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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein graphische Anzeigen in Computersystemen. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung die graphische Darstellung von
Informationen unter Verwendung einer dreidimensionalen Darstellung
auf einem Display.
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Stand der
Technik
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Ein Netz ist eine Ansammlung von
Knoten, die paarweise durch Kanten verbunden sind. Ein Netzanzeigewerkzeug
ist eine Vorrichtung, die ein Netz als ein aus graphischen Bildzeichen
zusammengesetztes Bild zeigt, indem sie typischerweise jeden Knoten
an eine bestimmte Position setzt und dann Knoten mit Linien verbindet,
um die Kanten zu zeigen. Das Anzeigewerkzeug kann graphische Eigenschaften
der Bildzeichen zur Codierung von Informationen über das Netz benutzen.
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Die von Anzeigewerkzeugen des Standes der
Technik erzeugten Netzanzeigen sind oft optisch überfüllt, da sich die Linien überkreuzen.
Diese Überkreuzung
erzeugt eine optische „Überhäufung", die es schwierig
macht, die Anzeige zu deuten. Verfahren zum Verringern dieser Überhäufung sind
wünschenswert,
indem sie Anzeigen erzeugen, die für Benutzer des Werkzeugs leichter
verständlich
sind.
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Ein Verfahren zur Verringerung von Überhäufung ist
in EP-A-0652 665 offenbart, das Knotenpositionierungsverfahren beschreibt,
in denen die Knotenpositionen so ausgewählt sind, daß verwandte
Knoten in der Anzeige zusammengruppiert sind. Mit diesem Verfahren
wird jedoch das Problem der Überkreuzung
von Verbindungen nicht vollständig gelöst. Zusätzlich läßt es sich
nicht leicht auf geographische Netze anwenden, wo die Plazierung
der Knoten durch die Geographie bestimmt wird.
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Andere Verfahren zum Verringern von Überhäufung umfassen
Dialoge, mit denen der Benutzer des Anzeigewerkzeugs das angezeigte
Bild manipulieren kann. In 20 ist
ein Anzeigewerkzeug des Standes der Technik dargestellt, das Zeitreihennetzdaten
zeigt und solche Benutzerdialoge bereitstellt. Das Netz ist durch
einen aus Knoten und Verbindungen zwischen den Knoten bestehenden
Graphen dargestellt. Die Knoten sind als rechtwinklige Bildzeichen
gezeichnet und die Verbindungen zwischen Knoten sind als die Knoten
verbindende Linien gezeichnet. Die graphischen Parameter der Bildzeichen und
Linien werden durch bestimmte Datenmerkmale, d. h. die Zeitreihennetzdaten,
bestimmt. Beispielsweise kann die Größe eines Bildzeichens in der
X-Dimension durch ein Knotenmerkmal und die Größe eines Bildzeichens in der
Y-Dimension durch ein anderes bestimmt werden. Auf ähnliche
Weise kann die Stärke
und Farbe von Linien aus einem Verbindungsmerkmal bestimmt werden.
Der Graph kann einer Landkarte überlagert
werden, die den geographischen Zusammenhang liefert.
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Verweise zu solchen Anzeigewerkzeugen des
Standes der Technik sind beispielsweise aus Becker et al., US-Patent Nr. 5,136,690,
Dynamic Graphical Analysis of Network Data (Dynamische graphische
Analyse von Netzdaten); und Richard A. Becker und Stephen G. Eick, „Visualizing
Network Data" (Visualisierung
von Netzdaten), IEEE Transactions on Visualization and Graphics,
Band 1, Nr. 1, 1995, Seiten 16–28
oder auch EP-A-O 412 692 ersichtlich.
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Als Beispiel könnte die 20 als ein Graph betrachtet werden, der
das Fernsprechweitverkehrsnetz von AT&T darstellt. Die Knoten des Graphen könnten Vermittlungsstellen
und die Verbindungen könnten
Verbindungen zwischen den Vermittlungen darstellen. Durch den Betrieb
des Netzes werden viele unterschiedliche Zeitreihenstatistiken erzeugt,
die als Merkmale benutzt werden können. In dieser Figur sind
die angezeigten Merkmale Verkehrsüberbelastungen in und zwischen
den Vermittlungen während des
Erdbebens von 1989 in Kalifornien.
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Die Rechtecke zeigen die Anzahl blockierter Verbindungen,
wobei die Größe des Rechtecks
in der X-Dimension
die Anzahl blockierter ankommender Verbindungen und die Größe in der
Y-Dimension die Anzahl blockierter abgehender Verbindungen codiert.
Die äußerst breiten
Rechtecke im Bereich der Westküste
zeigen, wie diese Vermittlungen durch die enorme Anzahl von Menschen überlastet
werden, die versuchen, den Bereich anzurufen. Die Linien zeigen die
Anzahl blockierter Verbindungen zwischen den Vermittlungen. Wie
zu erwarten ist, findet beinahe die gesamte Blockierung von Vermittlungen
außerhalb des
Erdbebenbereichs zu Vermittlungen innerhalb des Bereichs statt.
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In 20 ist
eine Anzahl von Dialogreglern dargestellt. Mit den Knöpfen 2001 und
Schiebern 2002 links im Bild wird die Art und Weise geändert, auf
die die Bildzeichen und Linien gezeichnet werden. Mit dem Farbschieber-Schwellwertmechanismus 2003 unterhalb
des Bildes kann der Benutzer Verbindungen auf Grundlage des aktuellen
Verbindungsmerkmals filtern. In der Figur ist der Schieber 2003 so
eingestellt, daß nur
Strecken, die zwischen 1443 und 9241 blockierte Verbindungen aufweisen, dargestellt
werden. Der Zeitschieber 2004 unterhalb des Farbschiebers 2003 ermöglicht dem
Benutzer zu wählen,
welcher Rahmen der Zeitreihendaten angezeigt wird. Mit dem Knopf
Alle Ein 2005 und dem Knopf Alle Aus 2006 werden
auch Mechanismen bereitgestellt, mit denen der Benutzer eine optische Verdichtung
verringern kann. Obwohl derartige Dialogmechanismen zum Verringern
von Überfüllung wirksam
sind, können
sie nur in einem gewissen Ausmaß Abhilfe
liefern.
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21 zeigt
eine Anzeige des Stands der Technik mit Welt-Internet-Verkehr zwischen
Ländern auf
einer zweidimensionalen Landkarte. Man beachte, daß Verbindungen
von Nordamerika nach Ostasien Europa überqueren und die Verbindungen
Nordamerika nach Europa, Europa nach Ostasien und europainterne
Verbindungen verdecken. Man beachte auch, daß der vom Pazifischen Ozean
bedeckte Raum größtenteils
verschwendet wird, da wenige Verbindungen diesen Raum überqueren.
Eine Lösung
dieses Problems besteht darin, die Verbindungen von Nordamerika
nach Ostasien über
den Pazifik zu leiten (was in Wirklichkeit der kürzeste Weg zwischen den zwei
Gebieten ist). Dieses könnte
so geschehen, daß die
Verbindungen an einem Rand der Landkarte enden und am anderen wieder
weiterlaufen. Experimente haben jedoch erwiesen, daß diese Unterbrechung
der Linien nicht wirksam ist, da der Benutzer Probleme mit der Zusammenpassung
der Linien an gegenüberliegenden
Seiten der Anzeige hat.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem
graphischen Anzeigewerkzeug, mit dem Informationen auf eine Weise übermittelt
werden können,
durch die sich die codierten Daten leichter von Benutzern auswerten
lassen.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung, die durch
die beiliegenden Ansprüche
definiert wird, stellt eine dreidimensionale Anzeige von Informationen
bereit, mit der die Probleme des Standes der Technik gelöst werden.
Die Zufügung
der dritten Dimension bietet ein Mittel zum Anzeigen einer beliebigen
Anzahl von Bogen und ermöglicht
dem Benutzer über
Dialogregelung des Betrachtungspunkts, die Bogen auseinanderzutrennen,
so daß sie
sich in der Anzeige nicht zu überkreuzen
scheinen. Zusätzlich
ermöglicht
der Schritt zu einer dreidimensionalen Anzeige die Anwendung von
neuartigen Verfahren zur Codierung von Informationsmerkmalen in
der dritten Dimension und neuartiger Benutzerdialoge mit der Anzeige.
Beispielsweise kann mit der Höhe
eines Bogens und Knotens in bezug auf irgendeine Oberfläche irgendein
auf die durch diesen Bogen dargestellte Verbindung bezogenes Datenmerkmal
bzw. das Datenmerkmal des Knotens codiert werden.
