MÔ HÌNH BIỂU DIỄN TRỰC QUAN DỮ LIỆU KHÔNG GIAN – THỜI GIAN ĐA BIẾN. TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THƠNG TIN NGUYỄN THỊ HỒNG MƠ HÌNH BIỂU DIỄN TRỰC QUAN DỮ LIỆU KHÔNG GIAN – THỜI GIAN ĐA BIẾN Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số: 62.48.01.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NĂM 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Công nghệ Thông tin – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Vĩnh Phước Phản biện 1: PGS TS Trần Cơng Hùng Phản biện 2: PGS TS Lê Hồng Thái Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại: Phòng A16, Trường Đại học Công nghệ Thông tin ĐHQG-TPHCM, vào lúc … ngày …tháng … năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Công nghệ Thông tin – ĐHQG – HCM - Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 TRỰC QUAN HĨA 1.1.1 Trình bày trực quan Con người có khả cảm nhận thơng tin từ hình ảnh tốt nhiều khả cảm nhận thông tin từ tiếng nói chữ viết Thật vậy, người so sánh bảng liệu để rút kết luận phương pháp toán học; người so sánh đồ thị để rút kết luận cách nhìn – hiểu Đồ họa có ý nghĩa đặc biệt nhờ có chức lưu trữ nên sử dụng cơng cụ nghiên cứu Đồ họa trình bày hay đồ họa mô tả nhiều nhà khoa học khảo sát trực quan hóa trình bày, hay trực quan hóa mơ tả, cách trình bày, mơ tả kỹ thuật đồ họa Đồ họa trình bày hay đồ họa mô tả sử dụng ngôn ngữ hình vẽ để thể hình dạng, tính chất, ý nghĩa nguồn vào Đồ họa trình bày trọng nhiều đến cách hiển thị thân thiện người dùng, tính mỹ thuật hình vẽ, tính chất thu hút ý người dùng vào nội dung đặc biệt Đồ họa trình bày sử dụng lĩnh vực khoa học để mơ tả thí nghiệm, tượng tự nhiên, v.v gọi trực quan hóa khoa học Trực quan hóa sử dụng lĩnh vực khoa học gọi trực quan hóa khoa học (scientific visualization) Trực quan hóa khoa học sử dụng kỹ thuật đồ họa để mô tả tượng khoa học Trong nghiên cứu khoa học, hình vẽ dùng để minh họa, giải thích, suy diễn tượng khoa học, để hướng dẫn nghiên cứu (Hình 1.1) Trực quan hóa khoa học phần trình nghiên cứu, nhà khoa học sử dụng hình vẽ để mơ tả cụ thể chất tượng trừu tượng nghiên cứu Hình 1.1: Minh họa trực quan hóa khoa học 1.1.2 Trực quan hóa liệu Những năm gần đây, bùng nổ nguồn liệu nhu cầu khai phá tri thức từ liệu, trực quan hóa liệu phát triển theo tốc độ nhanh hàm mũ Những đồ thị trực quan hướng đến hỗ trợ người dùng phân tích liệu phương pháp nhìn – hiểu Trực quan hóa liệu tiến trình tạo hình ảnh biểu diễn tập liệu, định tính và/hoặc định lượng, mà người xem trích xuất thơng tin, khai phá tri thức, truyền thơng Do đó, đồ thị trực quan phải dễ đọc người nhìn đóng góp tích cực vào việc trích xuất thơng tin, khai phá tri thức, truyền thông 1.1.3 Hệ thống trực quan hóa liệu Nhằm mục đích hỗ trợ khai phá tri thức từ tập liệu tĩnh nhiều biến, luận án tiếp cận hệ thống trực quan hóa hệ thống kết nối liệu với thông tin và/hoặc tri thức Hệ thống gồm hợp phần chính, kỹ thuật trực quan xây dựng máy tính cảm nhận trực quan người (Hình 1.2) Thơng tin / Tri thức Hệ thống trực quan hóa Kỹ thuật trực quan Cảm nhận trực quan 13 Người Máy tính Hình 1.2: Hệ thống trực quan hóa kết nối liệu với thơng tin / tri thức 1.1.4 Thách thức khoa học Khoa học trực quan hóa kết hợp tri thức sẵn có người với khả hỗ trợ máy tính kỹ thuật đồ họa giải pháp cho nhu cầu trích xuất thơng tin, khai phá tri thức từ liệu 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu luận án xây dựng khung trực quan hóa mơ hình khối nhiều chiều để biểu diễn trực quan liệu phi không gian nhiều biến, liệu không gian – thời gian nhiều biến, liệu di chuyển nhiều biến, liệu bay nhiều biến đáp ứng tính chất cảm nhận thị giác người 1.3 CÂU HỎI NGHIÊN CỨU Luận án tiếp cận đặc điểm liệu kết hợp với nguyên lý cảm nhận thị giác người để xây dựng khung trực quan hóa mơ hình khối nhiều chiều biểu diễn liệu nhiều biến để giải ba câu hỏi nghiên cứu sau: Câu hỏi nghiên cứu 1: Làm biểu diễn nhiều biến liệu môi trường hiển thị 2D? Câu hỏi nghiên cứu 2: Làm hiển thị đồ thị nhiều chiều có tính chất trực quan người