4. IMPLEMENTACIÓN. Que los nodos no estén muy cerca unos a otros. Que los nodos que estén conectados por aristas se dibujen cerca.

Transcripción

1 4. IMPLEMENTACIÓN Esta sección contiene todo lo relacionado con la implementación del sistema. Se encuentra la selección del algoritmo utilizado para implementar el grafo dirigido por fuerzas; las herramientas utilizadas tales como GraphML, Jung, Eclipse; Los directorios con las diferentes clases; Y las funcionalidades de la interfaz en cuanto a iconos y botones ALGORITMO DIRIGIDO POR FUERZAS Los algoritmos dirigidos por fuerzas que pueden utilizarse a través de la librería de Jung son los siguientes: KK Layout (The Kamada-Kawai algorithm), FR Layout (The Fruchterman-Reingold algorithm), Spring Layout (A simple forcedirected spring-embedder). Se realizó una comparación de estos algoritmos con el fin de que se pudiera utilizar en el desarrollo del proyecto. El Algoritmo KK Layout (Kamada-Kawai) fue creado por Tomihisu Kamada y Satoru Kawai en 1989 (29). Este algoritmo usa fuerzas de resorte proporcionales a las distancias teóricas del grafo para la ubicación de los nodos en un espacio determinado. En (30) Brandenburg compara el algoritmo KK con FR, Tu, Gem y DHN. Una de las conclusiones de esta comparación es que KK es más rápido comparado con los otros algoritmos. KK Layout utiliza Newton-Rhapson como método de optimización del algoritmo. Este método establece distancias teóricas entre los nodos para establecer las longitudes ideales. Entre las características de los algoritmos dirigidos por fuerza se encuentra que el algoritmo se ejecuta en una cantidad de iteraciones (Estas iteraciones las define el desarrollador), lo cual, al momento de ejecutarlo el algoritmo empieza a organizar los nodos y los arcos en cada iteración buscando la mejor posición de los nodos. En el caso de KK Layout, en cada iteración se organiza un nodo a la vez y no todos al mismo tiempo, lo cual, a la hora de que el usuario este frente a la aplicación sea más estético. El algoritmo FR Layout fue creado por Fruchterman y Reingold en 1991 y es un método basado en Spring Embedder (30). Este algoritmo tiene dos criterios estéticos como objetivo: Que los nodos no estén muy cerca unos a otros. Que los nodos que estén conectados por aristas se dibujen cerca. Entre las desventajas de FR Layout están que presenta muchos cruces de arcos y que es rápido solamente para grafos de hasta 60 nodos. 57

2 El algoritmo Spring Layout (25) derivado de Spring Embedder, se caracteriza por su simplicidad, elegancia e intuición conceptual. El algoritmo utiliza los principios de la física para estabilizar los nodos hasta ubicarlos en su posición final después de cierta cantidad de iteraciones. Los arcos tienen un efecto de resorte (Ley de Hooke), esto quiere decir, que los arcos del grafo si se estiran al soltarlos tienen un efecto similar al de un resorte, y por último, los nodos simulan las cargas eléctricas (Ley de Coulomb) en cuanto buscan repelerse entre ellos Selección y justificación de algoritmo dirigido por fuerzas Al probar los algoritmos mencionados anteriormente y utilizando las librerías de Jung, se decidió utilizar el algoritmo KK Layout. KK Layout se escogió porque en cada iteración se mueve un nodo a la vez, a diferencia de los otros algoritmos en los que en cada iteración los nodos se desplazan y se mueven al mismo tiempo. Estos movimientos dificultan la visualización estética y hacen que la manipulación del grafo se vuelva molesta. Otra ventaja de KK Layout es que permite la integración con otras técnicas de visualización como por ejemplo los clusters y su simplicidad estética en la forma de visualizar el grafo. A diferencia de los otros algoritmos vistos anteriormente, KK Layout busca un equilibrio del grafo, en lugar de trabajar con las fuerzas trabaja directamente con la energía del sistema, es decir, busca que la posición de los nodos del grafo se encuentren en un estado de energía mínima. Ventajas Desventajas KK Layout Es más rápido a comparación que Tiene limitación de FR Layout y que Spring Layout. nodos para una Utiliza el método de Newton Rhapson visualización estética. como método de optimización para Se puede solucionar establecer las longitudes ideales. Organiza los nodos uno a la vez. utilizando técnicas como clustering. FR Layout Busca que los nodos no estén muy cerca entre sí, y aquellos que estén conectados por arcos se encuentren en cercanía. Presenta muchos cruces entre arcos. Es rápido solo hasta un límite de 60 nodos. Spring Presenta simplicidad, elegancia, Cuando se suelta un Layout intuición conceptual. Los nodos nodo, este queda con buscan repelerse entre sí. efecto de resorte, y dificulta la visualización. Tabla 7. Cuadro de ventajas y desventajas algoritmos de fuerzas. 58