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Auch erlaubt die Zufügung der
dritten Dimension neuartige Schwellwertbildungsverfahren. In den dreidimensionalen
Raum kann eine Beschneidungsfläche
eingeführt
werden, die diejenigen Bogen und Knoten verdeckt, die nicht irgendeinem
Schwellwert entsprechen. Die Benutzer können im Dialog die Beschneidungsfläche und/oder
die Bildzeichen in einer beliebigen der drei Dimensionen manipulieren,
um diese Schwellwertbildungsfunktionen zu verändern.
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Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden
dem gewöhnlichen
Fachmann durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche
Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen offenbar werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Bestandteile eines Computersystems,
das zum Implementieren der vorliegenden Erfindung konfiguriert werden
kann.
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2 zeigt
den Inhalt eines Teils der Speichereinheit des Computersystems.
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3 zeigt
die objektorientierte Auslegung des Anwendungscodes.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung der Datenstruktur der Knotentabelle.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung der Datenstruktur der Verbindungsdatentabelle.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung der Datenstruktur der Knotendatentabelle.
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7 zeigt
das Kugelkoordinatensystem der vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt
ein Anzeigebild gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9 zeigt
das Zeichnen von Bogen.
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10A zeigt
Bogenwege auf Grundlage des Projektionssystems mit rechtwinkligen
Koordinaten.
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10B zeigt
Bogenwege auf Grundlage des Projektionssystems mit Mercatorkoordinaten.
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10C zeigt
Bogenwege auf Grundlage des (auch als Großkreissystem bezeichneten)
Polar-Projektionssystems.
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11 zeigt
ein Anzeigebild gemäß dem Polar-Projektionssystem.
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12 zeigt
ein Anzeigebild mit Bogen, deren Wege unter der Oberfläche eines
durchsichtigen Globus verlaufen.
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13A–13D zeigen die Verwendung
des Globus als eine Beschneidungsfläche zum Durchführen von
Schwellwertbildungsoperationen.
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14 ist
ein Flußdiagramm
des Gesamt-Regelflusses für
den Anwendungsprogrammcode und Verzeichnisse.
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15 ist
ein Flußdiagramm
der Zeitablauffunktion.
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16 ist
ein Flußdiagramm
der Rückruffunktion
OnWindowCreate.
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17 ist
ein Flußdiagramm
der Rückruffunktion
DoExpose.
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18 ist
ein Flußdiagramm
der Rückruffunktion
DoMouse.
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19 zeigt
die Verwendung der dritten Dimension, damit jedem Knoten und jeder
Verbindung mehrere Bildzeichen zugeordnet werden können.
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20 zeigt
eine Anzeige von Netzinformationen nach dem Stand der Technik.
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21 zeigt
eine Anzeige von Netzinformationen nach dem Stand der Technik.
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Ausführliche Beschreibung
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1. Übersicht
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In der hier beschriebenen Ausführungsform ist
die vorliegende Erfindung für
die Anzeige von Zeitreihendaten für ein globales Netz konfiguriert.
Die in (ausführlicher
unten besprochenen) 8, 11 und 12 gezeigten Bilder stellen Internetverkehr
zwischen Ländern
dar. Die Zeitreihendaten stellen eine einwöchige Periode im Februar 1993
dar. Die Knoten im Netz sind daher die Länder und die Verbindungen verbinden
die Länderpaare
mit Verkehr. Das Netz enthält
50 Knoten und 50 × 50
oder 2500 Verbindungen. Die Quellendaten werden von einer Verbindungsstatistik
geliefert, die die Anzahl von Paketen zwischen jedem Länderpaar
für jedes
zweistündige Intervall
während
der Woche, d. h. 84 Rahmen von Zeitreihendaten, für insgesamt
50 × 50 × 84 bzw.
210 000 Werte ergibt. Diese Verbindungsstatistik wird zum Ableiten
einer Knotenstatistik benutzt, wobei der Wert für jeden Knoten die Summe des
Verkehrs zwischen diesem Knoten und allen anderen Knoten ist. Diese
besteht wiederum aus 84 Rahmen von Zeitreihendaten bzw. 50*84 =
4200 Werte. Die Daten sind in einer dreidimensionalen Darstellung
auf einem Anzeigeschirm dargestellt. Der Globus wird durch ein Licht
beleuchtet, das so positioniert ist, daß der Winkel der Sonne für den angezeigten
Rahmen der Zeitreihendaten reflektiert wird. Die Knotenstatistik
wird durch in bezug auf den Globus positionierte Bildzeichen dargestellt,
wobei durch die Eigenschaften des Bildzeichens verschiedene Knotenstatistiken
codiert werden. Die Verbindungen sind durch die Knotenbildzeichen
verbindende Bogen dargestellt, wobei durch die Bogeneigenschaften
verschiedene Verbindungsstatistiken codiert werden. Der Benutzer
kann durch Verwendung einer graphischen Zeigevorrichtung mit der
Anzeige einen Dialog führen.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden ausführlicher
unten beschrieben.
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2. Systemarchitektur
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So wie er hier benutzt wird, umfaßt der Begriff
Computer jede Vorrichtung oder Maschine, die in der Lage ist, Informationen
anzunehmen, vorgeschriebene Verfahren an die Informationen anzulegen
und die Ergebnisse der Verfahren abzuliefern.
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Die Funktionen der vorliegenden Erfindung werden
vorzugsweise durch einen programmierten digitalen Computer nach
der Darstellung in 1 durchgeführt. 1 zeigt ein Computersystem 100, das
einen Anzeigemonitor 102, eine Texteingabevorrichtung wie
beispielsweise eine Computertastatur 104, eine graphische
Eingabevorrichtung wie beispielsweise eine Maus 106, einen
Computerprozessor 108, eine Speichereinheit 110 und
eine nichtflüchtige Speichervorrichtung
wie beispielsweise ein Plattenlaufwerk 120 umfaßt. Die
Maus 106 weist einen linken Mausknopf 107, einen
mittleren Mausknopf 108 und einen rechten Mausknopf 109 auf,
die einen Benutzerdialog erlauben. Die Speichereinheit 110 enthält einen
Speicherbereich 112 zur Speicherung von beispielsweise
Anwendungscode und Bibliothekscode, und einen Speicherbereich 114 für die Speicherung
von Daten. Der Computerprozessor 108 ist mit dem Anzeigemonitor 102,
der Speichereinheit 110, der nichtflüchtigen Speichervorrichtung 120,
der Tastatur 104 und der Maus 106 verbunden. Die
externe Speichervorrichtung 120 und die Speichereinheit 110 können zur
Speicherung von Daten und Computer-Programmcode benutzt werden. Der Computerprozessor 108 führt den
Anwendungsprogrammcode und Bibliothekscode aus, der in der Speichereinheit 110 im
Speicherbereich 112 gespeichert ist. Während der Ausführung kann
der Prozessor auf Daten im Speicherraum 114 in der Speichereinheit 110 zugreifen
und kann auf in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung 120 gespeicherte Daten zugreifen. Das
Computersystem 100 kann geeigneterweise ein beliebiges
der in der Technik wohlbekannten Arten wie beispielsweise ein Großrechner,
ein Minicomputer, ein Arbeitsplatz oder ein Personal Computer sein.
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Der Speicherbereich 112 ist
ausführlicher
in 2 als Anwendungscode 202 und
Fensterbildungssystemcode 210 enthaltend dargestellt. In
einer Ausführungsform
wird die vorliegende Erfindung unter Verwendung eines Fensterbildungssystems 210 implementiert,
das eine Schnittstelle zu einer Graphikbibliothek liefert, wie beispielsweise
OpenGL (OpenGL ist eine Schutzmarke von Silicon Graphics, Inc.).
Die OpenGL-Graphikbibliothek ist eine hardwareunabhängige Bibliothek
für dreidimensionale Graphiken.
Sie stellt Funktionen zum Zeichnen von Linien und angefüllten Vielecken,
zum Erstellen von „Anzeigelisten" von Befehlen und
zum Manipulieren von Betrachtungspunkt, Farbe und Beleuchtung bereit.
Die OpenGL-Graphikbibliothek ist bei Silicon Graphics, Inc. von
Mountain View, Kalifornien erhältlich.
