Gephi 功能详解

Gephi 简介

Gephi 是一款网络分析领域的数据可视化处理软件，开发者对它寄予的希望是成为“数据可视化领域的 Photoshop”，可运行在 Windows、Linux 及 Mac OS 系统上。

特点

Gephi 主要有以下三大特性：

• 由内置的快速的 OpenGL 引擎提供支持，Gephi 能够利用非常大的网络推送信封，可视化网络多大一百万个元素，所有元素都会实时运行，如布局、过滤器；
• 简单易于安装和使用，以可视化为中心的 UI，类似 Photoshop 的图形处理一样；
• 支持模块化扩展 Gephi 及插件开发，该架构构建在 Netbeans 平台之上，可以通过精心编写的 API 轻松扩展或重用。

主要功能模块

操作介绍

Gephi 共包括三个主要页面：

• 概览：图处理、可视化编辑的主要界面；
• 数据资料：分为节点数据和边数据，在数据表上方和下方是用于数据处理的工具；
• 预览：预览输出，图形处理完成后，可以在此输出。

概览界面

图窗体：图编辑和显示

操作节点和连线的工具

• 鼠标选取范围尺寸调整：如果将鼠标移动到某一个节点上，与这个节点组成边的其他节点就会显示，从而了解该节点的关联状态。单击 configure 按钮，可以设置鼠标选取的范围，即同时选择一组节点，并且显示这组节点相关联的其他节点；
• 单选：单独选择一个节点，右击进行操作；
• 矩形选取：在一个矩形范围内选取一组节点；
• 移动：按左键拖动节点，按右击拖动图像、滑动鼠标滚轮放大或缩小整个图形；
• 单节点涂色：单击次数越多，节点颜色越深，在矩形范围内会给多个节点涂色；
• 节点大小调整：按住鼠标左键上下拖动；
• 关联节点涂色：颜色、颜色强度、扩散模式；
• 新建节点：颜色、直径；
• 新建边：点击源节点，再点击目标节点，会生成一条新边，可以设置边类型和权重；
• 节点距离：判断两个节点之间是否存在路径，如果存在就把最短路径用选中的颜色表示出来；
• 节点范围：以一个节点为起点，根据距离的远近，给不同距离的节点图上不同的颜色，在涂色中，也会引入权重的参数，在涂色之前需要配置涂色的模式和色彩，其中，涂色的模式分为梯度 grandient 和调色板 palette；

• 节点属性：节点属性是节点基础数据和统计数据的查看和编辑工具，分为 Properties 数据和 Attributes 数据。Properties 可以理解为节点天生的、固有的数据，包括尺寸、位置、颜色、标签大小及颜色等；Attributes 可理解为抽象化、动态变更的数据，包括 ID、标签、间隔等，Attributes 数据可以根据节点数据的增加而扩充。

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编辑标签和控制显示的属性的工具

• 图形复位（图中心）：使图形缩放到能够最大化地全部显示在图窗体中；
• 重设颜色：重设全部节点的颜色；
• 重设标签颜色：标签颜色恢复默认；
• 复位标签大小：标签大小恢复默认；
• 背景颜色：重设背景颜色；
• 截图：截图及截图配置；
• 节点及边设置：
  • 标签显示开关；
  • 边显示开关；
  • 边使用节点颜色开关；
  • 边标签显示开关；
  • 边粗细；
  • 标签大小模式；
  • 标签涂色模式；
  • 字体及字体大小；
  • 标签大小调节；
  • 标签默认颜色；
  • 标签显示选择；
• 全局设置：
  • 全局：
    • 自动选择邻居：鼠标指向一个节点后，关联节点显示的方式；
    • 高亮选择：鼠标指向一个节点后，这个节点与其他节点颜色的变化方式，勾选后指向的节点保持原来的颜色，其他节点变暗；取消沟通后，指向的节点变暗，其他节点保持原来颜色；
  • 边：
    • 使用节点的颜色：指边会使用节点的颜色；
    • 选择颜色：勾选后，把鼠标移动到一个节点后，这个节点出边、入边及双向边会用不同的颜色显示；
  • 标签：
    • 节点：节点标签字体大小和颜色；
    • 边：边上标签的字体大小及颜色；
    • 隐藏未选中：勾选后，只有鼠标移动到某个节点上后标签才会显示；
    • 节点标签大小：共有三种类型，fixed（固定大小，标签大小不跟节点大小变化而变化）、scaled（标签随节点大小变化而变化）、nodeSize（节点越大，标签越大，但标签大小本身是固定的，不随节点大小变化而变化）；
    • 节点标签颜色：共有三种类型，unique 表示节点标签和边标签都是用选定的颜色，object 表示节点标签使用节点颜色，边标签使用边的颜色；text表示节点标签都使用默认黑色。