dùng mong muốn? Câu hỏi nghiên cứu 3: Làm khắc phục hạn chế kích thước độ phân giải mơi trường hiển thị 2D? 1.4 PHƯƠNG PHÁP LUẬN 1.4.1 Phương pháp tổng thể Luận án áp dụng nguyên lý Gestalt: ‘tổng thể nhiều tổng cộng thành phần’ để đề xuất phương pháp biểu diễn trực quan liệu nhiều biến khối nhiều chiều 1.4.2 Phương pháp chia-để-trị (divide-and-conquer) 1.4.3 Phương pháp kết hợp 1.4.4 Phương pháp khái quát hóa 1.4.5 Phương pháp hợp tác người-máy 1.4.6 Phương pháp cấu trúc 1.4.7 Phương pháp đồ họa máy tính 1.4.8 Phương pháp hình học 1.4.9 Phương pháp đại số 1.5 BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Luận án cấu trúc thành chương sau: - Chương một: giới thiệu tổng quát luận án - Chương hai: trực quan hóa liệu: tiếp cận có tính hệ thống - Chương ba: khối nhiều chiều biểu diễn trực quan liệu - Chương bốn: khung trực quan hóa - Chương năm: tóm tắt đóng góp khoa học Chương 2: TRỰC QUAN HÓA DỮ LIỆU: TIẾP CẬN CĨ TÍNH HỆ THỐNG (Data Visualization: Systematic Approach) 2.1 TRỰC QUAN HĨA DỮ LIỆU 2.1.1 Khái niệm Trực quan hóa liệu khơng hỗ trợ người dùng trích xuất thơng tin, ý nghĩa liệu, mà cịn hỗ trợ phân tích liệu, khuếch đại tri thức Trực quan hóa liệu cịn phối hợp với phương pháp mơ hình phân tích liệu để xây dựng mơ hình tốn để phát tri thức, qui luật (Hình 2.1) Mơ hình tốn Tri thức Dữ liệu Trực quan hóa Hình 2.1: Trực quan hóa phối hợp với mơ hình tốn 2.1.2 Trực quan hóa liệu khuếch đại tri thức Tri thức Dữ liệu Ánh xạ trực quan Đồ thị trực quan Nhìn-hiểu Hình 2.2: Trực quan hóa liệu khuếch đại tri thức người thơng qua khả cách nhìn – hiểu đồ thị trực quan người dùng Khai phá tri thức trực quan hóa gồm giai đoạn, kỹ thuật trực quan ánh xạ liệu thành đồ thị trực quan cảm nhận trực quan cách nhìn – hiểu (Hình 2.2) 2.1.3 Trực quan hóa hỗ trợ tri thức người Tiếp cận trực quan hóa hỗ trợ hiểu biết người giới thực (Hình 2.3) Nhận thức giới thực tiến trình trừu tượng hóa dần từ giới thực cụ thể đến tri thức trừu tượng Thơng tin Phân tích trực quan Biểu đồ Trực quan hóa Dữ liệu cấu trúc Dữ liệu Kỹ thuật Sự trừu tượng tăng dần tiến trình nhận thức giới thực Tri thức Con người Tiến trình nhận thức giới thực với đóng góp trực quan hóa Xử lý liệu Dữ liệu thơ Trực quan hóa làm gia tăng tính trửu tượng tiến trình nhận thức giới thực Tiến trình nhận thức giới thực cách tự nhiên Thế giới thực Hình 2.3: Trực quan hóa hỗ trợ hiểu biết người giới thực 2.1.4 Nâng cấp nhận thức người tương ứng với nâng cấp giá trị liệu Nâng cấp giá trị liệu Nâng cấp hiểu biết người Qui luật Khái quát Khái quát Tri thức Hiểu Phân tích Nhận biết Thông tin Xử lý Dữ liệu Không biết Thu thập Thế giới thực Hình 2.4: Tiến trình nâng cấp hiểu biết người tương ứng với tiến trình nâng cấp giá trị liệu 2.1.5 Đặc điểm trực quan hóa khuếch đại tri thức Trực quan hóa giúp người hợp tác với máy tính sở tri thức sẵn có người để nhận biết hiểu biết nhiều hơn, nhanh giới thực cách biến đổi liệu thành thông tin mới, tri thức 2.2 NGUYÊN LÝ CẢM THỤ THÔNG TIN BẰNG THỊ GIÁC 2.2.1 Hệ thống cảm thụ trực quan Con người cảm thụ thực thể cách tiếp nhận ánh sáng vật phát ánh sáng phản chiếu từ nguồn sáng khác Những tia sáng vào mắt tiếp nhận tế bào hình que tế bào hình nón (Hình 2.5) Hình 2.5: Hệ cảm thụ trực quan 2.2.2 Nguyên lý Gestalt Nguyên lý Gestalt đề xướng thập niên 1920 ba nhà tâm lý học người Đức Wertheimer, Koffka, Kohler đúc kết cơng trình nghiên cứu đặc tính cảm nhận thị giác người Nguyên lý Gestalt gọi luật thị giác Gestalt phát biểu sau “Tổng thể nhiều tổng cộng hợp phần” 2.2.3 Nhìn – hiểu Lý thuyết Gestalt cho người hiểu biết tổng thể từ tri thức phần mà hiểu biết phần từ tri thức tổng thể, nghĩa tri thức tổng thể nhiều tổng cộng tri thức thành phần 2.3 ÁNH XẠ TRỰC QUAN Ánh xạ trực quan tiến trình biến đổi liệu thành đồ thị tương thích với tính chất liệu, biến liệu quan hệ biến liệu 2.4 TÍNH CHẤT CỦA ĐỒ THỊ TRỰC QUAN Các nghiên cứu xác định biến trực quan gồm biến phẳng sáu biến thị giác mà người thiết kế khung trực quan hóa liệu áp dụng cách đánh giá đồ thị trực quan dựa tính