Zusätzliche
Informationen über
OpenGL sind aus Jackie Neider, Tom Davis und Mason Woo, „Open GL
Reference Manual" (Open
GL-Nachschlagehandbuch),
Addison-Wesley Publishing Co., 1992 und Jackie Neider, Tom Davis
und Mason Woo, „Open
GL Programming Guide" (Open
GL Programmierungsführer),
Addison-Wesley Publishing Co., 1992 ersichtlich. Beispiele von Fensterbildungssystemen,
die für
die Implementierung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen
X Windowing System und Windows NT. (Das Urheberrecht für X Windowing
System besitzt The Massachusetts Institute of Technology; Windows
NT ist eine Handelsmarke der Microsoft Corporation). Weitere Informationen über diese
Fensterbildungssysteme sind aus „X Window System User's Guide" (X Window System, Benutzerführer) von
Valerie Quercia und Tim O'Reilly,
veröffentlicht
von O'Reilly & Associates, Inc., Sebastopol
CA, 1989, Band 3 der „X-Window-System-Reihe" und „Inside
Windows NT (TM)" (Einblick in
Windows NT (TM)) von Helen Custer, veröffentlicht von Microsoft Press
(Einer Abteilung von Microsoft Corporation), Redmond WA, 1993 ersichtlich.
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Der Anwendungscode 202 besteht
aus dem Initialisierungscode 204 und einer Anzahl von Rückruffunktionen 206.
Das Programm führt
die Initialisierung durch und übergibt
dann die Steuerung dem Fensterbildungssystem 210. Das Fensterbildungssystem 210 reagiert
auf Benutzereingaben durch Aufrufen der Rückruffunktionen 206 des
Anwendungscodes 202.
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In der bevorzugten Ausführungsform
weist der Anwendungscode 202 eine objektorientierte Auslegung
wie in 3 gezeigt auf.
In dem Code werden drei Objektklassen GlobeViewer, GlobeDrawer und Scale
benutzt. Vom Code wird während
der Initialisierung ein Objekt von jeder dieser Arten erstellt.
Nach der Darstellung in 3 werden
ein GlobeViewer-Objekt 302, ein GlobeDrawer-Objekt 308 und
ein Scale-Objekt 306 erstellt. Diese Objekte sind wie durch
die die Objekte verbindenden durchgezogenen Linien dargestellt in
einem Mutter-Tochter-Baum angeordnet. Eine derartige Organisation
wird gewöhnlich
durch Fensterbildungssysteme wie beispielsweise das X Windowing
System benutzt. Auch zeigt 3 den
Anzeigemonitor 102 und die dargestellten Bilder. Die gestrichelten
Pfeile verbinden jedes Objekt mit dem entsprechenden Teil des Bildes.
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Das GlobeViewer-Objekt 302 wird
als erstes erstellt und stellt das Programm insgesamt dar und basiert
auf dem obersten Objekt (z. B. einem MainWindow-Objekt im X Windowing
System), das durch das Fensterbildungssystem 210 bereitgestellt
wird. Das GlobeViewer-Objekt 302 erscheint daher auf dem
Anzeigemonitor 102 als das das Bild enthaltende Fenster 310.
Ein Layout Manager-Objekt 304, das vom Fensterbildungssystem 210 bereitgestellt
wird, wird als nächstes
als Tochter des GlobeViewer-Objekts 302 erstellt.
Die Funktion des Layout Manager-Objekts 304 besteht
in der Positionierung seiner Tochterobjekte innerhalb des vom GlobeViewer-Objekt 302 erstellten
Fensters 310. Die zwei Töchter des Layout Manager-Objekts 304 sind
ein Scale-Objekt 306 und ein GlobeDrawer-Objekt 308.
Das Scale-Objekt 306 zeichnet eine Farbskala 312 und
das GlobeDrawer-Objekt 308 zeichnet eine Erdkugel 314 und
eine (ausführlicher
unten beschriebene) Netzdarstellung auf der Erdkugel 314.
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3. Datenstrukturen
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Nach der obigen Beschreibung ist
die Erfindung in einer Ausführungsform
zum Anzeigen von Zeitreihendaten für ein globales Netz implementiert. Die
Daten in dieser beispielhaften Ausführungsform betreffen Internetver kehr
zwischen Ländern
in einer einwöchigen
Periode. Die Knoten im Netz sind Länder und die Verbindungen sind
die Länderpaare
mit Verkehr.
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Im Datenraum 114 der Speichereinheit 110 sind
drei Tabellendatenstrukturen gespeichert. Diese Tabellen werden
in Verbindung mit 4–6 beschrieben. Die Größen dieser
Datenstrukturen werden durch zwei Parameter bestimmt, die durch
die symbolischen Konstanten NNODES (die Anzahl von Knoten im Netz)
und NFRAMES (die Anzahl von Rahmen von Zeitreihendaten) dargestellt
werden.
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Die erste Tabelle Nodes ist in der 4 als Tabelle 400 dargestellt.
Diese Tabelle 400 enthält NNODES-Datensätze. Jeder
Datensatz enthält
4 Felder. Das erste Feld 402 ist eine Zeichenkette, die die
Abkürzung
für ein
Land enthält,
das zweite Feld 404 ist eine Zeichenkette, die den vollständigen Namen
des Landes enthält;
das dritte Feld 406 enthält eine Nummer, die den Breitengrad
der Hauptstadt des Landes darstellt und das vierte Feld 408 enthält eine
Nummer, die den Längengrad
der Hauptstadt des Landes darstellt. Jeder Knoten wird durch eine Knotennummer
dargestellt. Diese in der FIG. als 410 gezeigten Knotennummern
werden als Indexe in die Tabelle benutzt, um den Breitengrad und
Längengrad der
Hauptstadt eines gegebenen Landes zu erhalten. Diese Knotennummern
sind nicht wirklich in der Tabelle 400 gespeichert, sondern auf
eine in der Technik wohlbekannte Weise implizit in der Tabellenstruktur
enthalten. Der aus der Tabelle 400 erhaltene Breitengrad und Längengrad
wird zur Berechnung der Position der Knoten im Display benutzt.
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Die zweite Tabelle Linkdata ist in
der 5 als Tabelle 500
dargestellt. Diese Tabelle 500 ist eine dreidimensionale Matrix
von Nummern, die die Zeitreihen-Verbindungsdaten enthält. Die
Größe der Matrix
ist NFRAMES × NNODES × NNODES.
Die Rahmennummer f wird als erster Index in die Tabelle benutzt
und wählt
einen Rahmen wie beispielsweise den Rahmen 502. Jeder Rahmen 502, 504, 506,... 508 stellt
die Verbindungsdaten zwischen jedem Länderpaar zu einer bestimmten
Zeit dar. Beispielsweise kann der Rahmen 502 die Verbindungsdaten
für den 1.
Februar 1993 um 0:00 Uhr darstellen, während der Rahmen 504 die
Verbindungsdaten für
den 1. Februar 1993 um 2:00 Uhr darstellt. Im vorliegenden Beispiel
bestehen die Daten aus Daten für
eine einwöchige
Periode, so daß der
Rahmen 508 die Verbindungsdaten für den 6. Februar um 22:00 Uhr
darstellen würde.
Knotennummern werden als die zweiten und dritten Indexe benutzt,
so daß im
Rahmen f der Zeitreihe der Verkehr zwischen Knoten i und j durch Linkdata
[f][i][j] dargestellt wird. In dem in 5 gezeigten
Beispiel befindet sich der Netzverkehr zwischen den Vereinigten
Staaten und Japan am 1. Februar 1993 um 0:00 Uhr am Ort 510 des
Rahmens 502.
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Die dritte Tabelle Nodedata ist in 6 dargestellt. Diese Tabelle
600 ist eine zweidimensionale Matrix von Nummern, die die Zeitreihen-Knotenmerkmaldaten
enthält.
Die Größe der Matrix
ist NFRAMES mal NNODES. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Knotenmerkmaldaten
durch Herübersummieren
der Verbindungsmerkmale der Linkdata-Tabelle 500 berechnet. Die
Tabelle ist so aufgebaut, daß im
Rahmen f der Zeitreihe der Gesamtverkehr zwischen Knoten i und allen
anderen Knoten Nodedata[f][i] beträgt. In dem in 6 dargestellten Beispiel wird der gesamte
Knotenverkehr für
die Vereinigten Staaten im Zeitrahmen 1. Februar 1993 um 0
: 00 Uhr an Stelle 602 gespeichert. Der Inhalt der Tabelle
wird so normiert, daß alle
Werte auf zwischen 0 und 1 liegend skaliert sind.
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Wenn die Erfindung zur Darstellung
eines geographischen Netzes wie in der gegenwärtig beschriebenen Ausführungsform
benutzt wird, ist die Aufnahme einer Landkarte in das Bild nützlich,
indem sie dem Benutzer erlaubt, den geographischen Ort der jeweiligen
Knoten zu bestimmen. Dies läßt sich leicht
dadurch durchführen,
daß die
Kugel in eine Erdkugel umgewandelt wird, indem eine Landkarte auf
die Kugeloberfläche
gelegt wird. In der vorliegenden Ausführungsform geschieht dies durch
Aufzeichnen der Umrisse der Kontinente auf die Kugel. Die Umrisse
werden aus einer geographischen Datenbank der in der Technik wohlbekannten
Art erhalten.
