обозревателя онтологических моделей
Адекватная реализация когнитивного потенциала
обозревателя онтологических моделей
,
Институт проблем управления сложными системами РАН
Самара, ул. Садовая, 61, Россия
*****@***ru
тел: +7 (8, факс: +7 (8
Ключевые слова: онтологическая модель, семантическая сеть, интерактивная визуализация информации, метод «фокус + контекст», 3D-организация и анимация изображения
Abstract
The purpose of this article is the enhancement of visual interface of the Ontological models browser – a component of “gB-system” modeling toolset, being developed in ICCS of RAS. Models visualization is based on the synthesis of radial, central-radial and complex “Fisheye” views. The article provides an overview of a set of not trivial geometrical and analytical problems, which were to be resolved for building the view diagram, with would utilize in full the cognitive potential of the proposed interface.
Введение
В [1], а затем наряду с описанием прикладных задач управления в статьях [2, 3] был представлен новый графический интерфейс одного из интерактивных программных приложений общецелевой системы объектно-ориентированного моделирования gB [4]. Это приложение – «Мастер моделей», реализует функции обозрения и редактирования объектных денотативных моделей предметных областей (ПрО).
Уникальность Мастера моделей состоит в том, что он, вообще говоря, покрывает функциональность всех других специализированных приложений gB-системы [4] (например, может использоваться для конструирования онтологий как денотативных моделей ПрО, описываемой метаонтологией [5]). Однако реализация этой функциональности в части редактирования моделей возможна лишь универсальными «низкоуровневыми» средствами gB-системы - фактически интерфейсными методами объектно-ориентированной СУБД. Вследствие этого семантическая правильность, или «целостность», создаваемых объектных моделей практически целиком определится корректностью действий пользователя: в данном случае у него отсутствуют посредники в виде специализированных компонентов тех приложений gB-системы, которые созданы для работы в определенных контекстах моделирования [4, 5] и поэтому снабжены адекватным инструментарием и процедурами семантического контроля действий пользователя в пределах этих контекстов.
Ремарка о специфике работы Мастера моделей оправдана тем, что поясняет целесообразность выделения функции обозрения моделей в gB-системе и ее автономную реализацию специализированным приложением «Обозреватель моделей». При этом принципиальным является тождество возможностей Обозревателя моделей и Мастера моделей в визуализации информации и навигации по информационному пространству моделей[1]. Таким образом, фактически в данной статье речь пойдет о пользовательском интерфейсе обоих названных gB-приложений.
Разработка графического интерфейса для обозрения онтологических моделей относится к обширной, насыщенной разнообразной проблематикой сфере создания методов и средств интерактивной визуализации информации и когнитивной графики. Оптимистической предпосылкой здесь служит то обстоятельство, что онтологии и, вообще, онтологические модели с методической точки зрения – наиболее «систематический» способ структурирования информационного контента с возможностью наглядного представления в виде семантической сети, т. е., в конечном счете, в виде графа [1, 6]. Применительно же к графам имеется громадный задел методов интерактивной визуализации, а равно и примеров соответствующих наукоемких программных продуктов [7, 8]; появляются и разработки, прямо ориентированные на визуализацию онтологий [9, 10]. Новизны и практической полезности результатов самостоятельных проектов в этой области можно ожидать и в продуктивном сочетании ранее известных подходов. Критерии такой продуктивности разнообразны и специфичны [8], но, несомненно, для онтологических моделей особую важность имеет уровень реализации когнитивного потенциала предлагаемых методов и средств интерактивной визуализации информации [6].