chất phối hợp, chọn lọc, thứ tự, định lượng, tầm giá trị 2.5 PHÂN TÍCH TRỰC QUAN Phân tích trực quan tiến trình khai thác liệu, trích xuất thơng tin, phát tri thức cách tương tác với hình ảnh, đồ thị biểu diễn trực quan liệu máy tính Phân tích liệu qui trình lặp gồm bước sau: - Bước 1: hình thành câu hỏi; Bước 2: lựa chọn phương pháp phân tích; Bước 3: chuẩn bị liệu để áp dụng phương pháp; Bước 4: áp dụng phương pháp cho liệu; Bước 5: giải thích đánh giá kết đạt What Where When Hình 2.6: Tam giác 3W gồm đỉnh What-When-Where Căn vào mức độ liên quan câu hỏi với biến giá trị biến, Bertin chia câu hỏi phân tích thành mức, mức sơ cấp (elementary level), mức trung gian (intermediate level), mức toàn thể (overall or global level) Trong đó, câu hỏi mức sơ cấp liên quan đến giá trị biến đó, câu hỏi mức trung gian liên quan đến nhóm giá trị biến đó, câu hỏi mức toàn thể liên quan đến tất giá trị biến Trong đó, Andrienko phân loại câu hỏi phân tích thành mức, câu hỏi sơ cấp (elementary questions) giống định nghĩa Bertin câu hỏi khác (synoptic questions) Luận án tiếp cận cách sử dụng liệu biến liệu để trả lời câu hỏi cho mục tiêu trích xuất thơng tin tìm kiếm tri thức để đề xuất cách phân loại câu hỏi phân tích thành nhóm, câu hỏi sơ cấp (elementary questions), câu hỏi biến thiên (variation questions), câu hỏi tương quan (correlation questions) Câu hỏi sơ cấp xử lý giá trị biến liệu Với nguyên lý cho thời điểm, đối tượng tồn tại vị trí vị trí, Peuquet đề xuất tam giác What-When-Where (Hình 2.6) Tam giác What-When-Where tiếp cận quan trọng để đặt trả lời câu hỏi sơ cấp 2.6 TRƯỜNG VÀ ĐỐI TƯỢNG 2.6.1 Khái niệm Trường địa lý: Trường địa lý, gọi đơn giản trường, ánh xạ từ tập vị trí khơng gian đến tập giá trị định nghĩa Mỗi trường biểu diễn biến liệu có giá trị vị trí khơng gian Đối tượng địa lý: Đối tượng địa lý, gọi đơn giản đối tượng, khái niệm trừu tượng thực thể chiếm phần không gian khoảng thời gian tồn dù vị trí thuộc tính có thay đổi 2.6.2 Dữ liệu mô tả trường đối tượng Khoa học máy tính số hóa trường tượng đối tượng để lưu trữ mô hình liệu khơng gian (Hình 2.7) Trong đó, liệu trường tượng đối tượng rời rạc hóa theo khơng gian thời gian Thế giới thực chứa tượng thực thể không gian Mơ hình hóa Mơ hình khơng gian chứa trường khơng gian đối tượng khơng gian Số hóa Mơ hình liệu khơng gian theo trường khơng gian đối tượng khơng gian Hình 2.7: Khoa học thơng tin địa lý khoa học máy tính mơ hình hóa số hóa giới thực mơ hình liệu không gian 2.7 BIẾN DỮ LIỆU 2.7.1 Dữ liệu Dữ liệu sử dụng việc làm định sau phân tích tìm ý nghĩa, qui luật ẩn chứa bên liệu Đến nay, có nhiều phương pháp khác để phân tích liệu, trực quan hóa tiếp cận nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu phát triển Mức độ trừu tượng ý nghĩa tăng dần từ liệu, đến thông tin, tri thức (Hình 2.8) Tri thức Phân tích Thơng tin Xử lý Dữ liệu Thu thập Thế giới thực Hình 2.8: Quan hệ Dữ liệu-Thông tin-Tri thức với mức độ trừu tượng tăng dần 2.7.2 Thuộc tính Dữ liệu thơ phân chia thành tập theo tính chất riêng đối tượng trường tượng tự nhiên, gọi biến liệu, có định danh thuộc tính đối tượng trường Một trường hợp sử dụng giám sát xe vận tải hàng hóa Dữ liệu di chuyển xe vận tải hàng hóa gồm biến vị trí, thời gian, tải trọng, nhiên liệu Hình 3.22: (a) Khối khơng gian – thời gian biểu diễn tập biến quan hệ ; (b, (c), (d), (e)Các Khối không gian 2D biểu diễn tập biến quan hệ thuộc tính theo vị trí ; (f) Đồ thị biểu diễn liệu trọng lượng xe dừng để bốc dở hàng Một trường hợp áp dụng thực minh họa hệ thống giám sát xe vận tải hàng hóa từ Rạch Giá đến thành phố Hồ Chí Minh trực quan hóa liệu di chuyển theo thời gian thực thiết bị di động (Hình 3.23) Hình 3.23: Đồ thị trực quan thiết bị di động biểu diễn minh họa hoạt động xe vận tải từ Rạch Giá đến Tp Hồ Chí Minh 3.4.2.2 Khối nhiều chiều khơng gian 2D (2D-Space Multidimensional Cube) sử dụng Bản đồ nhiều chiều (Multidimensional Map) Cấu trúc đồ nhiều chiều Bản đồ nhiều chiều khối nhiều chiều không gian 2D dùng để biểu diễn tập liệu có