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Zur Erzeugung einer Erdkugel können andere
Verfahren benutzt werden. Eine besteht in der mosaikartigen Musterung
der Kugeloberfläche
unter Verwendung der kontinentalen Umrisse und Einfärbung jedes
durch die Mosaikmusterung erzeugten Vielecks mit Grün oder Blau
gemäß der Eigenschaft des
Gebiets als Land bzw. Wasser. Ein zweites Verfahren besteht in der
Verwendung von Texturabbildung zum Umwickeln der Kugeloberfläche mit
einem Bild der Welt.
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4. Kugelkoordinaten
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In vielen der zur Implementierung
der vorliegenden Ausführungsform
benutzten Berechnungen wird ein Kugelkoordinatensystem zur Angabe
von Punkten im dreidimensionalen Raum benutzt. Diese Koordinaten
basieren auf einer Kugel, deren Mittelpunkt der Ursprung des Koordinatensystems
ist. In 7 wird das Kugelsystem
einem XYZ-System mit demselben Ursprung 0 überlagert, um zu zeigen, wie die
Kugelkoordinaten eines Punktes P bestimmt werden.
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Der Punkt P befindet sich bei Kugelkoordinaten
(ρ, θ, ϕ). ρ ist der
Abstand von P vom Mittelpunkt 0 der Kugel. Die Linie PT durch P
senkrecht zur X-Y-Ebene schneidet diese Ebene bei einem Punkt T. θ ist der
Winkel der Linie OT zur positiven X-Achse. Φ ist der Winkel der Linie OP
zur X-Y-Ebene, so daß Punkte
mit Z > 0 ϕ > 0 aufweisen und Punkte
mit Z < 0 ϕ < 0 aufweisen. Man
beachte, daß die
Messung von ϕ sich hier etwas von der gewöhnlichen
Vereinbarung in Kugelkoordinaten unterscheidet, wo ϕ der Winkel
OP zur positiven Z-Achse ist. Der Grund dafür ist, daß bei der vorliegenden Ausführungsform
weitgehend Gebrauch von Breite und Länge gemacht wird und es etwas
einfacher ist, sie in diesem System handzuhaben: Breite ist ϕ (wobei
nördliche
Breiten positive Winkel sind) und Länge ist θ.
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Obwohl die vorliegende Ausführungsform viele
Berechnungen unter Verwendung von Kugelkoordinaten durchführt, finden
alle Berechnungen der OpenGL-Graphikbibliothek
in XYZ-Koordinaten statt. Zur Umwandlung zwischen (ρ, θ, ϕ)-
und (x, y, z)-Koordinaten werden folgende Gleichungen benutzt: x = ρ*cos(θ)*cos(ϕ)
y = ρ*sin(θ)*cos(ϕ)
z = ρ*sin(ϕ)
ρ =
sgrt(x*x + y*y + z*z)
θ = arctan(y/x)
ϕ = arctan(z/sgrt(x*x + y*y)) = arcsin(z/ρ)
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5. Zeichnen der Erdkugel
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8 zeigt
ein beispielhaftes Bild 800, das im Fenster 310 des
Anzeigemonitors 102 dargestellt werden würde. Beim
Zeichnen der Erdkugel 802 kommen zwei graphische Komponenten
zur Verwendung, die blaue Kugel 804 und die kontinentalen
Umrisse 806. Die blaue Kugel 804 ist eine am Ursprung 0
des Kugelkoordinatensystems zentrierte Kugel mit Radius 0,995*KugelRad
(wobei KugelRad eine Konstante ist). Die Kugel wird in der (ausführlicher
unten beschriebenen) Funktion OnWindowCreate des GlobeDrawer-Objekts 308 unter
Verwendung einer OpenGL-Hilfsprogrammbibliotheks funktion erstellt und
in einer OpenGL-Anzeigeliste gespeichert.
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Die kontinentalen Umrisse 806 werden
aus einer Datenbank erhalten, in der die Umrisse als Sammlung von
Liniensegmenten festgehalten sind. Die Endpunkte der Segmente werden
in Breiten-Längen-Koordinaten
gegeben. Jede dieser Breiten-Längen-Koordinaten
wird zur Erzeugung einer Kugelkoordinate (KugelRad, Länge, Breite)
benutzt, die auf der Oberfläche
der Erdkugel liegt. Diese Koordinate wird dann wie oben beschrieben
in OpenGL-XYZ-Koordinaten umgewandelt.
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Der obige Faktor von 0,995 wird dazu
benutzt, sicherzustellen, daß die
blaue Kugel 804 etwas innerhalb der durch die Kontinentumrisse 806 definierten
Kugel liegt und damit nicht die kontinentalen Umrisse 806 verdeckt.
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Am Aussehen der Erdkugel 802 könnten leicht
verschiedene Änderungen
durchgeführt
werden. Die angezeigten geographischen Informationen bestehen aus
auf einer blauen Kugel 804 dargestellten kontinentalen
Umrissen 806. Das Aussehen der Erdkugel 802 könnte durch
Ausfüllen
der kontinentalen Umrisse 806 mit einer Farbe geändert werden. Dies
läßt sich
durch Anlegen von dreidimensionaler Vieleckmosaikmusterung (d. h.
Zerlegen der Vielecke in ein die Erdkugel bedeckendes Maschengitter von
Dreiecken) an die Datenbank der kontinentalen Umrisse erreichen.
Auch könnten
weitere Schritte zum Realismus hin wie beispielsweise Benutzung von
Texturabbildung zur Darstellung der Erdkugel mit Geländefärbung durchgeführt werden.
Durch diese zusätzlichen
Einzelheiten könnten
jedoch die Netzinformationen verdeckt werden.
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6. Beleuchtung
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Die Erdkugel 802 wird durch
ein Licht beleuchtet, das sich in derselben Richtung wie die Sonne
für den
bestimmten Rahmen der dargestellten Zeitreihendaten befindet. Aus 8 ist ersichtlich, daß dieses
Licht im allgemeinen von der linken Seite des Bildes herrührt. Dieser
Beleuchtungseffekt wird in der OpenGL-Graphikbibliothek durch Positionieren des
Lichtes in Kugelkoordinaten mit ϕ = 0 und aus der Rahmenzeit
bestimmtem θ erreicht.
Beispielsweise ist θ =
0, wenn die Rahmenzeit 12:00 Uhr UTC (Greenwich-Zeit) beträgt; d. h.
zur Greenwich-Mittagszeit ist das Licht über dem Äquator auf dem Greenwich-Meridian
positioniert. Wenn die Rahmenzeit 6:00 Uhr UTC beträgt, ist θ = 90 Grad
und die Sonne ist über
dem Äquator
auf dem Meridian 90W positioniert.
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Es ist möglich, die Rahmenzeit zusätzlich zur Berechnung
der richtigen ϕ-Koordinate der Sonne zu benutzen. ϕ =
0 am 21. März
und 21. September, Dezember. Dadurch würden jahreszeitliche Informationen
in die Anzeige eingebaut werden.
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Die Beleuchtung der Erdkugel bietet
dem Benutzer eine optische Anzeige der Tageszeit für die dargestellten
Daten. Dieser Effekt wird vorzugsweise in Verbindung mit einer Farbanzeige
benutzt. Bei einer Schwarz-Weiß-Anzeige stört die glatte
Schattierung der Erdkugel die Wahrnehmung des Netzes, da bei gewissen
Positionen des Lichts einige der Bildzeichen und Bogen annähernd dieselbe
Farbe wie die unter ihnen liegende Kugel aufweisen werden und im Hintergrund
verschwinden. Bei der Benutzung von Farbe kann dieser Effekt vermieden
werden, indem für
die Einfärbung
der Erdkugel ein oder zwei Farbtöne
ausgewählt
werden und die Bildzeichenund Bogenfarben aus einer Reihe ausgewählt werden,
die nicht diese Farbtöne
enthält.