В этом смысле представленный в [1-3] графический интерфейс лишь до некоторой степени реализовывал вполне оригинальную идею трехмерной (3D-) организации представления онтологических моделей с элементами анимации: в частности, в определённых ситуациях 3D-образы соединялись с двумерным представлением элементов модели. Возникающий в подобных случаях геометрический диссонанс существенно дискредитировал роль когнитивно-ориентированных элементов изображения, «размывал» внедряемые в изображение аллюзии, затруднял интегральное восприятие доставляемого пользователю информационного образа (сопоставление рисунков 1а и 1б позволяет в какой-то мере ощутить влияние обсуждаемого эффекта). Эти обстоятельства и полученный опыт применения инструментальных средств моделирования [2, 3] выдвинули в линию актуальных проблему адекватной реализации когнитивного потенциала предложенного способа интерактивной визуализации онтологических моделей в gB-системе.
В предлагаемом сообщении формулируются основные принципы обозрения онтологических моделей с помощью разработанного графического интерфейса, а также дается обзор геометрических и аналитических задач, решение которых служит основой визуализации моделей.
1 Принципы организации обозрения моделей
Знакомство с обширной литературой, представляющей методы и инструментальные средства визуализации информации в форме графов, многочисленными Интернет-ресурсами подобной направленности[2] и следование (ставшими уже традиционными при разработке gB-системы) ценностям минимализма, однородности теоретических и технологических конструкций привело к выбору следующих взаимодополняющих принципов организации обозрения онтологических моделей:
· опора на блочную организацию модели как простейшего и эффективного метода ее иерархической структуризации, которая, вообще говоря, может вводиться независимо от семантики модели (принцип «работает» на представление общих планов и визуализацию больших моделей) [12];
· использование кругового и центрально-радиального изображений графа соответственно для обозрения коллекций объектов общего вида и коллекций объектов-смежников некоторого избранного объекта модели (в целом это предельно упрощает отображение данных на геометрическую плоскость, а центрально-радиальное изображение практически является интуитивно понятным и удобным порталом к предоставлению по требованию самых «мелких» деталей модели – свойств отдельных объектов);
а)
 |
б)
Рисунок 1 – Пример представления онтологической модели с разной степенью качества:
а) соединение в обозрении трех - и двумерных (для дуг семантической сети) образов;
б) согласование «размерности» изображений различных компонентов обозрения
· использование вершин-псевдообъектов и дуг-псевдосвязей (принцип, служащий «бритвой Оккама» для уменьшения разновидностей образов, которые формируют диаграмму обозрения, и действующий в задачах представления больших моделей, а также при поддержке работы с несколькими моделями одновременно);
· следование идее методов «фокус-контекст» (известных также как различные реализации концепции экранного представления «рыбий глаз») [8], предполагающей совмещение на изображении деталей актуального фрагмента модели с условным, составным образом остальной фактически невидимой части модели (это, прежде всего, обеспечивает взаимодействие пользователя с большими моделями).
Синтез этих позиций с приматом использования средств прямого манипулирования элементами изображения (в частности, устройства «мышь») и позволил предложить новый конкурентоспособный вариант системы интерактивной визуализации онтологических моделей.
В целом пространство обозрения модели организует 3D-фигура «Инфоглобус», на поверхности которого размещаются вершины-объекты модели и соединяющие их дуги-связи (см. рисунок 1). В отличие от известных способов использования сферической поверхности для размещения вершин визуализируемого графа Инфоглобус, во-первых, непрозрачен и, во-вторых, обращен к наблюдателю всегда одной стороной (сравните с Луной).
Предлагаемое для интерактивной визуализации развитие метафоры Инфоглобуса состоит в поддержании иллюзии постоянного присутствия на экране всей обозреваемой модели (в виде графа, вершины которого, представляют совокупность неоднородных объектов моделируемой ПрО, а дуги - множество различных отношений, связывающих объекты ПрО):
· на видимой стороне Инфоглобуса размещается тем или иным способом указанный пользователем актуальный фрагмент модели (иначе говоря, фокус обозрения), изображение которого в целом имеет круговую или центрально-радиальную организацию;
· все компоненты модели, не вошедшие в состав актуального фрагмента, располагаются на обратной, невидимой стороне Инфоглобуса;
· имеющиеся связи видимого объекта с невидимыми объектами[3] показываются специальной интегрированной псевдосвязью - коннектором, образ которой - неориентированный отрезок прямой, исходит из образа видимого объекта и «скрывается за горизонтом» Инфоглобуса;
· смена актуальных фрагментов модели производится путем анимированного перемещения объектов по видимой поверхности Инфоглобуса с «восходом» актуализируемых объектов из-за линии горизонта и «заходом» неактуальных объектов за линию горизонта Инфоглобуса;
· указания пользователя о смене актуального фрагмента модели осуществляется как с помощью выбора в предоставляемых меню, так и прямым формированием состава этого фрагмента с использованием пальцев руки и сенсорного экрана, применения манипулятора «мышь» и т. п.
