Ob im Liniennetzplan von Verkehrsunternehmen, bei der Routenplanung im Auto oder bei der Dynamik von Freundschaftsbeziehungen in sozialen Netzwerken: Detailreiche Informationen können vom Menschen am besten visuell erfasst werden. Doch damit entsprechende Graphen gut lesbar sind, müssen Computer ein gutes Layout – also eine optimale Positionierung aller Knotenpunkte und Verbindungen berechnen. Bei großem Detailreichtum ist dafür eine enorme Rechenleistung notwendig. Um diesen Zeichenprozess zu beschleunigen, haben Informatiker des Karlsruher Instituts für Technologie das Graphzeichnungstool „KaDraw“ entwickelt, welches ab sofort unter einer General Public License zum Download bereitsteht.

Die Qualitätskriterien für eine lesbare grafische Darstellung komplexer Beziehungen sind hoch. Beispielsweise müssen die Knotenpunkte weit genug auseinander liegen, um als solche erfasst werden zu können. Gleichzeitig muss das Graphzeichnungstool alle Kanten so anordnen, dass sie für den Betrachter erkennbar bleiben und nicht willkürlich übereinander liegen. Alle zu beachtenden Kriterien werden deshalb in einer Zielfunktion formuliert. Um diese zu optimieren und gleichzeitig die Effizienz bei der Berechnung zu steigern, hat das Team um Christian Schulz, Henning Meyerhenke und Martin Nöllenburg vom Institut für Theoretische Informatik am KIT das Graphzeichnungstool „KaDraw“ entwickelt.

Bei „KaDraw“ kommen zwei Methoden zum Einsatz. Zum einen bedient man sich der Parallelisierung durch Nutzung von Mehrkernprozessoren. So kann die Rechenleistung gesteigert werden, indem die Rechenlast auf mehrere Prozessorkerne verteilt wird. Zum anderen werden innovative Algorithmen verwendet. Diese Algorithmen erzeugen aus dem komplexen Eingabegraphen zunächst eine Hierarchie von immer kleiner werdenden Graphen. Um eine gute Darstellung des Eingabegraphen zu erhalten, wird zunächst der kleinste Graph gezeichnet. Die Zeichnung wird danach stückweise auf die größeren Graphen übertragen und auf jedem größeren Level verbessert. „Mit dieser Methode können wir den Zeichenvorgang um ein Vielfaches beschleunigen. KaDraw kann Graphen etwa 30 Mal schneller zeichnen als vorherige Werkzeuge. Dabei bleibt die Qualität des Ergebnisses immer noch vergleichbar“, berichtet Christian Schulz.

Doch nicht nur statische Graphen können durch „KaDraw“ schneller gezeichnet werden. Auch dynamische Graphen, also Graphen, deren Beziehungen sich im Laufe der Zeit verändern, können mit dem Karlsruher System deutlich effizienter bearbeitet werden. Ein Beispiel für dynamische Graphen sind die Freundschaftsbeziehungen in sozialen Netzwerken. Diese unterliegen - etwa durch hinzukommende Freundschaften - einer stetigen Veränderung. „Bei dynamischen Graphen kann man eine bereits vorhandene Zeichnung in unser System eingeben und daraus ein neues Layout mit neuen Beziehungen zeichnen lassen“, erklärt Henning Meyerhenke.

Freie Software

Als Nächstes möchten die Wissenschaftler ein noch effizienteres Verfahren entwickeln. „Durch Verbesserung der algorithmischen Komplexität möchten wir die Effizienz des Verfahrens noch weiter steigern“, sagt Martin Nöllenburg. Doch bevor man sich den neuen Aufgaben widmet, wird „KaDraw“ der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Ab sofort steht das Graphenzeichnungstool unter einer General Public License (GPL) zur Verfügung. Zeitgleich präsentieren die Wissenschaftler ihr Tool auf der Fachtagung „Graph Drawing and Network Visualization“.

Link zum Download von KaDraw: http://algo2.iti.kit.edu/kadraw/


Den Artikel finden Sie unter.

http://www.kit.edu/kit/17419.php

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (09/2015)


Publikation:
Systems-level organization of yeast methylotrophic lifestyle, Rußmayer et al. 2015. BMC Biology 13:80, http://www.biomedcentral.com/1741-7007/13/80