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7. Betrachtungspunkt
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Bei dem Betrachtungsmodell der vorliegenden
Ausführungsform
werden Kugelkoordinaten benutzt. Das Bild ist so gezeichnet, als
wenn das Auge des Benutzers sich im Raum bei einer Koordinate ρ (Abstand
von der Mitte der Erdkugel 802) von 1,2*KugelRad befände, wenn
man zur Mitte der Erdkugel 802 blickt. Der Benutzer kann
die Koordinaten ϕ und θ des
Betrachtungspunkts verändern,
indem er die Maus 106 bewegt und dabei den linken Mausknopf 107 drückt. Durch
Bewegen der Maus 106 nach rechts oder links wird θ erhöht bzw.
verringert, während
mit einer Bewegung der Maus 106 nach oben oder unten ϕ erhöht bzw.
verringert wird. Der durch diese Mausbewegungshandlung erzeugte
Effekt ist, daß Mausbewegungen
die Erdkugel 802 drehen und damit ihre Betrachtung aus
jedem Winkel erlauben. Eine Abänderung
dieses polaren Betrachtungsmodells, mit der Benutzer auf Teile der
Erdkugel einzoomen könnten,
ließe
sich leicht implementieren.
-
8. Zeichnen von Knoten
-
Nach der Darstellung in 8 werden die Knoten-Bildzeichen auf der
Erdkugel 802 als Pyramiden dargestellt, wie beispielsweise
das Bildzeichen 808. Auch könnten andere Bildzeichen wie
beispielsweise Würfel,
Zylinder, Kegel oder Kugeln benutzt werden. Die Breite und Länge des
Knotens wird gewöhnlich
durch die Netzgeographie festgelegt sein. Es wird eine Anzeigeliste
zum Aufbewahren der zum Zeichnen einer Grundpyramide notwendigen
Befehle benutzt. Um die Knoten-Bildzeichen zu zeichnen, werden OpenGL-Modelltransformationsbefehle
zur Abänderung
des Koordinatensystems benutzt, so daß die Pyramide an die richtige
Stelle gesetzt wird, beispielsweise an die Stelle der Landeshauptstadt. Die übrigen Eigenschaften
des Bildzeichens sind frei zum Codieren von Informationen. Eine
nicht erschöpfende
Liste solcher Eigenschaften würde
die Größe (bis
zu drei Parametern wegen der drei Dimensionen), den radialen Abstand
von dem Mittelpunkt der Erdkugel, Farbe, Textur, Reflektivität und andere
Beleuchtungseffekte und Form umfassen. Jedoch könnten gewisse Kombinationen
wirkungsvoller als andere zur Codierung von Informationen sein.
Obwohl beispielsweise durch die Größe drei Datenmerkmale codiert
werden könnten,
ist der typische Betrachter unter Umständen nicht in der Lage, sie
auszuwerten, besonders wenn die Bildzeichen aus verschiedenen Winkeln
betrachtet werden.
-
In der hier beschriebenen und in 8 dargestellten Ausführungsform
ist jeder Knoten durch eine Pyramide dargestellt, deren Höhen- und
Farbeigenschaften durch das Knotenstatistikmerkmal bestimmt werden
und dieses codieren. Der Wert der Knotenstatistik für den aktuellen
angezeigten Rahmen wird aus der Nodedata-Tabelle 600 abgeleitet und zur Berechnung
der Größe und Farbe
der Pyramide benutzt, die mit weiteren OpenGL-Bibliotheksbefehlen eingestellt werden.
Die Anzeigeliste wird dann ausgeführt, um die Pyramide zu erzeugen.
Dies wird für
jeden Knoten wiederholt. So werden in der vorliegenden Ausführungsform
die Farbe und Höhe der
Knoten zur Codierung von Informationen über den Knoten benutzt, insbesondere
der Merkmale der auf diesen Knoten bezogenen Nodedata. So ist in
der 8 der Knoten 808 allgemein
rot und mit einer bestimmten Höhe
dargestellt. Eine der für
Verbindungsdaten benutzten Farbskala 812 ähnliche
Farbskala könnte
dazu benutzt werden, um die Farbe des Knotens mit dem durch die
Farbe codierten Datenmerkmal in Beziehung zu bringen. Im vorliegenden
Beispiel wird durch die Höhe
des Knotens 808 dasselbe Merkmal der Daten wie die Farbe
codiert. Diese optische Darstellung der Knotendaten erleichtert
den Vergleich von Knoten im Display. Beispielsweise ist der Knoten 810 als
allgemein grünfarbig
mit einer geringeren Höhe
als der des Knotens 808 dargestellt. Das zeigt an, daß der Knoten 810 während des
angezeigten Zeitrahmens weniger Verkehr als der Knoten 808 aufweist.
So erlaubt das Codieren der Knotendaten unter Verwendung der Farb-
und Größeneigenschaften
der Pyramide einem Benutzer einen leichten Vergleich der Knotenstatistiken.
-
In einer alternativen Ausführungsform
können
die Positionen von Knoten durch nichtgeographische Mittel bestimmt
werden und so kann die Position eine Eigenschaft sein, mit der Knotendaten
codiert werden. Man betrachte beispielsweise eine Anzeige, die Daten
für von
den US aus getätigte
internationale Rufe zeigt. Diese Daten lassen sich auf ein Netz
reduzieren, wo die Knoten fremde Länder und (möglicherweise z. B. durch Ortskennzahl
zusammengefasste) US-Fernsprechnummern sind. Die Knoten für die Länder würden in
ihrer richtigen geographischen Lage auf die Oberfläche der
Erdkugel 802 gesetzt werden. Die Knoten für die US-Nummern können dann
auf eine Weise positioniert werden, die ihre Anrufmuster reflektiert.
Beispielsweise könnte
der Ort eines eine Telefonnummer darstellenden Knotens durch Minimieren
der gewichteten Verbindungsentfernung zu den vom Benutzer gerufenen
Ländern
unter Verwendung eines Positionierungsverfahrens wie beispielsweise
dem in EP-A-0652 665 beschriebenen bestimmt werden.
-
Man sehe auch Stephen G. Eick und
Graham J. Wills, „Navigating
Large Networks With Hierarchies" (Navigieren
von großen
Netzen mit Hierarchien), Visualization '93 Conference Proceedings, San Jose,
Kalifornien, 25.–29.
Oktober 1993, Seiten 204–210.
-
Durch Verwendung der dritten Dimension können auch
jedem Knoten und jeder Verbindung mehrfache Bildzeichen zugeordnet
werden. Nach der Darstellung in 19 können mehrere
Knoten-Bildzeichen 1902 an einem geographischen Ort (Breite und
Länge) „übereinandergestapelt" werden, indem sie
in unterschiedlichen radialen Entfernungen von der Oberfläche 1904 der
Erdkugel plaziert werden. Jedes dieser Knoten-Bildzeichen 1902 kann
unterschiedliche Knotenstatistiken codieren. Auf ähnliche Weise
können
verschiedene Bogen 1906 zwei Knoten verbinden, wobei die
dritte Dimension zu ihrer Auseinandertrennung dient.
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9. Zeichnen
von Bogen
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Nach der Darstellung in 8 werden in einer Ausführungsform
die Verbindungsstatistiken durch Bogen wie beispielsweise den Bogen 814 dargestellt,
die die Hauptstädte
der Länder
verbinden. Die Bogen berühren
die Erdkugel 802 an jedem Ende und erreichen ihre größte Höhe in der
Mitte. Diese Höhe
wird zur Codierung der Verbindungsstatistik benutzt, wobei größere Höhen größere Werte
darstellen. Die Breite der zum Zeichnen des Bogens benutzten Linie
und die Farbe des Bogens werden ebenfalls zum Codieren dieser Statistik
benutzt. Die Farbskala 812 zeigt die Farbcodierung der
Verbindungen an. Die Verbindungen werden wie folgt gezeichnet.
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Bei der Erzeugung der die Verbindungsstatistiken
codierenden Bogen werden Kugelkoordinaten benutzt. Bezugnehmend
auf 9 besteht jeder Bogen
aus einer Reihe von Liniensegmenten, die eine Anzahl N von Punkten
verbinden. Die Anzahl von Punkten wird durch die Gesamtlänge des
Bogens bestimmt, um eine glatt erscheinende Kurve zu erzeugen. Es
werden zwei unabhängige
Berechnungen durchgeführt.
Mit der ersten Berechnung werden die Koordinaten θ und ϕ der
Punkte und mit der zweiten die Koordinate p bestimmt. Diese Ergebnisse werden
kombiniert und zur Verwendung bei der OpenGL-Graphikbibiliothek
in XYZ-Koordinaten umgewandelt.
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9.1 Berechnung von θ und ϕ
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Die Berechnung von θ und ϕ definiert
den Weg des Bogens über
die Oberfläche
der Erdkugel. In der 9 ist
die Oberfläche
der Erdkugel als der schattierte Bereich 910 dargestellt.