布局：节点与边的排布

布局是根据某种策略对节点和边进行排布，使图形既具有特定需要的合理性，也易于视觉识别。它们的核心都是平衡一个网络中节点的斥力和引力关系。一般来说，布局应满足：

• 使节点均匀分布在有限的区域内；
• 避免边的交叉和弯曲；
• 保持边的长度一致；
• 使整体布局能反映图的内在特性。

默认布局（12种）大致可分为两类：

• 力引导布局，共 6 种：force atlas；force atlas2；fruchterman reingold；openord；yifan hu；yifan hu 比例；
• 辅助性的、带有编辑和调整性质的布局：共 6 种：noverlap；rotate；扩展；收缩；标签调整；随机布局。 | 布局类型 | 描述 | 参数配置 | | —- | —- | —- | | force atlas | 使布局更加紧凑，可读性更强 | 1、惯性：值越大，图摇摆幅度越大
  2、斥力强度：节点排斥其他节点的强度，值越大，节点距离越大
  3、吸引强度：连接节点的吸引力强度，值越大，有连接的节点越被拉进
  4、重力：值越小，图越分散；值越大，图越被压缩
  5、速度：布局运动的速度，值越大，图布局的速度越快 | | force atlas 2 | 改进的 force atlas，速度更快 | 1、缩放：节点的斥力强度，值越大，斥力越大，图越稀疏
  2、更强的重力：已定义好的较强的重力
  3、重力：自定义的重力值，可以比更强的重力更强
  4、劝阻 hubs：只有输入的边会被推到边缘
  5、LinLog 模式：线性和对数模式的切换
  6、防止重叠：将重叠的节点展开
  7、容差（速度）：布局速度的选取，较小的值速度慢，但精度更高 | | Fruchterman Reingold 布局 | FR 布局，基于再次改进的弹性模型 | 1、区：定义图形的幅度，值越大图越大，越稀疏
  2、重力：定义重力值，值越大重力越强，节点越被中心吸引
  3、速度：布局的速度，值越大布局速度越快，但越不精确 | | Noverlap（交叠） | 可防止节点重叠，但不考虑节点标签重叠 | 1、速度：速度越快，精度越差
  2、节点间距：间距为 1 时，节点会连接在一起，间距为 2 时，节点会分开；间距为 1.1 时，间距增加 10%，小于 1 时允许节点重叠
  3、幅度：增加幅度半径，幅度为 0 时，没有余量，幅度为 10 时，节点分开至少 20 像素，负幅度允许重叠 | | Openord | 支持多核、并行，适合处理节点较多的图 | 布局阶段分为 liquid、expansion、cooldown、crunch 和 simmer 5 个过程 | | rotate | 顺/逆时针旋转 | 将图形从整体上做顺时针或逆时针旋转 | | Yifan Hu | 在多层级力引导算法中引入超节点概念 | 1、最佳距离：值越大，整个图的尺寸越大
  2、相对强度：值越大，节点越稀疏 | | 扩展/收缩布局 | 对图形做整体上的放大或缩小处理 | 比例因子为 1，图保持原状：
  大于 1：图放大，值越大，放大比例越大；
  小于 1：图缩小，值越小，缩小比例越大 | | 标签调整布局 | 防止节点标签重叠 | 1、速度：值为 1，可较缓慢地把标签重叠的节点躲避开，使节点标签没有重叠，值越大，速度变快，但躲避的幅度会较大
  2、包括节点的大小：勾选后，会使重叠的节点也躲开 | | 随机布局 | Gephi 初始导入数据时的模式，将节点随机散步在正方形内 | 空间大小可以设置随机散步节点的正方形的边长 |