В целом в рамках теоретической концепции «фокус-контекст» именно Инфоглобус и совокупность коннекторов образуют необходимо присутствующий при визуализации составной образ невидимой части обозреваемой модели.
2 Геометрические и аналитические задачи,
решение которых служит основой визуализации моделей
Задачи, решение которых составляет основу усовершенствованного интерфейса Обозревателя моделей gB-системы, условно можно сгруппировать вокруг двух главных проблем:
1) построение образов видимых связей между объектами модели в виде дуг, проводимых на поверхности Инфоглобуса;
2) построение образов видимых объектов – плоских фигур различной формы, размещаемых в различных точках поверхности Инфоглобуса с имитацией различной удаленности этих фигур от наблюдателя.
Анализ этих проблем и решение возникающих задач выполнялись при следующих предположениях и ограничениях:
· Инфоглобус находится за плоскостью экрана, и фактическая глубина конструируемых 3D-изображений равна радиусу Инфоглобуса;
· наблюдение формируемых на экране изображений осуществляется из точки, расположенной перед плоскостью экрана и принадлежит оси, которая перпендикулярна экранной поверхности и проходит через центр Инфоглобуса.
2.1 Образы связей между объектами
При сделанных предположениях задачи построения образов связей при круговом и центрально-радиальном изображений обозреваемого фрагмента модели радикально отличаются.
Несколько идеализируя картину можно сказать, что в первом случае образ связи двух видимых объектов – это кривая, соединяющая на экране две точки кругового горизонта Инфоглобуса, где точки суть названные объекты (см. рисунок 1б). Во втором случае образами видимых связей будут отрезки прямых, соединяющие ближайшую к наблюдателю точку Инфоглобуса, которая идеализирует «обозреваемый объект», с точками на круговом горизонте Инфоглобуса, которые представляют объекты-смежники обозреваемого объекта (рисунок 2).
Хотя и в том, и в другом случаях каждый образ связи есть проекция отрезка линии, кратчайшим путем соединяющей две точки сферы и проходящей по ее поверхности, ясно, что никаких принципиальных затруднений с построением центрально-радиальной диаграммы не имеется. Трудности возникают с изображением связей на круговой диаграмме, когда линейная аппроксимация проекции 3D-отрезка очевидным образом не работает (см. рисунок 1а). Найти более адекватное решение обнаруженной проблемы оказывается важным еще и потому, что оно лежит в основе построения многих других элементов обновленного интерфейса Обозревателя моделей.
Анализ проблемы позволил выдвинуть гипотезу о возможности представления искомого адекватного образа связи дугой окружности, параметры которой связаны уравнением, определяющим в первой четверти прямоугольных координат одну из замечательных плоских кривых - трактрису [13]:
,
где R – неотрицательный параметр трактрисы, интерпретируемый в нашей задаче как радиус Инфоглобуса; h - ордината трактрисы и расстояние от центра плоской проекции Инфоглобуса до хорды, стягивающей концы интересующей нас плоской дуги (далее будем для краткости именовать такой образ связи двух объектов h-дугой); r – абсцисса трактрисы и радиус h-дуги.