quan hệ Đối tượng – Thuộc tính – Thời gian – Vị trí 2D 18 Trường hợp áp dụng 5: Bản đồ nhiều chiều biểu diễn liệu thời tiết (a) Hình 3.24: (a) Vùng ngập nước rộng lớn mô tả khảo sát theo phân bố trường; (b) Trạm đo liệu nước ngập xác định vị trí khơng gian (b) (a) y (b) Vị trí trạm đo A C A C B B A B C D E O E D E x D Hình 3.26: (a) Đường đẳng thời thuộc tính thời tiết thời điểm ti ; Giá trị yếu tố thời tiết ti t Hình 3.25: Bản đồ nhiều chiều biểu diễn liệu thời tiết (b) Đường đẳng thời kéo thẳng để dễ nhận biết phân bố khơng gian thuộc tính thời tiết thời điểm ti Đồ thị biểu diễn liệu mặt thuộc tính hỗ trợ chuyên gia khí tượng giúp chuyên gia hiểu biến thiên theo thời gian thuộc tính thời tiết vị trí trạm đo; từ phát tính qui luật theo thời gian thuộc tính (Hình 3.26) Bản đồ nhiều chiều biểu diễn liệu dạng vùng phẳng thay đổi theo thời gian đồ chuyên đề xếp chồng lên đồ theo vị trí thời gian trục thời gian (Hình 3.27) Y X T Hình 3.27: Bản đồ nhiều chiều biểu diễn tình trạng ngập nước vùng Tứ giác Long Xuyên năm 2000 liệu dạng vùng sau mơ hình hóa từ liệu ghi trạm đo Trường hợp áp dụng 6: Bản đồ nhiều chiều biểu diễn liệu dịch bệnh Các khối nhiều chiều phi không gian biểu diễn tình hình dịch bệnh 19 sốt xuất huyết tỉnh An Giang, Sóc Trăng, Tiền Giang liên kết với đồ khu vực đồng sông Cửu Long vị trí tỉnh tương ứng để tạo thành đồ thị nhiều chiều (Hình 3.28) Y X T Hình 3.29: Bản đồ nhiều chiều cho thấy tính chất topology thời gian bùng phát dịch bệnh sốt xuất huyết Hình 3.28: Bản đồ nhiều chiều biểu diễn trực quan dịch bệnh sốt xuất huyết y đầm lầy đầm lầy x Lớp liệu đầm lầy ti Hình 3.30: Trong đồ nhiều chiều, người dùng tích hợp thêm lớp liệu chuyên đề khác Các khoảng thời gian bùng phát dịch bệnh tỉnh tham chiếu trục thời gian chung (Hình 3.29) Bản đồ chuyên đề đầm lầy theo thời gian chồng lớp lên đồ để chuyên gia liên quan đến giả thuyết tác nhân tạo dịch bệnh (Hình 3.30) 3.4.3 Khối nhiều chiều không gian 3D (3D-Space Multidimensional Cube) Cấu trúc khối nhiều chiều không gian 3D Khối nhiều chiều không gian 3D biểu diễn tập liệu có quan hệ Đối tượng-Thuộc tính-Thời gian-Vị trí 2D-Vị trí 3D (Hình 3.31) 20 Hình 3.31: Cấu trúc khối nhiều chiều khơng gian 3D biểu diễn liệu bay Trường hợp áp dụng 7: Khối nhiều chiều không gian 3D Vật bay ngày sử dụng nhiều lĩnh vực quan sát tình trạng giao thơng, quan sát tình trạng lũ lụt (Hình 3.32), cứu trợ vùng bị thiên tai lũ lụt chia cắt, dùng quân Hình 3.32: Vật bay ghi lại hình ảnh lũ lụt 3.5 TÓM TẮT Luận án cấu trúc khối nhiều chiều phi không gian, khối nhiều chiều không gian 2D, khối nhiều chiều khơng gian 3D Các mơ hình áp dụng trường hợp như: Khối nhiều chiều phi không gian biểu diễn liệu dịch bệnh Bản đồ không gian – thời gian xe buýt Bản đồ không gian – thời gian chiến dịch 1812-1813 Napoleon Hệ thống giám sát trực quan Bản đồ nhiều chiều biểu diễn liệu thời tiết Bản đồ nhiều chiều biểu diễn liệu dịch bệnh Khối nhiều chiều không gian 3D biểu diễn vật bay 21 Chương 4: KHUNG TRỰC QUAN HÓA (Visualization Framework) 4.1 GIỚI THIỆU Hệ thống trực quan hóa liệu nhiều biến ánh xạ tập liệu nhiều biến thành thông tin và/hoặc tri thức thông qua cảm nhận thị giác với phương pháp nhìn-hiểu, nhìn đồ thị trực quan hóa liệu để hiểu ý nghĩa tập liệu (Hình 4.1) Thông tin / Tri thức Hệ thống trực quan hóa Kỹ thuật trực quan Cảm nhận trực quan 13 Người Máy tính Hình 4.1: Hệ thống trực quan hóa biến đổi liệu thành thơng tin /tri thức Vì hạn chế môi trường hiển thị khả cảm nhận thị giác người, chúng tơi phân tích thành câu hỏi nghiên cứu để xây dựng khung trực quan hóa liệu 4.2 NHỮNG THÀNH TỰU KHOA HỌC LIÊN QUAN 4.2.1 Khung trực quan hóa tham chiếu Dữ liệu Nguồn liệu Dạng trực quan Bảng liệu Biến đổi liệu Trừu tượng hóa trực quan Ánh xạ trực quan Hiển thị Biến đổi hiển thị Hình 4.2: Khung trực quan hóa tham chiếu 4.2.2 Khung trực quan hóa tự động điều chỉnh theo chất lượng Tự động điều chỉnh theo chât lượng Dữ liệu nguồn Biến đổi liệu Dữ liệu biến đổi Ánh xạ trực quan Cấu trúc trực quan Biến đổi hiển thị Hiển thị