossNum_ik是自變量，transp_ik是因變量；

步驟6：進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。

采用這樣的處理，本發(fā)明方法使用一個(gè)圓環(huán)表示一個(gè)狀態(tài)，螺旋線(xiàn)表示狀態(tài)間可達(dá)路徑。該模型能夠在有限的空間中，在不增加時(shí)間軸長(zhǎng)度的情況下，有效展示任意時(shí)間長(zhǎng)度的路徑。采用基于長(zhǎng)尾函數(shù)的透明度算法，根據(jù)一條路徑與其他路徑的交叉數(shù)，給每條路徑分配透明度，從而降低路徑交叉重疊帶來(lái)雜亂度，同時(shí)有效保留了數(shù)據(jù)信息。并提供了路徑的篩選，高亮，查看詳細(xì)信息，縮放等功能，實(shí)現(xiàn)了靈活的交互操作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：

一、現(xiàn)有表現(xiàn)時(shí)間序列的可視化方法不能確保狀態(tài)間的可達(dá)路徑表現(xiàn)在有限確定的空間內(nèi)。而本發(fā)明將狀態(tài)設(shè)置為圓環(huán)形式，每個(gè)圓環(huán)的半徑都已確定，且狀態(tài)間可達(dá)的路徑確定在起始狀態(tài)圓環(huán)與終止?fàn)顟B(tài)圓環(huán)之間的空間內(nèi)，故可以處理任意時(shí)間長(zhǎng)度的路徑顯示。

二、有限空間中展示較多的路徑曲線(xiàn)產(chǎn)生較多的交叉點(diǎn)，本發(fā)現(xiàn)使用基于長(zhǎng)尾函數(shù)的透明度設(shè)置算法，可以有效減少交叉點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并可以通過(guò)一些交互手段完整清晰顯示所有的可達(dá)路徑。

傳統(tǒng)的時(shí)間序列可視化方法，不能在有限的空間內(nèi)顯示所有的路徑。而本發(fā)現(xiàn)基于螺旋圖的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化方法可以高效地解決這個(gè)問(wèn)題，并且能夠完整地展示所有需要信息，并保證了展示圖表的整潔和便捷性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明主要步驟的工作框圖。

圖2是狀態(tài)s_i示例圖。

圖3是多個(gè)狀態(tài)可視化示例圖。

圖4是多個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換路徑可視化示例圖。

圖5是參數(shù)說(shuō)明圖。

圖6是螺旋線(xiàn)透明度設(shè)置示例圖。

圖7是實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終數(shù)據(jù)展示的結(jié)果圖。

鑒于專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)彩色表達(dá)的限制，特作如下說(shuō)明：

圖1中圓環(huán)顏色為color_i；

圖2中圓環(huán)顏色的從內(nèi)到外分別為color₁,color₂,color₃；

圖3中階段1中螺旋線(xiàn)l_1k顏色為圖2中color₁到color₂的過(guò)渡色；階段2中螺旋線(xiàn)l_2k顏色為圖2中color₂到color₃的過(guò)渡色。

圖7中成都圓環(huán)顏色color₁，西安圓環(huán)顏色color₂，鄭州圓環(huán)顏色color₃；成都到西安列車(chē)的顏色為color₁與color₂的過(guò)渡色；西安到鄭州列車(chē)的顏色為color₂與color₃的過(guò)渡色。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施步驟如下所示：

步驟1：輸入具有狀態(tài)集S＝{s₁,...s_i,...s_n}，和狀態(tài)間可達(dá)路徑集L＝{L₁,...L_i,...L_n-1}的階段性時(shí)間序列數(shù)據(jù)，其中，n為狀態(tài)數(shù)量，s_i表示第i個(gè)狀態(tài)，從狀態(tài)i轉(zhuǎn)換到狀態(tài)i+1的過(guò)程稱(chēng)為階段i，L_i表示階段i的可達(dá)路徑；

步驟2：根據(jù)狀態(tài)集S的屬性設(shè)計(jì)狀態(tài)圓環(huán)，包括狀態(tài)圓環(huán)半徑集R＝{r₁,...r_i,...r_n}，狀態(tài)圓環(huán)寬度arcWidth，狀態(tài)圓環(huán)顏色集Color＝{color₁,...color_i,...color_n}；根據(jù)狀態(tài)周期T設(shè)計(jì)的狀態(tài)圓環(huán)坐標(biāo)軸，其中，半徑集R中元素r_i表示狀態(tài)s_i圓環(huán)的外半徑，Color集中的元素color_i表示狀態(tài)s_i的顏色，狀態(tài)集S表現(xiàn)為一序列同心圓環(huán)，圓心為(x_o,y_o)；