3 4.2. HERRAMIENTAS UTILIZADAS A continuación se describen las herramientas que se utilizaron en la implementación y que fueron complementos indispensables para cumplir con los diferentes objetivos. Se utilizó la versión Jung 2.0, basada en Java, para el modelamiento, análisis y visualización del esquema de datos. Se utilizó el JDK 7 (Java SE Development Kit) el cual es un software que proporciona herramientas para desarrollar y ejecutar programas en Java (31). En cuanto al entorno de desarrollo se trabajó con Eclipse. Para importación y exportación del esquema de datos se utilizó GraphML. Esta herramienta es un estándar de XML especial para grafos. Jung permite usar este formato PAQUETES Y CLASES DEL PROYECTO El proyecto contiene dos paquetes principales, en el primer paquete se define la estructura del grafo y en el otro se encuentran las clases relacionadas con la interfaz gráfica. A continuación se presentan los paquetes y las clases definidas en los directorios: Graph: Este paquete contiene la estructura del grafo, contiene dos clases, la clase nodo.java y la clase arco.java. En estas clases se define la estructura del grafo, tanto de los nodos como de los arcos. node.java: Esta clase implementa la estructura del nodo. La clase node está conformada con los siguientes atributos: String nid String ntype String nlabel String nvaule nid = Corresponde a un identificador único. ntype = Es el tipo de nodo el cual representa en el esquema de datos (Objeto, filtro de valor, filtro de valor compuesto). nlabel = Es la etiqueta que identifica al nodo. nvaule = Es Valor que toma el nodo el cual permite hacer filtrados. 59

4 Cada uno de estos atributos tiene su respectivo método get y set. edge.java: Esta clase implementa los arcos del esquema de datos. La clase edge está conformado por: String elabel String ID elabel = Es la etiqueta del arco. ID = Es un identificador único del arco. Cada uno de estos atributos tienes su respectivo método get y set. InterfaceG: Este contiene las clases que implementan la parte gráfica de la aplicación. Las clases que se definieron son: writegraphml.java record.java vertexlabel.java schemeinterface.java graphscheme.java egdefactory.java vertexfactory.java vertexlabelcolor.java picicon.java edgelabel.java way.java result.java step.java Otras carpetas utilizadas en el proyecto: Data: Guarda los datos o archivos de entrada y salida de la aplicación, tales como archivos de GraphML. Record: Guarda el historial de los operadores utilizados en una consulta, y finalmente guarda la consulta final. Img: Guarda las imágenes tales como iconos de los nodos, entre otros. En la Figura 32 se observa las carpetas y clases en la herramienta JUNG. 60