Для нахождения радиуса h-дуги, соединяющей две различные точки на горизонте сферы, достаточно сведений из элементарной геометрии. Однако реальная задача построения образа связи двух объектов на круговой диаграмме оказывается значительно сложнее, т. к. образы объектов в действительности располагаются не на горизонте Инфоглобуса, а на его поверхности на некотором фиксированном расстоянии от линии горизонта (см. рисунки 1 и 2). Эту задачу удается свести к предыдущей путем решения ряда подзадач с привлечением методов аналитической геометрии и поиска экстремума функций. В целом доказано, что в результате применения предлагаемой методики всегда может быть построен и притом единственный образ связи двух объектов в виде отрезка h-дуги.
Рисунок 2 – Пример центрально-радиального представления фрагмента онтологической модели
(обозрение объекта модели и его смежников)
 |
Рисунок 3 – Спрайт-анимация перемещения образов объектов при навигации в объектном пространстве онтологической модели: объект «АТРИБУТ» становится предметом обозрения,
занимая ближайшую к наблюдателю точку Инфоглобуса;
«ОБЪЕКТ» смещается в отводимое ему место среди объектов-смежников обозреваемого объекта
2.2 Образы объектов
Круг задач, связанных с построением на диаграммах образов объектов, оказывается существенно шире.
Во-первых, для имитации глубины предъявляемой диаграммы предложено аппроксимировать тело Инфоглобуса вертикально ориентированными дисками так, что поверхность Инфоглобуса, обращенная к наблюдателю, представляет собой совокупность колец, параллельных плоскости экрана. Здесь оказывается рациональным использовать равномерную дискретизацию 3D-пространства в смысле приращения телесного угла видимости дисков из центра аппроксимируемой ими сферы.
Второй важной задачей является расчет радиуса образа объекта в зависимости от его удаления от наблюдателя. В целом варианты удаления определяются набором аппроксимирующих Инфоглобус дисков, и показано, что в качестве огибающей образов объектов, по-разному удаленных от наблюдателя, но выстраиваемых по линии диаметра Инфоглобуса, может быть использована h-дуга. Тогда, если априори задать радиус образа объекта на круговой диаграмме (см. рисунок 1), рассматриваемую задачу удается однозначно решить методами элементарной геометрии и поиска экстремума функций. Кроме того, удаленность от наблюдателя влияет на яркость образа объекта; соответствующие расчеты выполняются на основе известных физических закономерностей [14].
Третья группа задач связана с обеспечением спрайт-анимации при построении диаграмм обозрения. Здесь центральной становится задача вычисления прямоугольных (экранных) координат точки h-дуги при имитации равномерного движения вдоль нее образа объекта из некоторого исходного положения в заданное целевое. Дополнительно в зависимости от удаленности образа объекта от наблюдателя по априори рассчитанным опорным вариантам размеров и яркостей образов методом линейной интерполяции определяются действительные значения этих параметров в процессе анимации. На рисунке 3 зафиксированы промежуточные положения двух смещаемых образов объектов при переходе от обозрения фрагмента модели, представленного на рисунке 1б, к обозрению, приведенному на рисунке 2.
Заключение
Для полноценной реализации когнитивного потенциала разработанного графического интерфейса с интерактивной визуализацией онтологических моделей потребовалось решить ряд нетривиальных геометрических и аналитических задач, обусловленных применением 3D-фигур, организующих пространство обозрения.
Разработаны методы и алгоритмы расчета параметров изображения на поверхности Инфоглобуса образов связей и объектов, а также параметров, описывающих перемещение образов объектов по этой поверхности при навигации в объектных пространствах моделей. Внедрение этих результатов позволило преодолеть существовавший разрыв между возможностями и реализацией когнитивно-ориентированной графики представления онтологических моделей в разрабатываемой в ИПУСС РАН gB-системе моделирования.
Следует отметить, что при реализации интерфейса в конкретной среде программирования набор подлежащих решению геометрических и аналитических задач, скорее всего, увеличиться по сравнению тем, что упомянут в данной статье. Так будут сказываться ограничения используемой библиотеки графических функций. Подобные стеснения могут вовсе блокировать использование полезных в когнитивном аспекте графических элементов. В частности, эти замечания оказались в определенной мере справедливы и в нашем случае: используемая при разработке интерфейса приложений gB-системы векторная графика VBA в MS Excel 2003 [15] в этом смысле весьма ограничена.