Hình 4.3: Khung trực quan hóa tự động điều chỉnh theo chất lượng 22 4.2.3 Qui trình khai phá trực quan Dữ liệu Trực quan hóa Hình Đặc tính kỹ thuật Dữ liệu Cảm nhận & Nhận biết Tri thức Điều chỉnh Trực quan hóa Người dùng Hình 4.4: Qui trình khai phá trực quan 4.3 KHUNG TRỰC QUAN HÓA DỮ LIỆU NHIỀU BIẾN (Framework for Visualizing Multivariate Data) 4.3.1 Giới thiệu Luận án áp dụng nguyên lý Gestalt “Tổng thể nhiều tổng cộng hợp phần” để đề xuất khung trực quan hóa biểu diễn tồn liệu đồ thị trực quan 4.3.2 Mơ hình khung trực quan hóa liệu nhiều biến Khung trực quan hóa liệu nhiều biến luận án đề xuất hợp phần kỹ thuật trực quan hệ thống trực quan hóa Khung trực quan hóa gồm tầng với chức 4.4 XỬ LÝ DỮ LIỆU 4.4.1 Xác định biến liệu Trong khoa học thông tin địa lý GIS, đối tượng mô tả ba phạm trù liệu: Khơng gian, Thời gian, Thuộc tính 4.4.2 Xác định tập biến quan hệ Tập liệu khơng gian – thời gian nhiều biến gồm có một, hai ba biến thị vị trí khơng gian, biến thị thời gian, nhiều biến thị thuộc tính 4.5 BIỂU DIỄN TRỰC QUAN Chức Biểu diễn trực quan (Ánh xạ trực quan) ánh xạ tập liệu thành đồ thị nhiều chiều 4.5.1 Cấu trúc đồ thị quan hệ Thao tác chức biểu diễn trực quan cấu trúc đồ thị quan hệ để biểu diễn tập biến quan hệ thành đồ thị quan hệ hệ trục tọa độ 2D 3D Đối với tập biến quan hệ, biến liệu biểu diễn thành trục hệ tọa độ trực giao 2D 23 ữ li ệu Biến liệu Biế nd nd Biế ệu ữ li ữ li ệu biến quan hệ Biến liệu Tập Biế nd nd Biế ệu ữ li qu biến Tập biến qu an hệ Biến liệu liệu liệu Biến Biến Thiết kế khung đồ thị quan hệ Biến trực quan Biến trực quan Thiết lập đồ thị quan hệ Định nghĩa biến liệu 24 Z C B S L Biến thị giác W D Đồ thị quan hệ Tích hợp biến thị giác Hình 4.6: Trực quan hóa tập liệu có cấu trúc gồm tầng: Hình 3.5 Trực quan hóa tập liệu có cấu trúc gồm tầng: (1) Ánh xạ trực quan: Biến đổi tập liệu thành đồ thị nhiều chiều kết nối đồ thị quan hệ 2D 3D; (2) Hiển thị trực quan: Chuyển đồ thị nhiều chiều lên mặt phẳng hiển thị tích hợp biến thị giác vào đồ thị quan hệ đồ thị nhiều chiều, áp dụng công cụ đồ họa để hiển thị theo yêu cầu phân tích liệu, khai phá tri thức Định nghĩa tập biến quan hệ Tập an hệ Khung đồ thị quan hệ Kết nối đồ thị quan hệ Đồ thị nhiều chiều trực quan hóa Chọn lọc Kết nối Phóng to Thu nhỏ Ẩn / Hiện Cửa sổ Quay Công cụ đồ họa Hiển thị trực quan Đồ thị nhiều chiều Hiển thị Tập liệu Biến liệu liệu liệu Biến Biến Biến liệu Ánh xạ trực quan Biến trực quan Biến trực quan ệ an ua nh qu iến q rự c Tậ pb Biế nt Các tập biến quan hệ 3D, giá trị biến định vị trí trục biểu diễn biến 4.5.2 Cấu trúc đồ thị nhiều chiều Đồ thị nhiều chiều cấu trúc cách kết nối đồ thị quan hệ Trong đó, hệ tọa độ 2D 3D kết nối thành khung tọa độ nhiều chiều theo dạng hình khối, gọi khối nhiều chiều Bảng 4.1: Các kiểu đồ thị quan hệ biểu diễn lớp liệu Lớp liệu Kiểu đồ thị quan hệ Lớp liệu điểm tham chiếu không gian A - Tập biến quan hệ { X , Y , A} - Không gian biểu diễn đồ thị quan hệ (x, y,a) X Y  A X - Đồ thị quan hệ ( x, y, a)  X  Y  A Y - Lớp liệu điểm tham chiếu thời gian Tập biến quan hệ {T , A} Không gian biểu diễn đồ thị quan hệ T  A Đồ thị quan hệ (t , a)  T  A A (t , a ) T Lớp liệu điểm tham chiếu không gian – thời gian - Tập biến quan hệ { X , Y , T } - Không gian biểu diễn đồ thị quan hệ T (x, yt ,) X X Y T Y - Đồ thị quan hệ ( x, y, t )  X  Y  T T Quỹ đạo không gian thời gian X Y Quỹ đạo mặt đất phẳng Lớp liệu đường - Tập biến quan hệ { X , Y , E} - Không gian biểu diễn đồ thị quan hệ E Đường không gian thực X Y  E X - Đồ thị quan hệ ( xi , yi , ei )  X  Y  E | i  1, 2, Y Hình chiếu đường khơng gian thực mặt đất phẳng Lớp liệu mặt (a1, a2) - Tập biến quan hệ { X , Y , H } { X , Y , A} - Không gian biểu diễn đồ thị quan hệ X  Y  H X  Y  A 25 Y X A - Đồ thị quan hệ TIN (( xi 1 , yi 1 , 1 ),( xi , yi , ),( xi 1 , yi 1 , 1 ))  X  Y  A Lớp liệu vùng (b) - Tập biến quan hệ { X , Y } - Không gian biểu diễn đồ thị quan hệ X  Y - Đồ thị quan hệ polygon(( x1 , y1 ),( x2 , y2 ), ,( x1 , y1 ))  X  Y (a1) (a2) Y (x5, y5) (x3, y3) (x4, y4) (x6 , y6 ) (x2, y2) (x1, y1) X (b) Lớp liệu khối - Tập biến quan hệ { X , Y , E} - Không gian biểu diễn đồ thị quan hệ X Y  E - Đồ thị quan hệ ( xi , yi , eik ) | i  1, 2, ; k  1, 2, E e4 e3 e2 e1 X (x3, y3) (x4, y4) Y (x1, y1) (x2, y2) 4.6 CẤU TRÚC BIẾN VỊ TRÍ Chức Cấu trúc biến vị trí ánh xạ đồ thị nhiều chiều vào mặt phẳng hình Đây phép biến đổi dấu hiệu cấu trúc đồ thị nhiều chiều khối nhiều chiều thành vị trí có tọa độ 2D hình Phép chuyển đổi bị hạn chế cấu tạo kỹ thuật hình liên quan đến tính chất trực quan Giải pháp khắc phục hạn chế hình tác động đến tính chất trực quan áp dụng công cụ phần mềm đồ họa giới hạn nội dung cần hiển thị đồ thị nhiều chiều 4.7 TÍCH HỢP BIẾN THỊ GIÁC Tích hợp biến thị giác chức khung trực quan hóa nhằm nâng cao tính trực quan đồ thị nhiều chiều sau ánh xạ vào hình Sự kết nối đồ thị 2D 3D thành lập đồ thị nhiều chiều làm cho tính trực quan đồ thị nhiều chiều thấp tính trực quan đồ thị 2D 3D Biến thị giác hỗ trợ thị giác người nhìn vào hình để cảm nhận ý nghĩa tính chất liệu, ý nghĩa tính chất biến liệu, quan hệ giá trị biến giá trị biến Đồ thị nhiều chiều biểu diễn 26 khối nhiều chiều xác định vị trí hiển thị hình, ký hiệu G ' Đồ thị G ' tích hợp biến thị giác gọi đồ thị trực quan, ký hiệu G Biến thị giác tích hợp vào đồ thị G ' phép tích tập biến thị giác phát sinh từ biến thị giác với tập Gm | m  1, 2, đồ thị đơn tính thành lập theo nhiều kiểu G | k  1, 2, khác nhau, từ phần tử {g1 , g , } đồ thị G ' | G '  {g1 , g , } k 4.7.1 Tích hợp biến thị giác Tích hợp biến thị giác với đồ thị G ' để thành đồ thị trực quan thực theo qui trình sau: (1) Bước 1: Xác định dấu hiệu trực quan đồ thị (2) Bước 2: Định nghĩa đồ thị đơn tính (3) Bước 3: Nâng cao tính trực quan 4.7.2 Tích hợp biến thị giác với dấu hiệu phẳng Tốc độ gió (m/s) G P pN pN-1 32,6 b11 28,4 đổ i b10 24,4 ch u yển b9 20,7 b7 13,8 p1 b6 10,7 b5 7,9 5,4 3,3 1,5 p2 Hà m b8 17,1 b4 b2 b3 p0 10 11 b1 b2 Cấp gió bN-1 bN B Hình 4.8: Hàm chuyển đổi độ dài Hình 4.7: Chuyển đổi tốc độ gió (giá trị thực) thành cấp gió (giá trị nguyên) [ p0 , pN ] thành N đoạn tương ứng với N độ sáng {b1 , b2 , , bN } 4.8 TƯƠNG TÁC TRỰC QUAN Tính chất trực quan đồ thị trực quan giảm số đồ thị đơn tính Gm nhiều nhiều biến trực quan trình bày đồ thị trực quan làm cho tính chọn lọc, tính phối hợp trực quan biến thấp Những công cụ đồ họa sử dụng là: Chọn lọc, Kết nối, Phóng to / Thu nhỏ, Ẩn / Hiện, Cửa sổ, Quay 27 4.9 ĐỒ THỊ NHIỀU CHIỀU TRỰC QUAN HÓA Đồ thị nhiều chiều biểu diễn đối tượng không gian thời gian theo dạng mơ hình hóa Những đối tượng khơng gian thời gian mơ hình theo dạng liệu điểm, đường, mặt, khối Do đó, tập biến quan hệ biểu diễn hệ tọa độ 2D 3D theo dạng 4.9.1 Trực quan hóa lớp liệu điểm tham chiếu không gian 4.9.2 Trực quan hóa lớp liệu điểm tham chiếu thời gian 4.9.3 Trực quan hóa lớp liệu điểm tham chiếu khơng gian – thời gian 4.9.4 Trực quan hóa lớp liệu đường 4.9.5 Trực quan hóa lớp liệu mặt 4.9.6 Trực quan hóa lớp liệu khối 4.10 TÓM TẮT Chương xây dựng khung trực quan hóa dựa tiến trình hợp tác người-máy để biến đổi liệu thành tri thức gồm hợp phần, kỹ thuật trực quan cảm nhận trực quan Khung trực quan hóa hợp phần kỹ thuật trực quan tổ chức thành mức, mức tổng thể, mức kỹ thuật, mức chức Khung trực quan hóa cịn hỗ trợ trả lời câu hỏi nghiên cứu luận án Chương 5: KẾT LUẬN 5.1 ĐÓNG GÓP KHOA HỌC Luận án đề xuất phương pháp áp dụng biến thị giác để làm tăng tính trực quan đồ thị trực quan thị giác sở trường hợp áp dụng để hỗ trợ người dùng trích xuất thơng tin khai phá tri thức phương pháp nhìn - hiểu Về phương diện khoa học, kết đạt luận án gồm: 5.1.1 Khung trực quan hóa liệu nhiều biến [CT6] Khung trực quan hóa liệu nhiều biến gồm tầng, tầng ánh xạ trực quan biến đổi liệu thành đồ thị nhiều chiều, tầng hiển thị trực 28 quan biến đổi đồ thị nhiều chiều thành đồ thị trực quan Khung trực quan hóa triển khai chức qui trình gồm bước để thiết lập đồ thị trực quan tập liệu, biến thị giác sử dụng để nâng cao tính trực quan đồ thị biểu diễn nhiều biến 5.1.2 