5 Figura 32. Paquetes y clases 4.4. INTERFAZ La interfaz de usuario contiene una vista principal en donde se encuentra el esquema de datos con sus objetos y sus atributos. También contiene una barra al lado izquierdo el cual consta de una ventana de vista general y específico; los botones de cada uno de los operadores filtro de valor, filtro de clase, extracción de subgrafo y contraer camino; y los botones de control como lo son reiniciar, ir atrás, ayuda, generar consulta, aumentar vista, disminuir vista. En cuanto a los botones de los operadores, sus nombres fueron modificados para que sea más cercano al usuario. El operador filtro de clase es objetos con condición, el operador filtro de valor es porción con filtro, el operador extracción de subgrafo es seleccionar porción, y el operador contraer es acercar nodos. A continuación se observa en la Figura 33 la interfaz de usuario. 61

6 Figura 33. Prototipo de interfaz final. 62

7 Vista principal de Interfaz La vista principal está compuesta por el esquema de datos general. En el cual se puede desplazar y seleccionar cualquier nodo objeto o nodo atributo. En la Figura 34 se observa la vista principal de la interfaz. Figura 34. Vista principal de la interfaz Un esquema de datos de GDM contiene tres tipos de nodos: nodos objeto, nodos de valor compuesto y nodos de valor básico. Con el fin de diferenciar los nodos del esquema de datos se usó una forma geométrica y un color diferentes para representar cada tipo de nodo en la interfaz. Para los nodos tipo objeto se escogió un icono con forma cuadrada y color azul (valor del color en hexadecimal #03008e), en relieve y con medidas de 80px en cada uno de sus lados (ver Figura 35 (a)). Se requirió que el icono fuera grande para dar un mayor énfasis visual respecto a los demás iconos. Los nodos de tipo valor compuesto se representaron con un icono de forma circular y color vino tinto (valor del color en hexadecimal #660317), en relieve y con medidas 30px de diámetro (ver Figura 35 (b) y (d)) Para los nodos de tipo valor básico se escogió un icono de forma ovalada de color verde (valor de color en hexadecimal #1c5c05) con medidas 100px de ancho y 30px de altura (ver Figura 35 (c)). En la Figura 34 se observa el uso de los iconos escogidos aplicados en el esquema. 63

8 (a).nodo tipo objeto (b). nodo de valor (c). nodo de valor básico compuesto sin etiqueta Figura 35. Símbolos de los nodos. (d). nodo de valor compuesto con etiqueta Los nodos de valor compuesto se dividen en dos tipos de nodos, el primero son los nodos de valor compuesto sin etiqueta (ver Figura 35(b)), el cual sirve para agrupar un tipo de nodos; y el segundo, los nodos de valor compuesto con etiqueta(ver Figura 35 (c)), el cual sirve para establecer relaciones entre nodos. Para los nodos de valor compuesto con etiqueta (ver Figura 35 (d)) se escogió un icono de forma rectangular de color azul oscuro (Valor color en hexadecimal #111f3b) con medidas 80px de ancho y una altura de 20px Barra de Menú La barra de menú contiene en la parte de arriba una ventana que permite una vista general y específica según lo desee el usuario. Debajo de esta vista, se encuentran los botones de los operadores, objetos con condición, porción con filtro, seleccionar porción y acercar nodos. Estos botones permiten realizar las diferentes consultas que realice el usuario. Debajo de estos botones de operadores, se encuentran los botones de control en el cual se encuentra reiniciar, ir atrás, aumentar vista manual, disminuir vista manual y ayuda. Y Finalmente, se encuentra en la parte de abajo, el historial con los operadores utilizados para realizar una consulta (Observar Figura 36). 64

9 Figura 36. Vista de la barra de menú Botones En la Figura 37 se observan los botones de los operadores. Cada botón se representa a través de un icono y un nombre. No se usó el nombre formal de las operaciones. Inicialmente se usaron los nombres extraer subgrafo, contraer camino, consulta específica y consulta general. Sin embargo, en los test de usabilidad los participantes propusieron seleccionar porción, acercar nodos, porción con filtro y objetos con condición. Estos nombres finalmente quedaron en la interfaz. 65