统计：使用算法测度网络

统计面板，主要围绕以下内容：

• 根据统计算法，为节点或边计算出不同的数值；
• 研究节点的度：度、加权度、PageRank、聚类系数、特征向量中心度、模块化；
• 研究边的连接性：网络直径、连接组件；
• 研究图的整体特性：平均度、平均加权度、图密度、平均路径长度；
• 研究聚类特性：模块化。

  模块化和连接组件都具有某种归类或聚类的特性，但模块化根本上是统计节点的一种度，并在此基础上把度相同的节点归类；连接组件并不考虑节点度的状态，而仅仅是根据连接关系对节点归类。

外观：节点、边、标签设置

自定义或根据数据设置节点的大小、节点颜色、边的粗细、边的颜色、节点与边的标签的颜色及大小。在以颜色和大小为目标的编辑中，可以通过两种方式实现，一种是设置为统一的颜色和大小，另一种是根据数值设定颜色和大小。

数据自定义可以有两种方式实现：

1. 原始数据本身携带了可以用于设置的数值；
2. 通过 Gephi 统计功能计算出新的数据用于设置。

节点

界面上右上角的 4 个按钮（节点颜色、节点大小、节点标签颜色、节点标签大小）会和统一的数值设定组合产生不同的效果。

边

界面右上方的 3 个按钮（边颜色、边标签颜色、边标签大小）会和统一的数值设定组合产生不同效果。

Gephi 0.9.1 版本以后，节点与边的颜色的数值设定细分为 partition（分区）和 ranking（排名），partition 是用有区别的颜色给节点或边涂色，ranking 是用颜色渐变的方式给节点或边涂色。而节点与边的其他属性（节点大小、节点与边的标签颜色和标签大小）则没有细分，只有数值设定更改为 ranking，而没有操作上的变动。

过滤：查询、筛选与分类

过滤器 filters 是通过用户设定的规则对网络中的节点或边进行筛选，从而能够更精准的探索与分析网络、过滤界面可以分为三部分：4 个与过滤有关的工具、过滤选取分类、过滤界面查询工具。

四个与过滤有关的工具

重置是清除所有过滤规则；第二个是往过滤的节点中写入数据；第三个是把过滤出的节点和边移动到一个新的工作空间；第四个是隐藏过滤出的节点和边。

过滤选取工具

动态：根据动态图的特性进行过滤
通过约束范围和空值，观察动态图在不同时间段内结构的变化。

属性：根据图节点或边的属性进行过滤

拓扑：根据图的拓扑结构进行过滤

操作分类：过滤过滤，可以将多个过滤器以某种逻辑关系结合在一起进行过滤

边：根据边的特性进行过滤

数据资料界面

数据资料界面最主要的是数据表格面板，当然了，Gephi 中所有面板都是可以自由组合展示的。

数据表格面板提供的功能也非常丰富：

• 节点和边数据展示
• 配置
• 增加节点和边；
• 搜索/替换；
• 输入输出电子表格
• 删除图、删除边
• 重复数据监测
• 添加、删除、合并列

另外每行数据右键菜单上也提供了非常丰富的功能，如编辑节点、移动、复制、设置节点大小等等。

预览界面

预览界面上面，可以看到图的所有配置项，在预览界面同样可以修改图上的元素样式。

Gephi 支持输出 SVG、PDF 或 PNG 格式。

总结

整体看来，Gephi 属于图可视化工具中的佼佼者，虽然很多交互比较反人性，且 UI 丑到爆，但瑕不掩瑜，强大的功能及性能足以掩盖种种不足，是非常值得我们去好好研究和借鉴的图可视化工具，我们做的所有图探索分析产品，在能力上面都应该尽可能地向 Gephi 看齐。