Phương pháp cải thiện tính trực quan biến thị giác [CT1, CT5, CT7] Luận án nghiên cứu hệ thống hóa tính chất cảm thụ trực quan thị giác người kết hợp với tính chất trực quan để đề xuất phương pháp tích hợp biến thị giác vào đồ thị nhiều chiều thành đồ thị trực quan để đáp ứng u cầu tốn trực quan hóa 5.1.3 Khối nhiều chiều [CT1, CT4, CT8, CT9, CT11, CT14] Kỹ thuật trực quan hóa biến đổi tập liệu nhiều biến thành đồ thị trực quan nhiều chiều biểu diễn khối nhiều chiều Dựa tính chất biến liệu, luận án phân loại khối nhiều chiều biểu diễn biến có tính chất phụ thuộc khác nhau: Khối nhiều chiều phi không gian Khối nhiều chiều phi không gian dùng để biểu diễn trực quan liệu kiện mô tả biến phụ thuộc thời gian Khối nhiều chiều không hỗ trợ trả lời câu hỏi sơ cấp, mà cịn hỗ trợ trả lời câu hỏi tồn cục liên quan đến phần toàn liệu thuộc tính Khối nhiều chiều khơng gian 2D Khối nhiều chiều không gian 2D biểu diễn liệu kiện khơng gian cịn gọi đồ nhiều chiều dùng để biểu diễn biến phụ thuộc không gian thời gian Khối nhiều chiều không gian 3D Khối nhiều chiều không gian 3D dùng để biểu diễn liệu bay Khối nhiều chiều không gian 3D kết hợp khối không gian – thời gian với khối 3D khối nhiều chiều phi không gian để biểu diễn liệu bay 5.1.4 Những trường hợp áp dụng Trong tiến trình nghiên cứu để hồn thiện khung trực quan hóa, bên cạnh tài liệu khoa học tham khảo được, luận án triển khai áp dụng sau công bố hội nghị, tạp chí khoa học quốc tế: 29 - Khối nhiều chiều phi không gian biểu diễn liệu dịch bệnh (trường hợp áp dụng 1) [CT1, CT8, CT13] - Bản đồ không gian – thời gian xe buýt (trường hợp áp dụng 2) [CT15] - Bản đồ không gian – thời gian chiến dịch 1812-1813 Napoleon (trường hợp áp dụng 3) [CT2, CT3, CT6] - Hệ thống giám sát trực quan (trường hợp áp dụng 4) [CT9, CT12, CT16] - Bản đồ nhiều chiều (khối nhiều chiều không gian 2D) biểu diễn liệu thời tiết (trường hợp áp dụng 5) [CT4] - Bản đồ nhiều chiều (khối nhiều chiều không gian 2D) biểu diễn liệu dịch bệnh (trường hợp áp dụng 6) [CT11] - Khối nhiều chiều không gian 3D biểu diễn liệu bay (trường hợp áp dụng 7) [CT9, CT10] 5.1.5 Hệ thống hóa liên quan tiến trình nâng cấp liệu thành tri thức với khả cảm nhận thị giác người Luận án hệ thống hóa liên quan tiến trình nâng cấp liệu thành tri thức với khả cảm nhận thị giác người Theo đó, tiến trình nâng cấp liệu thành thơng tin phân tích thành tri thức khái quát thành qui luật tương ứng với tiến trình nhận thức người từ đến nhận biết hiểu khái quát thành qui luật 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với phát triển internet, công nghệ sensors, công nghệ liên quan thu thập, lưu trữ, truyền tải liệu làm phát triển nguồn liệu nhanh Công nghệ internet, IoT, công nghệ liên quan tạo môi trường hợp tác chia sẻ liệu cá nhân, tổ chức, quốc gia thúc đẩy gia tăng dung lượng liệu Nhu cầu trích xuất thông tin khai phá tri thức từ liệu ngày cao tất lĩnh vực Do đó, cơng việc nghiên cứu áp dụng khung trực quan hóa khối nhiều chiều biểu diễn trực quan liệu ngành môi trường, giáo dục, y tế, v.v 30 DANH MỤC CÁC CƠNG BỐ KHOA HỌC Tạp chí chun ngành [CT1] [CT2] [CT3] [CT4] Hong Thi Nguyen, Anh Van Thi Tran, Tuyet Anh Thi Nguyen, Luc Tan Vo, and Phuoc Vinh Tran, "Multivariate cube integrated retinal variable to visually represent multivariable data," EAI Journal Endorsed Transactions on Context-aware Systems and Applications, vol 4, pp 1-8, 2017 Hong Thi Nguyen, “The Approach of Space-Time Cube to Visualizing Movement Data,” International Journal of Modeling and Optimization, vol 5, pp 207-210, June 2015 Hong Thi Nguyen, Hung Thanh Ngo, Xanh Van Nguyen, Diem Ngoc Nguyen, and Phuoc Vinh Tran, "An Approach to Representing Movement Data," International Journal of Information and Electronics Engineering, vol 3, pp 283-287, May 2013 Phuoc Vinh Tran and Hong Thi Nguyen, "Multivariate-space-time cube to visualize multivariate data," International Journal of Geoinformatics, vol 8, pp 67-74, December 2012 Hội thảo chuyên ngành [CT5] [CT6] [CT7] [CT8] Hong Thi Nguyen, Lieu