In 10A, 10B und 10C sind
verschiedene Arten dieser Wege auf zweidimensionalen Landkarten
dargestellt. Jede dieser drei Landkarten zeigt ein Wegberechnungsverfahren
mit der Darstellung von Wegen von Großbritannien zu den Vereinigten
Staaten, Australien, Indien und Südafrika. Bei den Landkarten
kommt ein rechtwinkliges Koordinatensystem zur Verwendung, das heißt, eines,
bei dem die X-Koordinate
des Punkts die Länge
und die Y-Koordinate die Breite ist.
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10A zeigt
Wege, die auf dem zum Zeichnen der Landkarten benutzten rechtwinkligen
Koordinatensystem basieren. Auf der zweidimensionalen Landkarte
sind die Wege natürlich
gerade Linien. Die Koordinaten von Punkten auf diesen Wegen sind
bei gegebenen Koordinaten der Endpunkte besonders leicht zu erzeugen.
Mit diesem Projektionssystem rechtwinkliger Koordinaten wird die
in 8 dargestellte Art
von Anzeige erzeugt.
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Die Landkarte in der
10B zeigt Wege, die auf dem Mercator-Koordinatensystem
basieren, das gewöhnlich
für Wandkarten
benutzt wird. Die X-Koordinate eines Punkts ist proportional zur
Länge,
während
die Y-Koordinate proportional zu
ist.
Diese Wege würden
auf der Mercatorprojektion gerade Linien sein. Auf der in
10B gezeigten Projektion
sind sie beinahe gerade Linien.
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Die Landkarte in der 10C zeigt Wege, die auf einer auf einem
der Endpunkte des Weges zentrierten Polarprojektion basieren. Die
Linien entsprechen Großkreisen
auf der Erdkugel. So nimmt jeder Bogen den kürzesten Weg zum anderen Endpunkt
ein. Mit diesem Großkreis-Projektionssystem wird
die in 11 gezeigte Art
von Anzeige erzeugt.
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9.2 Berechnung von ρ
-
Die Berechnung von ρ bestimmt
die Entfernung jedes Punktes auf dem Bogen vom Mittelpunkt der Erdkugel
und bestimmt damit indirekt die Höhe jedes Punktes über der
Oberfläche
der Erdkugel. Wie bei der Berechnung von θ und ϕ läßt sich ρ auf verschiedene
Weisen berechnen. Ein Verfahren zur Berechnung von ρ, mit dem
ein Verbindungsmerkmal codiert wird, ist das folgende.
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Wie oben besprochen, sind die Verbindungsmerkmale
in einer Ausführungsform
in der Linkdata-Tabelle 500 gespeichert. Wenn das System
die Verbindung zwischen Knoten i und j während des Zeitrahmens f zeichnet,
wird das Verbindungsmerkmal bei Linkdata[f][i][j] gelesen. Dieses
Merkmal wird dann so normiert, daß es zwischen 0,0 und 1,0 liegt. Dies
wird durch eine lineare Skalierung erreicht, so daß das niedrigste
Verbindungsmerkmal (d. h. der Mindestwert, der wo immer in Linkdata
erscheint) auf 0,0 und das höchste
Verbindungsmerkmal auf 1,0 skaliert wird. Dieses Verbindungsmerkmal
wird durch Multiplizieren mit einer entsprechenden Konstante in die
gewünschte
maximale Höhe
H umgewandelt.
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Wieder auf 9 Bezug nehmend weist jeder Bogen N +
1 Punkte auf, die von 0 bis N durchnumeriert sind. Bei Punkten 0
und N ist p = KugelRad; bei Punkt N/2 ist ρ = KugelRad + H und die ρ-Koordinate
für die
anderen Punkte variiert stufenlos zwischen diesen zwei Werten. Dies
kann durch Berechnen von ρ[i]
(ρ des i-ten
Punkts) mit einer Formel wie: ρ[i] = KugelRad
+ H*f(i)durchgeführt
werden, wobei f eine Funktion ist, die 0 bei 0 und N, 1 bei N/2
ist und wie gewünscht
variiert. Für
f können
viele Funktionen benutzt werden. In der gegenwärtigen Ausführungsform ist die Funktion
f sin(pi*i/N). Dies ist die zur Erzeugung der in 8 und 11 gezeigten
Bogen benutzte Funktion. Ein gleichwertiges Verfahren zur Berechnung
der ρ-Koordinaten besteht
darin, einen radialen Höhenparameter
ht zu definieren, der eine Höhe
relativ zum Radius der Kugel ist, anstelle des Parameters H, der eine
absolute Höhe über der
Oberfläche
der Kugel ist. Durch Verwendung dieses radialen Höhenparameters
ht wird die obige Gleichung in: ρ[i] = KugelRad*(1,0
+ ht*sin(pi*i/N))abgeändert.
Durch Verwendung der relativen Höhe ht
werden einige Aspekte der Auslegung vereinfacht. Beispielsweise
wird durch Begrenzung der relativen Höhe sichergestellt, daß die Bogen
niemals das Raumvolumen verlassen, das in dem Bild sichtbar ist.
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Man kann Bogen unter der Oberfläche der Erdkugel
darstellen, indem man zuläßt, daß die obigen
Berechnungen kleinere ρ-Werte
als der Kugelradius erzeugen. In einem solchen Fall liegen die Bogen
teilweise oder ganz innerhalb der Erdkugel. Dies kann wirksam zur
Codierung von negativen Merkmalwerten benutzt werden. In beiden
Gleichungen für ρ[i] oben
ergibt ein unter 0 liegender Wert von H oder von ht einen Bogen,
der unter der Oberfläche
der Erdkugel liegt. Wenn Bogen unter der Oberfläche anzuzeigen sind, dann muß die Erdkugel
durchsichtig sein, so daß die
Bogen noch sichtbar sind. 12 zeigt
eine solche Anzeige, wobei die Verbindungen als gerade Linien bei
einer durchsichtigen Erdkugel einen Weg unter der Oberfläche der
Erdkugel verfolgen. Zusätzlich
werden die vom Betrachter weiter entfernt gelegenen Bogen unter
Verwendung von Nebeleffekten verdunkelt. Dies ist ein Tiefenorientierungseffekt,
der weiter entfernt gelegene Objekte dunkler erscheinen läßt und daher
die dreidimensionale Struktur deutlicher macht.
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Auch ist es möglich, die Längen der
Bogen durch Verwendung eines Linienverkürzungsschiebers nach der Beschreibung
in US-Patent Nr. 5,136,690 mit dem Titel Dynamic Graphical Analysis of
Network Data (Dynamische graphische Analyse von Netzdaten) abzuändern.
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Zur Codierung von Verbindungsdaten
können
auch andere Bogeneigenschaften als Farbe, Höhe und Breite benutzt werden.
Beispielsweise könnte
der bestimmte gewählte
Weg zur Codierung von Daten benutzt werden. In Abhängigkeit
von den Verbindungsdaten könnte
ein rechtwinkliger, Mercator- oder Großkreis-Weg gewählt werden.
Kontinuierliche Größen könnten durch
Ablenkungen seitlich des Grundweges codiert werden. Ein zusätzliches Verfahren
wäre die
Benutzung einer anderen Funktion f in Abhängigkeit von irgendeinem Verbindungsmerkmal.
Weiterhin können
die Endpunkte der Bogen in einer Höhe über der Oberfläche der
Erdkugel angezeigt werden. Andere Bogeneigenschaften, mit denen
Daten codiert werden können,
sind Form, Textur, Reflektivität
und sonstige Beleuchtungsverfahren. Wie jedoch oben in Verbindung
mit Knoteneigenschaften besprochen, sind Benutzer unter Umständen nicht
in der Lage, Daten wirksam wahrzunehmen, die unter Verwendung einiger
dieser Verfahren codiert sind, besonders bei vielen Wegen und möglichen
Orientierungen.
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10. Schwellwertbildungsverfahren
-
Schwellwertbildung bezieht sich auf
Verfahren zur Vereinfachung der Anzeige durch Entfernung einiger
Bildzeichen, gewöhnlich
unter der Kontrolle des Benutzers. Die dreidimensionale Anzeige
ermöglicht
neuartige Arten von Schwellwertbildung. Ein Schwellwertbildungseffekt
wird durch Verwendung einer Beschneidungsfläche erreicht. Dies ist ein
graphisches Objekt, das durch das dreidimensionale Bild bewegt wird
und Teile der Graphiken verdeckt. Die Beschneidungsfläche kann
lichtundurchlässig oder durchlässig sein.
Der Benutzer kann in der Lage sein, den Durchlässigkeitsgrad der Oberfläche zu regeln.