步驟3：根據(jù)路徑集L和狀態(tài)集S，采用橢圓子線(xiàn)條完成路徑的線(xiàn)路繪制，其中路徑集L中各個(gè)階段中路徑包括以下屬性：路徑的起始時(shí)間startTime，到達(dá)時(shí)間arriveTime，經(jīng)歷時(shí)間t。

階段i的一條可達(dá)路徑l_ik(起始時(shí)間startTime_ik，到達(dá)時(shí)間arriveTime_ik，歷時(shí)t_ik)的起始位置(Sx_ik,Sy_ik)為到達(dá)位置(Tx_ik,Ty_ik)為

路徑l_ik可視化為螺旋線(xiàn)形式，其由segment_ik段子線(xiàn)條構(gòu)成，每條子線(xiàn)條由一段橢圓弧seg_ikj構(gòu)成，每個(gè)橢圓弧的短半軸a_ikj＝r_i+Δr_ik*(j-1)和長(zhǎng)半軸的b_ikj＝r_i+Δr_ik*j，seg_ikj的終點(diǎn)位置(Tx_ikj,Ty_ikj)即seg_ik(j+1)的起始位置(Sx_ikj,Sy_ikj)為其中Δagl_ik＝Δradian_ik/segment_ik。

步驟4：路徑l_ik類(lèi)型映射到區(qū)間[0,1]中為l_type_ik，并將l_type_ik作為一元函數(shù)y＝kx+b的自變量，得到因變量l_ik的顏色color_ik。

由狀態(tài)s_i的顏色為color_i，狀態(tài)s_i+1的顏色為color_i+1，則可得到l_ik的顏色為color_ik＝(color_i+1-color_i)*l_type_ik+color_i。

步驟5：根據(jù)算法求得路徑l_ik和路徑l_ip是否交叉，可以求得階段i內(nèi)路徑l_ik與其余路徑的交叉點(diǎn)的個(gè)數(shù)crossNum_ik，利用長(zhǎng)尾函數(shù)求得路徑的透明度transp_ik。通過(guò)設(shè)置路徑的最大透明度transpMax_i，最小透明度transpMin_i，并求得階段i內(nèi)路徑交叉點(diǎn)最大為crossNumMax_i，最小為crossNumMin_i，則

步驟6：進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，包括：分區(qū)段高亮顯示階段i內(nèi)各個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的路徑，高亮顯示一條路徑并顯示路徑詳情。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠在有限的空間內(nèi)有效顯示任意時(shí)間長(zhǎng)度以及任意數(shù)量的路徑的方法，狀態(tài)間的路徑存在于狀態(tài)圓環(huán)之間，并根據(jù)路徑之間的交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)，依據(jù)長(zhǎng)尾函數(shù)判斷路徑的透明度改善大量路徑給用戶(hù)查看帶來(lái)的雜亂感。

為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，將基于螺旋圖的階段性時(shí)間序列可視化模型應(yīng)用于中國(guó)鐵路數(shù)據(jù)，旨在為用戶(hù)選擇需要轉(zhuǎn)車(chē)的路線(xiàn)提供決策支持。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)鐵路售票網(wǎng)www.12306.cn，定義事件為從成都經(jīng)西安到達(dá)鄭州的行程。則狀態(tài)集S為{成都,西安,鄭州}，且l_1k(k＝1,2,...,11)，l_2k(k＝1,2,...,68)，即成都到西安有11班列車(chē)可達(dá)，西安到鄭州有68班列車(chē)可達(dá)。列車(chē)數(shù)據(jù)含有出發(fā)時(shí)間、到站時(shí)間、歷時(shí)，班次。根據(jù)列車(chē)數(shù)據(jù)的時(shí)間特性，狀態(tài)的周期設(shè)為24小時(shí)。特別地，在列車(chē)數(shù)據(jù)中，由于列車(chē)的發(fā)車(chē)時(shí)間在24小時(shí)中并不是均勻分布的，結(jié)合發(fā)車(chē)時(shí)間的分布情況與人們出行的習(xí)慣，將周期T分為每段時(shí)長(zhǎng)為3小時(shí)的8段。