Thi Le, Cam Ngoc Thi Huynh, Thuan My Thi Pham, Anh Van Thi Tran, Dang Van Pham, Phuoc Vinh Tran, "Integrating Retinal Variables into Graph Visualizing Multivariate Data to Increase Visual Features " in 8th EAI International Conference on Context-Aware Systems and Applications - ICCASA 2019, My Tho, Vietnam, P C Vinh and A Rakib, Eds., November 28-29 2019, vol LNICST 298: Springer, in Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering, pp 74-89, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-03034365-1 Hong Thi Nguyen, Thuan My Thi Pham, Tuyet Anh Thi Nguyen, Anh Van Thi Tran, Phuoc Vinh Tran, and Dang Van Pham, "Twostage Approach to Classifying Multidimensional Cubes for Visualization of Multivariate Data," in ICCASA Viet Tri, Vietnam, Nov 2018, pp 70-80 Scopus Hong Thi Nguyen, Diu Ngoc Thi Ngo, Tha Thi Bui, Cam Ngoc Thi Huynh, and Phuoc Vinh Tran, "Visualizing Space-time Map for Bus," in 6th EAI International Conference on Context-Aware Systems and Applications, Quang Nam, Vietnam, 2017 Scopus Hong Thi Nguyen, Anh Van Thi Tran, Tuyet Anh Thi Nguyen, Luc Tan Vo, and Phuoc Vinh Tran, "Multivariate Cube for Representing [CT9] [CT10] [CT11] [CT12] [CT13] [CT14] [CT15] [CT16] Multivariable Data in Visual Analytics," in Context-Aware Systems and Applications, Thu Dau Mot, Viet Nam, 2016, pp 91-100 Scopus Nguyen Thi Hong and Tran Vinh Phuoc, "Multidimensional Cube for Representing Flight Data in Visualization-based System for Tracking Flyer," in The 5th International Conference on Control, Automation and Information Sciences, Ansan, Korea, 2016, pp 132-137 Scopus Phuoc Vinh Tran, Hong Thi Nguyen, Trung Vinh Tran, and Tha Thi Bui, "On an Approach to Visualizing Data of Flying Objects," presented at the IEEE 2014 International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS 2014), Gwangju, South Korea, 2014 Scopus Phuoc Vinh Tran, Hong Thi Nguyen, and Trung Vinh Tran, "Approaching Multi - dimensional Cube for Visualization-based Epidemic Warning System - Dengue Fever," presented at the 8th International Conference on Ubiquitous Information Management and Communication, ACM IMCOM 2014, Siem Reap, Cambodia, 2014 Scopus Phuoc Vinh Tran, Trung Vinh Tran, and Hong Thi Nguyen, "Visualization-based Tracking System Using Mobile Device," in Advanced Approaches to Intelligent Information and Database Systems vol 551, V B Janusz Sobecki, Suphamit Chittayasothorn, Ed., ed: Springer, 2014, pp 345-354 Scopus Hong Thi Nguyen, Phuoc Vinh Tran, Hung Thanh Ngo, Thanh Thi Tran, and Le Tuan Dinh Luu, "Visualization Epidemic Data," in Proceedings of 5th International Conference on healthGIS 2013, Bangkok, Thailand, 2013, pp p-u Hong Thi Nguyen, Trung Vinh Tran, Phuoc Vinh Tran, and Hung Dang, "Multivariate Cube for Visualization of Weather Data," presented at the IEEE 2013 International Conference on Control, Automation and Information Science, ICCAIS 2013, Nha Trang, Vietnam, 2013 Scopus Hong Thi Nguyen, Chi Kim Thi Duong, Tha Thi Bui, and Phuoc Vinh Tran, "Visualization of Spatio-temporal Data of Bus Trips," presented at the IEEE 2012 International Conference on Control, Automation and Information Science, ICCAIS 2012, Hochiminh City, Vietnam, 2012 Scopus Phuoc Vinh Tran and Hong Thi Nguyen, "Visualization Cube for Tracking Moving Object," presented at the Computer Science and Information Technology, Information and Electronics Engineering, Thailand, 2011 ... trực giao ộ Tọa đ Hình 3.6: Biểu đồ Vị trí khơng gian thời gian ất mặt đ Vị trí khơng gian Hình 3.7: Khối khơng gian – thời gian biểu diễn vị trí khơng gian – thời gian Hình 3.8: Khối không gian. .. gian – thời gian khối thời gian nhiều biến sử dụng đồng thời để biểu diễn liệu không gian – thời gian nhiều biến 3.3 QUAN HỆ CỦA CÁC BIẾN DỮ LIỆU 3.3.1 Tam giác Đối tượng – Vị trí – Thời gian. .. không gian đối tượng khơng gian Hình 2.7: Khoa học thơng tin địa lý khoa học máy tính mơ hình hóa số hóa giới thực mơ hình liệu không gian 2.7 BIẾN DỮ LIỆU 2.7.1 Dữ liệu Dữ liệu sử dụng việc làm định