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知识图谱可视化技术在美团的实践与探索
知识图谱可视化可以更直观地查看和分析知识图谱的数据。本文主要介绍了美团平台在布局策略、视觉降噪、交互功能、可视化叙事、3D图谱可视化等方面的一些实践和探索，同时沉淀出了uni-graph图可视化解决方案，并支持了美团的很多业务场景，包括美团大脑、图数据库、智能IT运维、组件依赖分析、行业领域图谱等。希望能对从事知识图谱可视化方向的同学有所帮助或启发。
1 知识图谱可视化基本概念
1.1 知识图谱技术的简介
知识图谱（Knowledge Graph）是人工智能的重要分支，它是一种揭示实体之间关系的语义网络，可以对现实世界的事物及其相互关系进行形式化地描述。举个例子，“孙悟空的师傅是唐僧”就是一条知识。在这条知识里，有“孙悟空”和“唐僧”两个实体，“师傅”是描述这两个实体之间的关系，上述内容在知识图谱中就组成了一个SPO三元组（Subject-Predicate-Object）。
所以，对于现实世界中实体之间的关联关系，用知识图谱进行描述的话，就显得非常合适。正是由于知识图谱的这种优势，这项技术得到迅速普及，目前在搜索、推荐、广告、问答等多个领域都有相应的解决方案。
1.2 知识图谱可视化的简介
可视化，简单来说就是将数据以一种更直观的形式表现出来。其实，我们现在常用的折线图、柱状图、饼状图（下称折柱饼），甚至Excel表格，都属于数据可视化的一种。
以往，我们存储数据主要是以数据表的方式，但这种方式很难结构化地存储好知识类型的数据。对于关系类型的数据，如果用前文的例子为基础并补充一些相关信息，经过可视化后就能展示成这样：
这种信息就很难用“折柱饼”或者表格呈现出来，而用知识图谱可视化的方式呈现，就非常的清晰。
2 场景分析与架构设计
2.1 场景需求分析
我们梳理后发现，在美团的各个业务场景中知识图谱可视化需求主要包含以下几类：
- 图查询应用：以图数据库为主的图谱可视化工具，提供图数据的编辑、子图探索、顶点/边信息查询等交互操作。
- 图分析应用：对业务场景中的关系类数据进行可视化展示，帮助业务同学快速了解链路故障、组件依赖等问题。
- 技术品牌建设：通过知识图谱向大家普及人工智能技术是什么，以及它能做什么，让AI也具备可解释性。
2.2 技术选型与架构设计
在图关系可视化上，国内外有很多图可视化的框架，由于美团的业务场景中有很多个性化的需求和交互方式，所以选择了D3.js作为基础框架，虽然它的上手成本更高一些，但是灵活度也比较高，且功能拓展非常方便。D3.js提供了力导向图位置计算的基础算法，同时也有很方便的布局干预手段。于是，我们基于D3.js封装了自己的知识图谱可视化解决方案——uni-graph。
整体的功能与架构设计如下图所示，下面我们会介绍一些uni-graph的功能细节和可视化的通用技术策略。
3 技术挑战与方案设计
3.1 布局策略
在不同类型的知识图谱中，因数据差异较大，对布局效果的要求也有所不同。能让业务数据有合适的布局来做可视化呈现，是一项比较大的技术挑战。除了下面几种基本的布局之外，我们还探索了一些特定场景下的布局方案。
提取数据特征优化布局
D3.js提供的力导向图模块（d3-force）实现了一个velocity Verlet数值积分器，用于模拟粒子的物理运动。在不做过多干预的情况下，会根据节点与边的关系模拟物理粒子的随机运动。D3.js的力导向图提供的力学调参项主要包括Centering（向心力）、Collision（碰撞检测）、Links（弹簧力）、Many-Body（电荷力）、Positioning（定位力）。
如何针对不同的节点进行合适的力学干预，是让布局更符合预期的关键。一般来讲，同一业务场景的图谱结构都具有一定的相似性，我们考虑针对业务特定的数据结构特征来做定制化的力学调优。这里举一个简单的场景进行说明，我们抽象出了在树中才有的层级和叶子节点的概念，虽然部分节点会互相成环，不满足树的定义，但是大部分数据是类似于树的结构，这样调试后，展示的关联关系就会比随机布局更加清晰，用户在寻找自己需要的数据时也会更快。