10 Figura 37. Botones de operadores. Los botones de control se pueden observar en la Figura 38. Las funcionalidades de estos botones son: Ir atrás, reiniciar, aumentar zoom, disminuir zoom y ayuda. Figura 38. Botones de control Ventana de vista general En la figura 39 y 40 se puede observar la ventana de vista general que acompaña el esquema de datos. La ventana de vista general (Observar Figura 39) permite al usuario acercar y alejar la vista con el objetivo de visualizar todo el esquema, desplazarse fácilmente a alguna porción del esquema, ubicar la parte del esquema que se está visualizando actualmente en la vista (Observar Figura 40). La parte blanca de la vista muestra la parte que se observa en la vista principal en ese momento. La parte gris es lo que no se está observando en la vista principal en ese momento. 66

11 Figura 39. Vista general de todo el esquema. Figura 40. Vista específica del esquema Ventanas de dialogo y de validación Las ventanas de dialogo permiten solicitar los parámetros y condiciones necesarias para llevar a cabo la consulta. Estas ventanas permiten el ingreso de dichas condiciones. A continuación se observa en la Figura 41 la ventana de dialogo para acercar nodos, en donde se solicitan los nuevos arcos y el nuevo nodo. Figura 41. Ventana de dialogo acercar nodos. 67

12 Para ingresar las condiciones de los atributos, para realizar las operaciones de filtro de valor Porción con filtro y filtro de clase Objeto con condición se observa la ventana de dialogo en la Figura 42. Esta ventana tiene la opción de escoger el operador numérico (=, >, <, >=, <=, <>) e ingresar un valor de condición al atributo seleccionado. Figura 42. Ventana de dialogo ingreso de condición. Si se da clic en alguno de los botones de los operadores y no se ha seleccionado los nodos de interés, aparece la ventana de error que se observa en la Figura 43. Figura 43. Ventana de validación 1. Si ya se seleccionó los nodos de interés, y se da clic en los botones objeto con condición o porción con filtro y no se ha ingresado el valor de condición a alguno de los nodos seleccionados, aparece una ventana de validación solicitando que asigne un valor a algún nodo. Se puede observar en la Figura

13 Figura 44. Ventana de validación 2. Si se da clic en el botón objeto con condición y no se ha señalado el objeto de interés con clic derecho, aparece una ventana solicitando seleccionar un objeto de interés, como se observa en la Figura 45. Figura 45. Ventana de validación 3. Si se selecciona el objeto de interés, pero no se adiciona un valor a un nodo de los seleccionados, aparece una ventana de validación solicitando adicionar un valor de condición a alguno de los nodos de la lista como se observa en la Figura 46. Figura 46. Ventana de validación 4. 69

14 Operadores de transformación de grafos A continuación se observa la secuencia de cada uno de los operadores, así mismo, el proceso para llevar a cabo cada transformación a través de la interfaz. En este proceso se observa cómo funcionan los botones de los operadores y cómo se solicitan los parámetros de condición. Proceso 1. Esquema inicial. Se selecciona los nodos de interés. Se colorea de rojo el camino entre los nodos seleccionados igualmente los nodos seleccionados. 2. Se da clic en la opción seleccionar porción. Y se extrae la porción del grafo que seleccionó en 1. Secuencia Seleccionar porción - extraer subgrafo Tabla 8. Secuencia "seleccionar porción", extraer subgrafo. 70

15 Proceso Se selecciona los nodos que quiere acercar. El camino entre los nodos seleccionados se traza en color rojo e igualmente los nodos seleccionados. Si tiene varios caminos entre los nodos seleccionados, se escoge el camino que desea acercar. Se da clic en el botón Acercar nodos. Y aparece una ventana para ingreso de parámetros. Secuencia Acerca nodos Contraer En la ventana se puede ingresar los nuevos arcos, y el nuevo nodo. En esta imagen se observa que se ingresan los parámetros A1, A2 y el nodo NODO. Se da clic en Aceptar, para continuar. 71