Благодарности
Работа поддержана и выполнена в рамках проекта «Онтологические модели ситуаций в процессах коллективного принятия решений» Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008‑12 гг., направление 25.
Список литературы
[1] Ситников П. В., Смирнов и средства анализа объектных информационно-логических моделей // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды X международной конф. (23‑25 июня 2008 г., Самара, Россия). – Самара: СамНЦ РАН, 2008. - С. 448‑456.
[2] Виттих В. А., Ситников П. В., Смирнов подход к построению информационно-логических моделей в процессах управления социальными системами // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2009. № 5. - С. 45‑53.
[3] Онтологический подход к разработке и внедрение информационно-аналитической системы управления предоставлением консолидированных услуг населению (на примере сферы здравоохранения и социального развития Самарской области) // Авт.: , , и др. / Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XI международной конф. (22‑24 июня 2009 г., Самара, Россия). – Самара: СамНЦ РАН, 2009. - С. 28‑43.
[4] Смирнов архитектура инструментальных средств моделирования сложных систем // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды международной конф. (15-17 июня 1999 г., Самара, Россия). – Самара: СамНЦ РАН, 1999. - С. 57‑64.
[5] Смирнов относительность и технология компьютерного моделирования сложных систем // Известия Самарского научного центра РАН. 2000. Т.2. № 1. - С. 66‑71.
[6] Гаврилова Т. А., Муромцев технологии в менеджменте: инструменты и системы: Учеб. пособие. 2-е изд. – СПб.: Изд-во «Высшая школа менеджмента»; Издат. дом С.-Петерб. гос. ун-та, 2008.
[7] Касьянов В. Н., Евстигнеев в программировании: обработка, визуализация и применение. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003.
[8] Апанович интерактивной визуализации информации // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды X международной конф. (23‑25 июня 2008 г., Самара, Россия). – Самара: СамНЦ РАН, 2008. - С. 478‑489.
[9] Katifori A., Halatsis C., Lepouras G., Vassilakis C., Giannopoulou E. Ontology visualization methods – a survey // ACM Comput. Surv. 39, 4 (2007), 10.
[10] Апанович З. В., Винокуров онтологии и информационного наполнения портала знаний при помощи методов визуализации информации // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XI международной конф. (22‑24 июня 2009 г., Самара, Россия). – Самара: СамНЦ РАН, 2009. - С. 556‑562.
[11] A visual exploration on mapping complex networks [сайт] [2008]. URL: http://www.
[12] Смирнов онтологий: объектно-ориентированная модель знаний о предметной области // Одиннадцатая Национальная конф. по искусственному интеллекту с международным участием КИИ-2 сентября-03 октября 2008 г., Дубна, Россия): Труды конф. Т. 3. – М.: ЛЕНАНД, 2008. - С. 208‑216.
[13] Математический энциклопедический словарь. – М.: Сов. энциклопедия, 1988.
[14] Аленицын А. Г., Бутиков Е. И., Кондратьев физико-математический справочник. – М.: Наука, 1990.
[15] Уокенбах Дж. Профессиональное программирование на VBA в Excel 2003. – М.: . Д. Вильямс», 2006.
[1] Подобная практика разработки облегченных, и в частности, выпуск исключительно «читающих» (reader-) приложений наряду с базовыми программными процессорами (текстовыми, графическими и т. п.) весьма характерна для рынка сложных программных продуктов.
[2] Например, сайт [11] дает возможность что называется «вживую» знакомиться с быстро растущим множеством идей в этой области.
[3] Для центрально-радиальных диаграмм речь может идти и о связях и между видимыми объектами-смежниками «обозреваемого объекта», располагающегося в центре изображения.