其实，美团的各个业务场景都有个性化定制布局的需求，这里只是拿其中一个最简单的场景进行说明，uni-graph能够将力学参数调整的模块独立出来，并且梳理出一些常用的参数预设，可以支撑很多场景的布局优化。
层级数据布局方案
在很多业务场景中，用户更倾向于采用分层的方式来观察图谱数据，因为这样有利于理解和分析图谱数据，比如：根据用户探索路径分层、边关系聚合分层、业务属性归类分层、指定中心点路径分层等等，这些需求对图谱的样式和布局形式提出了更高的要求。
得益于D3.js力学布局的灵活性和拓展能力，我们在业务实践的过程中实现了几种常用的布局方案：
以聚簇层布局为例，我们简单介绍一下实现过程：
首先处理图谱数据，将中心节点关联的子节点按关联关系归类，生成聚簇边和聚簇边节点，同时将子节点分层。还需要自定义一种聚簇力，聚簇力包含三个参数ClusterCenter、Strength、Radius，对应聚簇中心、力的强度、聚簇半径。在力学初始化时，我们为每个子节点定义聚簇中心节点和聚簇半径。最后在力学布局的Tick过程中，先计算子节点与其聚簇中心节点坐标偏移量，然后根据偏移量和聚簇半径的差值来判断节点的受力方向和大小，最终经过向量计算得出节点的坐标。
布局参数配置化
在特定领域的图谱可视化中，通常采用一两种布局即可满足用户的展示需求，因为这些场景下的图谱的关系结构相对固定。但作为平台性质的工具，就需要展示多个领域的图谱。为了更清晰地展现出各领域图谱的特点，布局形态就需要跟随图谱而变化。
针对这种场景，我们实现了多项布局参数的配置化，用户可以根据领域图谱的特点优化布局参数，并作为配置保存下来。
领域图谱可视化-网格布局参数调整
图数据库可视化-布局样式参数调整
服务链路可视化-平铺层布局参数调整
3.2 视觉降噪
在用户使用可视化应用时，文字/节点/边等元素内容混杂在一起，如果没有做好信息的表达和呈现，会直接影响到用户的使用体验和使用效率。经过分析，我们发现这是因为在可视化过程中产生的视觉噪声太多，而通过可视化带来的有效信息太少。下面将举例展示什么叫做视觉噪声：
在以上几张图中，虽然将知识图谱的数据呈现了出来，但是元素数量非常多，信息杂乱，给用户的观感是“眼花缭乱”。下面我们会介绍针对这类问题的解决方案。
文字处理
文字主要用在节点和边的描述上，虽然它能提供非常重要的信息，但是节点多了后，文字会在所难免的相互重叠，而重叠后的文字很难快速识别出来，不仅起不到传递信息的作用，反而会造成很差的视觉体验。为此，我们需要对文字进行遮挡检测，根据文字的层叠关系，将置于底部的文字透明度调低，这样即使多层文字重叠后，置于顶层的文字依然能被快速识别。
但这种解法的时间复杂度会随着节点的增多逐渐变得不可控。假如我们有100个节点，最多需要O(n!)的时间复杂度才能计算完毕。我们这里采用栅格划分的方式来做优化，先对画布进行栅格划分，然后确定节点所在的一个或多个栅格，在进行碰撞检测的时候，只需要和自己同栅格的节点做对比即可，因为不同栅格内的节点一定不会出现碰撞的情况。
这种栅格划分的理论基础就是四叉树碰撞检测，我们在此基础上做了进一步的优化。由于需要进行遮挡检测的元素是文字类型的节点，这种节点的特点是长比宽大很多。如果按照传统的四叉树分割算法，就会造成很多文字节点横跨多个栅格，对比的次数较多。在检测前，我们先计算出所有文字节点的平均长宽比，每次栅格划分是横向还是纵向，取决于哪个方向划分后栅格的长宽比更靠近文字的平均长宽比，这样做就会减少文字节点横跨多个栅格的情况，从而减少了每次需要被碰撞检测的节点数量。
边处理
多边散列排布
知识图谱中存在包含大量出（入）边的中心节点，在对这些中心节点的边进行可视化展示时，往往会出现边与中心节点联结处（Nexus）重叠交错在一起的情况，进而影响视觉体验。
针对这种特殊场景，我们设计了一种多边散列排布的算法，通过边夹角偏移量计算和节点半径裁剪，将Nexus分散排布在节点周围，减少边线重叠的情况，以达到更清晰的视觉效果：
多类型可调节边
我们还实现了多种类型的边，并支持通过参数配置的方式来调整边的样式，比如：贝塞尔曲线控制点、弧度、自旋角度等参数，以满足各种复杂图谱的可视化场景。
通过多边散列排布，改变边线类型，并调整样式参数，下面是我们将图谱中凌乱无序的边线优化后的效果：