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Wenn die zum Zeichnen der Erdkugel
benutzte Kugel lichtundurchlässig
ist, verdeckt sie alle Bogen oder sonstigen Bildzeichen, die in
ihr liegen. Wenn dies mit dialogfähigen Reglern gekoppelt ist, die
dem Benutzer die Abänderung
der Art und Weise, auf die die Bogenwege erzeugt werden, ermöglichen, kann
damit die Erdkugel als Beschneidungsfläche benutzt werden. Diese Verwendung
der Erdkugel als Beschneidungsfläche
ist in 13A–13D dargestellt. Der schattierte
Bereich 1302 in den 13A–13C stellt eine Scheibe der
Erdkugel dar. Es sind zwei Knoten, der Knoten 1304 und
der Knoten 1306, dargestellt. In 13A–13C sind die Bogen 1310 bis 1315 als
den Knoten 1304 mit dem Knoten 1306 verbindend
dargestellt, wobei die Höhe über der
Oberfläche
einen beliebigen Merkmalwert codiert. Angenommen, die Merkmalwerte
sind normiert, um Werte zwischen 0 und 1 zu enthalten; der höchste Bogen 1315 entspricht
dann einem codierten Merkmalwert von 1,0 und der niedrigste Bogen 1310 entspricht
einem codierten Merkmalwert von 0,0 und die anderen Bogen 1311, 1312, 1313 und 1314 liegen
zwischen diesen Werten verteilt.
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Auch zeigen die 13A–13C einen vom Benutzer konfigurierbaren
dialogfähigen
Schieber 1320 mit einem Schieberanzeiger 1322, über den
der Benutzer die Erzeugung der Bogen manipulieren kann. Mit dem
Schieber 1320 wird die Art und Weise gesteuert, auf die
die Merkmalwerte in die maximale Höhe der Bogen transformiert
werden. Mit dem Schieber wird der Bereich von Ausgabehöhen bestimmt,
in die die (zwischen 0 und 1 liegenden) Eingabe-Merkmalwerte transformiert
werden. Die Ausgabehöhen
fallen zwischen zwei Werte: MINH und MAXH. Dies ist in 13D dargestellt. Die horizontale
Achse des Diagramms stellt die Schieberposition dar, während die
senkrechte Achse der Ausgabe-Höhenwert
ist. Die durchgezogene Linie 1350 zeigt den von einem Eingabe-Merkmalwert
von 0,0 erzeugten Ausgabe-Höhenwert,
während
die gestrichelte Linie 1352 den von einem Eingabe-Merkmalwert
von 1,0 erzeugten Ausgabe-Höhenwert
zeigt.
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An der am weitesten links gelegenen
Stelle 1354 des Schiebers betragen die Mindest- und Höchst-Ausgabehöhen beide
MINH. Wenn der Schieber nach rechts verschoben wird, bleibt die
Mindest-Ausgabehöhe
auf MINH und die Höchst-Ausgabehöhe steigt
ständig
an, bis die Mindest-Ausgabehöhe an der
Schieber-Mittelstellung 1356 MINH und die Höchst-Ausgabehöhe MAXH
ist. Eine weitere Bewegung des Schiebers nach rechts bewirkt einen
Anstieg der Mindest-Ausgabehöhe,
während
die Höchst-Ausgabehöhe auf MAXH
bleibt. An der am weitesten rechts gelegenen Stellung 1358 des
Schiebers betragen sowohl Mindest- als auch Höchst-Ausgabehöhe MAXH.
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Als Beispiel dieser Berechnung nehme
man an, daß die
Schieberstellung wie durch Linie 1360 angezeigt eingestellt
ist. Die Schiebereinstellung liegt etwas rechts von der Mittelstellung 1356.
Ein Eingabewert von 0,0 erzeugt wie durch den Schnittpunkt der Linie 1350 und
Linie 1360 am Punkt 1362 angedeutet eine Ausgabehöhe, die
etwas über
MINH liegt. Ein Ausgabewert von 1,0 erzeugt wie durch den Schnittpunkt
von Linien 1352 und Linie 1360 am Punkt 1364 angedeutet
eine Ausgabehöhe
von MAXH. Dazwischenliegende Eingabewerte lassen sich linear in
den Bereich von Ausgabewerten umsetzen.
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So befindet sich beispielsweise in
der 13A der Schieberanzeiger 1322 etwa
ein Viertel des Weges entlang seines Bereichs. Nur einer der sechs
Bogen, der Bogen 1315, liegt über dem schattierten Bereich 1302,
womit dargestellt wird, daß nur der
Bogen 1315 über
der Oberfläche
der Erdkugel sichtbar sein würde.
In der 13B befindet
sich der Schieberanzeiger 1322 in der Nähe des Mittelpunkts seines
Bereichs und drei der sechs Bogen 1315, 1314 und 1313 liegen über dem
schattierten Bereich 1302 und würden daher über der Oberfläche der
Erdkugel sichtbar sein. In der 13C befindet
sich der Schieberanzeiger 1322 weiter rechts und alle Bogen 1310 bis 1315 liegen über dem
schattierten Bereich 1302 und würden daher über der Oberfläche der
Erdkugel sichtbar sein. Für
den Benutzer besteht die Wirkung des Manipulierens des Schiebers 1320 darin,
daß sich
die Bogen nach oben und unten bewegen und sichtbar oder verdeckt
werden.
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Eine weitere Art von Beschneidungsfläche ist
eine Beschneidungsebene, die der Benutzer willkürlich ausrichten könnte (z.
B. entlang bestimmter Breitenoder Längenlinien). Die Ebene würde alles, was
hinter ihr liegt, verdecken. Es ist wünschenswert, eine derartige
Beschneidungsfläche
so zu konstruieren, daß sie
nicht die Erdkugel verdeckt.
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Auch können andere Schwellwertbildungsverfahren
in die dreidimensionale Anzeige eingebaut werden. Beispielsweise
können
durch Verwendung der bei Becker et al., US-Patent Nr. 5,136,690,
Dynamic Graphical Analysis of Network Data; und Richard A. Becker
und Stephen G. Eick, „Visualizing
Network Data" (Visualisierung
von Netzdaten), IEEE Transactions on Visualization and Graphics,
Band 1, Nr. 1, 1995, Seiten 16–28
beschriebenen Schwellwertbildungsverfahren sowohl Verbindungen als
auch Knoten auf Grundlage des Verbindungsmerkmals ausgewählt werden.
-
11. Programmablauf
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14 zeigt
den Gesamtablauf der Steuerung für
den Anwendungsprogrammcode und die Bibliotheken. Im Schritt 1402 werden
Dateien gelesen und die Netztabellen Nodes 400, Linkdata 500 und Nodedata 600 initialisiert.
Im Schritt 1404 werden das G1obeViewer-Objekt 302,
GlobeDrawer-Objekt 308 und Scale-Objekt 306 erstellt.
-
Der Anwendungscode ruft dann die
Ereignisschleifenfunktion des Fensterbildungssystems im Schritt 1406 auf
und übergibt
die Steuerung dem Fensterbildungssystem 210. Diese Funktion
kommt nie zurück.
Die einzige Weise, auf die Steuerung zum Anwendungscode 202 zurückkehrt,
besteht über
die den Objekten zugeordneten Rückruffunktionen.
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Der erste dieser Rückrufe,
der durchzuführen
ist, tritt dann ein, wenn die Hauptschleifenfunktion des Fensterbildungssystems
ihre eigene Initialisierung durchführt, wodurch die Objekte des
Fensterbildungssystems initialisiert werden und das Fenster 310 auf
dem Anzeigemonitor 102 erscheint. Dadurch wird wiederum
die Rückruffunktion
OnWindowCreate jedes Anwendungscodeobjekts wie durch Schritt 1408 dargestellt
aufgerufen. Das einzige Objekt mit einer Funktion OnWindowCreate
ist das GlobeDrawer-Objekt 308,
dessen Aktionen unten beschrieben werden.
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Wenn das Fenster 310 erscheint,
tritt das Fensterbildungssystem 210 im Schritt 1410 in
seine Ereignisschleife ein. In dieser Schleife empfängt und verarbeitet
es Benutzereingabe in der Form von Ereignissen. Bei der gegenwärtigen Ausführungsform interessieren
vier Ereignisse. Im Schritt 1412 wird das Benutzereingabeereignis
empfangen. Im Schritt 1414 wird bestimmt, ob das Ereignis
ein Fenster-Löschereignis
ist, das getriggert wird, wenn der Benutzer das Fenster 310 schließt. Wenn
das Ereignis ein Fenster-Löschereignis
ist, dann steigt das Programm im Schritt 1422 aus. Im Schritt 1416 wird
bestimmt, ob das Ereignis ein Bereich-Freilegen-Ereignis ist, das
ein Neuzeichnen des Bildes erfordert. Wenn das Ereignis ein Bereich-Freilegen-Ereignis
ist, dann wird im Schritt 1424 eine Rückruffunktion DoExpose des Anwendungsobjekts
aufgerufen. Im Schritt 1418 wird bestimmt, ob das Ereignis
eine Maushandlung ist. Wenn das Ereignis eine Maushandlung ist,
dann wird im Schritt 1426 eine Rückruffunktion DoMouse des Anwendungsobjekts
aufgerufen. Im Schritt 1420 wird bestimmt, ob das Ereignis
ein Zeitablauf ist. Wenn das Ereignis ein Zeitablauf ist, dann wird
im Schritt 1428 eine Zeitablauffunktion aufgerufen.