16 Se realiza el acercamiento de los nodos seleccionados Se acerca el nodo objeto Physician y el nodo symcode. Y se observan los arcos nuevos y el nuevo nodo. Tabla 9. Secuencia "acercar nodos", contraer. 72

17 Proceso Se seleccionan los nodos de interés. Se da clic en el nodo que desea ingresar una condición. Secuencia Porción con filtro - filtro de valor Se puede ingresar otra condición, según sea la consulta que quiera realizar. En la imagen se puede observar que ya se ingresaron las condiciones necesarias para obtener una consulta. 73

18 Se da clic en el botón Porción con filtro. Y se obtiene la consulta final. Tabla 10. Secuencia "porción con filtro", filtro de valor. 74

19 Proceso Se selecciona el nodo objeto Patient como nodo de interés. Se ingresa la condición en el atributo phyid del objeto Physician. Secuencia objeto con condición Filtro de clase Se da clic en el botón Objeto con condición. Y finalmente resulta la consulta final. El esquema de datos no se modifica, sin embargo se queda seleccionado el camino señalado desde el principio. Tabla 11. Secuencia "objeto con condición", filtro de clase. 75

20 Principios de usabilidad aplicados en la interfaz Para el desarrollo de la interfaz se tuvo en cuenta los principios generales de la usabilidad mencionados por Jakob Nielsen en (23). A continuación se mencionan los principios que se aplicaron a la interfaz: Visibilidad del estado del sistema: mantiene informado al usuario en que parte de las operaciones se encuentra a través del historial. Lenguaje de usuario: los nombres de los operadores fueron propuestos por los mismos usuarios, igualmente, las imágenes de los iconos se desarrollaron de acuerdo a los aportes de los usuarios. Libertad y control por parte del usuario: tiene la facilidad de deshacer una acción regresando a un paso anterior, e incluso reiniciar la pantalla para volver al inicio. Convenciones: los símbolos de los iconos son representativos para el usuario. Flexibilidad y eficiencia en el uso: permite el uso de Shift y Control para facilitar la manipulación del grafo. Diseño estético: se buscó un diseño adecuado a través del test de usabilidad enfocado en las observaciones de los usuarios en cuanto al diseño y con las técnicas de visualización que cumplían con los criterios estéticos establecidos. Ayuda a los usuarios a reconocer, diagnosticar y recuperarse de los errores: permite al usuario dar a conocer los errores y guiarlos al paso siguiente. Ayuda y documentación: tiene una opción de ayuda y la documentación necesaria para que el usuario interactúe con la interfaz. 76

21 4.5. ARCHIVOS XML Cuando se genera la consulta final se obtiene un archivo XML con los arcos que forman un camino entre los nodos y la secuencia de los operadores. El archivo XML para la operación extraer contiene la secuencia <secuencia> con un identificador de secuencia <idsec> el cual indica el orden de la secuencia de los operadores. El siguiente es el operador <operador> que indica qué operador utilizó, por último se pone el camino a través de los arcos <arco>. A continuación se observa un ejemplo de extraer subgrafo. <?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?> <consulta> <secuencia> <idsec>1</idsec> <operador>extract</operador> <camino> <arco><id>a1</id></arco> <arco><id>a2</id></arco> <arco><id>a3</id></arco> </camino> </secuencia> </consulta> El archivo XML para el operador contraer camino contiene las mismas especificaciones de extraer subgrafo, a excepción que contiene en la etiqueta <nodonuevo > los nuevos arcos y el nuevo nodo. <?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?> <consulta> <secuencia> <idsec>1</idsec> <operador>contraction</operador> <camino> <arco><id>a1</id></arco> <arco><id>a2</id></arco> <arco><id>a3</id></arco> <arco><id>a4</id></arco> <arco><id>a5</id></arco> </camino> <nodonuevo> <arco><id>nuevoa1</id></arco> <arco><id>nuevoa2</id></arco> <node><id>nuevonodo</id></node> </nodonuevo> 77