3.3 交互功能
合适的图谱布局能更好地表达出数据的含义，通过视觉降噪可以进一步让图谱传递出更多的有效信息。但是用户依然需要通过交互找到自己关心的信息，一个图谱可视化工具是否好用，交互功能会起到非常重要的作用。目前，我们实现了下面的基本交互功能：
- 画布操作：拖动、缩放、动态延展、布局变换、多节点圈选。
- 元素（节点和边）操作：样式配置、悬浮高亮、元素锁定、单击、双击、右键菜单、折叠/展开、节点拖动、边类型更改。
- 数据操作：节点的增删改查、边的增删改查、子图探索、数据合并、更新重载。
除了上述的基础交互功能外，我们还探索了一些特殊场景的交互。在图谱可视化中交互的目的，是为了从庞大的知识图谱中找到自己关心数据的关联关系，同时也能够观察到这些关联关系在全局画布中的位置。
路径锁定
通过选取不同的节点，自动计算出节点之间的合适路径，做锁定展现，方便观察两个或多个节点是如何关联起来的。
聚焦展现
对于当前不关注的图谱区域，默认布局可以密集一些来节省画布空间，关注某个区域后，会对当前关注的一小块区域重新布局，让节点排布分散一些，方便查看文字的内容。
其实，无论可视化的节点与边的数量有多庞大，当深入到业务细节中的时候，使用者关注的节点数量其实不多，重点是把使用者关心的数据从大量数据中筛选出来，并且做好清晰地呈现表达。
3.4 美团大脑可视化
美团大脑是围绕吃喝玩乐等多种场景，构建的生活娱乐领域超大规模知识图谱，为用户和商家建立起全方位的链接。为了让美团大脑的能力更容易的被理解和使用，我们需要通过知识图谱可视化的方式让美团大脑更具象化，并开发出便捷的知识图谱查询应用。
在开发知识谱图可视化功能之前，还需要具备一些通用可视化能力。下面主要介绍一下多屏适配和动画相关的技术能力。
多屏适配方案
美团大脑呈现的终端场景非常复杂，有PC/Mac端屏幕、大屏电视、巨型宽屏等。各个屏幕的尺寸比例都有所不同，为了保持统一观感，不能出现滚动条、不能有边缘留白、不能压缩变形。同时在一些重要场合的巨型宽屏上，还要对细节做特定的适配。通过sass的函数和mixin功能可以较好地完成非等比缩放和个性化适配的需求。
- 非等比缩放：在长宽都需要考虑的缩放场景中，使用基于视口百分比的单位vh、vw很合适，设计稿尺寸为1920 * 1080，可以通过转换函数自动计算出对应的vh、vw值。其中为了保证字体大小在不同尺寸的屏幕上更符合预期，会用设计稿里的高为基础单位做rem的指导参数。
- 个性化适配：在超宽的大屏尺寸下，按照比例自动缩放，在某些元素上视觉效果并不是特别完美，上面的mixin可以很方便地在CSS中对特定尺寸的屏幕做个性化适配。
- 像素级还原：针对不同尺寸的设计稿校准时，有些元素会带有阴影效果或者是不规则图形，但是设计师只能按照矩形切图，导致Sketch自动标注的数据不准确。这时可以把浏览器的尺寸设置成与设计稿一致，再蒙上一层半透明的设计稿图片，逐个元素做对齐，就可以快速对不同尺寸屏幕的设计稿做像素级还原。
这套大屏适配技术方案支撑了美团大脑历次的版本迭代。此前在参展亚洲美食节时，由于会场搭建情况比较复杂，屏幕分辨率经历了多次变更，只花费了0.5人日就做到了各种不同分辨率的定制、开发和适配工作。
现场效果
动画脚本自动化
与静态可视化界面相比，动态可视化或者交互式可视化有更好的视觉效果，并且能传递给观看者更多的信息。
此外，美团大脑在展出过程中部分时间是无人值守的，而有了动态可视化后，还需要自动播放循环动画，因此就有了动画脚本自动化的需求：
- 在无人操作时，按照配置好的动画脚本循环执行。
- 用户与应用交互时，能够自动将动画停止。
- 有便捷的方式重新运行动画或进行任意场景的转跳。
美团大脑的动画效果具有以下几个特点：
- 动画类型多样化，包含3D类型、DOM Animation、SVG Animation、第三方Canvas组件、Vue组件切换。
- 多个动画模块之间有衔接依赖，动画执行可以暂停和开始。
- 不同模块的动画之间需要相互通信。
我们将每个动画都封装成一个函数，初期使用了setTimeout和async function的方案：
setTimeout：可以管理简单的动画执行，但是只要前面的动画有时间上的变动，后续所有动画setTimeout的delay参数都需要改，非常麻烦。