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In 15 ist
die Zeitablauffunktion dargestellt und wird in Verbindung mit dem
Animationsaspekt der vorliegenden Ausführungsform benutzt. Die Anzeige
kann animiert werden, um auf unterschiedliche Zeitrahmen bezogene
Anzeigedaten sequentiell anzuzeigen. In die Zeitablauffunktion wird
im Schritt 1502 eingestiegen. Wenn sie aufgerufen wird,
wird im Schritt 1504 die aktuelle Rahmennummer (d. h. welche
Scheibe der Zeitreihendaten anzuzeigen ist) erhöht. Dadurch wird das angezeigte
Bild geändert, so
daß im
Schritt 1506 die Funktion DoExpose von GlobeDrawer aufgerufen
wird, um das Neuzeichnen zu bewirken. Im Schritt 1508 wird
bestimmt, ob sich das Programm im Abspielmodus befindet. Dies wird durch Überprüfen eines
Kennzeichens bestimmt, das anzeigt, ob Animation durchgeführt wird.
Wenn sich das Programm im Abspielmodus befindet, dann wird im Schritt 1510 ein
neuer Zeitablauf vorgegeben. Die Steuerung wird im Schritt 1512 zurückgegeben.
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16 zeigt
die Rückruffunktion
OnWindowCreate. In die Funktion wird im Schritt 1602 eingestiegen.
Diese Funktion initialisiert zuerst eine Anzahl von OpenGL-Parametern im Schritt 1604.
In der in 8 dargestellten
Ausführungsform
sind dies die Löschfarbe,
die Z-Puffer-Konfiguration und die Beleuchtungskonfiguration. (Der
auch Tiefenpuffer genannte Z-Puffer ist ein Verfahren in OpenGL
zur Durchführung
der Beseitigung einer verborgenen Oberfläche.) Im Schritt 1606 wird
eine oder werden mehrere Anzeigelisten erstellt, mit denen die Landkarte
auf die Erdkugel gezeichnet wird. In der vorliegenden Ausführungsform,
wo die Landkarte als eine Reihe von die Kontinente darstellenden
Linien wiedergegeben wird, werden diese Listen durch die Funktion
MakeLists erstellt, die auf eine die Koordinaten der Linien enthaltende
geographische Datenbank zugreift. Eine eine Kugel enthaltende Anzeigeliste
(d. h. Befehle, die das Zeichnen einer Kugel bewirken) und eine
andere, eine Pyramide enthaltende Liste werden in Schritt 1608 erstellt.
Im Schritt 1610 kehrt die Funktion zurück.
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17 zeigt
die Rückruffunktion
DoExpose. In die Funktion wird im Schritt 1702 eingestiegen. Diese
Funktion löscht
zuerst den Rahmenpuffer (das Bild), indem sie es im Schritt 1704 auf
Schwarz setzt. Im Schritt 1706 wird die Betrachtungsprojektion
und Beleuchtung durch Verwendung von OpenGL-Befehlen zum Initialisieren
mehrerer Matrizen, die Punkte im dreidimensionalen Raum in den Bereich
des GlobeDrawer-Objekts 308 des
Bildschirms 314 transformieren, eingerichtet. Dann wird
die Kugel und die kontinentalen Umrisse durch Aufrufen der Anzeigelisten
im Schritt 1708 gezeichnet. Im Schritt 1710 werden
die Knoten gezeichnet, indem eine entsprechend skalierte und gefärbte Pyramide
an jeden Knotenort gesetzt wird. Dann werden im Schritt 1712 die
Bogen gezeichnet. Schritte 1704 bis 1712 werden in
doppelt gepuffertem Modus ausgeführt.
Im doppelt gepufferten Modus gibt es in Wirklichkeit zwei Bilder im
System. Der Benutzer sieht eines der Bilder, während das andere erstellt wird.
Im Schritt 1714 werden die Puffer ausgetauscht, um das
neue Bild aufzudecken. Die Funktion kehrt im Schritt 1716 zurück.
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18 zeigt
die Rückruffunktion
DoMouse. In die Funktion wird im Schritt 1802 eingestiegen.
Im Schritt 1804 wird bestimmt, ob der Benutzer den rechten
Mausknopf 109 angeklickt hat. Mit dem rechten Mausknopf 109 wird
der Abspielmodus ein- oder ausgeschaltet. Wenn der rechte Mausknopf 109 angeklickt
worden war, dann wird im Schritt 1810 bestimmt, ob sich
das System gegenwärtig
im Abspielmodus befindet. Wenn nicht, dann wird im Schritt 1812 Abspielmodus
eingeschaltet, im Schritt 1820 ein Zeitablauf vorgegeben
und im Schritt 1808 kehrt die Funktion zurück. Wenn
sich das System im Abspielmodus befand, dann wird im Schritt 1818 Abspielmodus
ausgeschaltet und die Funktion kehrt im Schritt 1808 zurück. Wenn
im Schritt 1804 bestimmt wurde, daß der rechte Mausknopf 109 nicht
angeklickt worden war, dann wird im Schritt 1806 bestimmt,
ob der Benutzer den linken Mausknopf 107 angeklickt hat.
Zur Berechnung eines neuen Betrachtungspunkts werden Handlungen
mit dem gedrückt gehaltenen
linken Mausknopf 107 benutzt. Wenn der linke Mausknopf 107 gedrückt ist,
dann wird im Schritt 1814 θ und ϕ eines neuen
Betrachtungspunkts berechnet und die Anzeige wird durch Aufrufen
der Funktion DoExpose von GlobeDrawer im Schritt 1816 aktualisiert.
Im Schritt 1808 kehrt die Funktion zurück.
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12. Schlußfolgerung
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Es wird darauf hingewiesen, daß die obige ausführliche
Beschreibung in jeder Hinsicht darstellend und beispielhaft, aber
nicht einschränkend
sein soll und der Rahmen der hier offenbarten Erfindung nicht aus
der ausführlichen
Beschreibung bestimmt werden sollte, sondern aus den Ansprüchen, sowie sie
in ihrem vollen, von den Patentgesetzen erlaubten Umfang interpretiert
werden. Es wird darauf hingewiesen, daß die hier dargestellten und
beschriebenen Ausführungsformen
nur für
die Grundsätze
der vorliegenden Erfindung beispielhaft sind und daß vom Fachmann
verschiedene Abänderungen
implementiert werden können,
ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu weichen. Beispielsweise ist
die Erfindung beschrieben worden, daß sie eine Erdkugel als Grundlage
zur Anzeige von Netzdaten benutzt. Andere dreidimensionale Strukturen
können
jedoch zur Anzeige von Netzen benutzt werden. Beispielsweise kann
zur Anzeige der Erde in einer Ebene eine Mercator- oder sonstige
ebene Projektion benutzt werden und die Netz- Bildzeichen können in dem Raum oberhalb dieser
Ebene angeordnet werden; oder eine solche Projektion kann auf der
Oberfläche
eines Zylinders angezeigt werden und die Bildzeichen können im
Raum außerhalb
des Zylinders angeordnet werden. Zusätzlich können andere Verfahren in die dreidimensionale
Anzeige eingebaut werden, die neuartige Informationsanzeigeverfahren
ergeben. Beispielsweise Regler zum Abändern der Verbindungs- und
Knotenfarben; zum Auswählen
von Verbindungen und Knoten auf Grundlage des Verbindungsmerkmals;
zum Ändern
der Art und Weise, auf die Verbindungen und Knoten gezeichnet werden, wie
beispielsweise durch Verwendung eines Linienverkürzungsschiebers; zum Wählen eines
bestimmten Datenrahmens zur Untersuchung; und zum Auswählen oder
Abwählen
von Knoten und Verbindungen und dadurch zum Bewirken, daß sie angezeigt bzw.
nicht angezeigt werden. Derartige Abänderungen könnten leicht durch einen Fachmann
implementiert werden.