22 </secuencia> </consulta> El archivo XML para el operador filtro de valor contiene las mismas especificaciones que extraer subgrafo, a excepción que entre las etiquetas <camino> y </camino> se encuentran los caminos entre un nodo y el nodo que tiene el valor de condición. <node> indica el nodo donde inicia un camino y entre las etiquetas <pk> y </pk> se encuentran los arcos que forman dicho camino. Al final se encuentra la etiqueta <filtro> en el cual se indican la condición o las condiciones <condicion>. Entre las etiquetas <condicion> y </condicion> se encuentra la información del nombre del nodo <node>, el operador <operador> y el valor de condición <valor> dada a dicho. A continuación se muestra un ejemplo del XML para filtro de valor. <?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?> <consulta> <secuencia> <idsec>1</idsec> <operador>valuefilter</operador> <camino> <node>nodo1</node> <pk> <arco><id>a1</id></arco> <arco><id>a2</id></arco> <arco><id>a3</id></arco> </pk> <node>nodo2</node> <pk> <arco><id>a4</id></arco> <arco><id>a5</id></arco> <arco><id>a6</id></arco> <arco><id>a7</id></arco> </pk> </camino> <filtro> <condicion> <node>nodo3</node> <operador>=</operador> <valor>valor de condición para A1</valor> </condicion> <condicion> <node>nodo4</node> <operador>=</operador> <valor>valor de condición para A4</valor> 78

23 </condicion> </filtro> </secuencia> </consulta> El archivo XML para el operador filtro de clase contiene en <camino> el nodo objeto de interés en <node>. Entre las etiquetas <pk> se encuentra los arcos que forman un camino entre el nodo objeto y el nodo con el valor de condición. Al final se encuentra entre el filtro <filtro> y condición <condicion> los nodos <node>, los operadores <operador> y los valores de condición <valor>. A continuación se observa un ejemplo de filtro de clase. <?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?> <consulta> <secuencia> <operador> CLASSFILTER</operador> <idsec>1</idsec> <camino> <node><id>nodoobjeto1</id></node> <pk> <arco><id>a1</id></arco> <arco><id>a2</id></arco> <arco><id>a3</id></arco> </pk> </camino> <filtro> <condicion> <node>nodo1</node> <operador>=</operador> <valor>valor de condición para A1</valor> </condicion> </filtro> </secuencia> </consulta> A continuación se observa un ejemplo con una secuencia de operadores. Se realiza primero extraer subgrafo con el id de secuencia 1 y luego filtro de valor con el id de secuencia en 2. <?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?> <consulta> <secuencia> <idsec>2</idsec> <operador>valuefilter</operador> 79

24 <camino> <node>nodo1</node> <pk> <arco><id>a1</id></arco> <arco><id>a2</id></arco> <arco><id>a3</id></arco> <arco><id>a4</id></arco> </pk> <node>nodo2</node> <pk> <arco><id>a5</id></arco> <arco><id>a6</id></arco> <arco><id>a7</id></arco> </pk> </camino> <filtro> <condicion> <node>nodo3</node> <operador>=</operador> <valor>valordecondición1</valor> </condicion> <condicion> <node>nodo4</node> <operador>=</operador> <valor> </valor> </condicion> </filtro> </secuencia> <secuencia> <idsec>1</idsec> <operador>extract</operador> <camino> <arco><id>a1</id></arco> <arco><id>a2</id></arco> <arco><id>a3</id></arco> <arco><id>a4</id></arco> <arco><id>a5</id></arco> <arco><id>a6</id></arco> <arco><id>a7</id></arco> </camino> </secuencia> </consulta> En el Anexo I se encuentran los archivos XML generados por la interfaz. 80