async function：将动画都封装成返回Promise的函数，可以解决多个动画模块依赖的问题，这个方案对不同动画模块开发者的协作效率有很大的提升，但是依然无法暂停和取消动画。
async function的方案已经比较好用了，但是主要问题是一旦执行就不能暂停或取消，因此我们基于generator function封装成了类async function，可以做到随时暂停或取消，下面是使用封装的异步动画调度器与各种工具helper写的动画模块业务代码。
整体方案主要有以下几个功能：
- $ae是基于generator function封装的异步工具库async-eraser，CancelToken是停止生成器运行的取消令牌。
- 定制开发了支持异步事件的EventEmitter，emit函数会返回一个Promise，resolve时就会得知emit的动画已经执行完毕，使Vue跨组件的动画调度更容易。
- Vue组件卸载时会自动off监听的事件，同时也能自动停止当前组件内的动画调度器。
- 监听DOM的transitionend和animationend事件，自动获取CSS动画执行结束的时机。
通过上述方案，我们让开发动画模块的同学像写异步函数一样写动画模块，极大地提高了动画模块的开发效率，让每个同学的精力都放在动画细节调试上，下面是最终的实现效果：
美团大脑功能交互
因为美团大脑不仅要参加各类活动与展会，还要服务于同事们的日常工作，帮助大家便捷的查询出POI的知识图谱数据，最终效果如上图所示。它主要有以下功能和交互：
- POI信息查询：星级、评论数、均价、地址、分项评分、推荐理由。
- 知识图谱可视化：成簇布局、环路布局、节点寻路算法、画布的缩放与拖拽、节点锁定操作、聚焦呈现。
- 辅助信息：推荐菜、菜品标签、店铺标签词云、情感曲线、细粒度情感分析、相似餐厅。
3.5 可视化叙事的探索
美团大脑是我们团队第一个知识图谱可视化项目，通过该项目的实践，我们积累了一些可视化基础能力和知识图谱可视化的优化策略，让开发效率得到了极大的提升，同时团队开始考虑在交互和表现形式上做进一步的突破。我们也搜集到一些反馈，发现很多人依然对知识图谱这项技术是什么和能做什么了解得不是很清楚。
经过团队的头脑风暴，我们认为核心原因是AI技术高深复杂，难以具象化，需要对真实场景进行还原。刚好，知识图谱相对于其他的技术而言其可解释性更强，于是我们决定进行可视化叙事的研发。
数据可视化叙事（Visual Data StoryTelling）是通过隐喻对数据进行可视化，并以可视化为手段，向受众讲述数据背后的故事。下面举个例子，来对比一下纯文字与可视化叙事的不同：
可以看到，可视化叙事的形式要比文字更直观，能更清晰地让观看者了解数据背后的故事，还可以通过动效将重点信息呈现，引导用户按照顺序了解故事内容。下面我们会介绍几个在可视化叙事中开发动效的思路。
扫光效果
扫光效果对视觉观感的提升和视觉重点的强调非常有效，我们在做扫光效果的轮廓元素上，需要设计师提供两个文件，一个是轮廓的背景图片，一个是带有轮廓path的svg。经过技术调研，我们发现可以通过svg渐变或者蒙版来进行实现。
SVG渐变
SVG蒙版
渐变方案用在弯曲角度较小的轮廓元素或图谱的边上没有问题，不过渐变只能线性的从一侧到另一侧，如果应用到弯曲角度较大的边上，渐变效果会不连续。
综合分析一下两种方案，蒙版方案更加灵活，渐变性能更好。由于我们的场景可以规避弧度过大的边，因此我们选择了性能更好的渐变方案。
动效节奏调试
一个动效是否有节奏，对于观看者的体验影响非常大，但是节奏感是一个非常难掌握的东西，这里推荐两个辅助工具：animejs和贝塞尔调节。
这两个工具能够给大家带来很多灵感，同时可以让设计师自己利用工具调试出或者找到期望的动效，降低动画开发的协作成本，这里展示一个使用贝塞尔函数实现的动效：
可视化叙事效果
我们为知识图谱的可视化叙事设计了几个典型场景，对日常生活中的找店游玩、商户经营分析等需求进行情景再现，直观地将知识图谱是如何服务真实场景的需求展现出来，以下是可视化叙事的效果：
可视化叙事-总体效果
3.6 3D可视化场景的探索
上面介绍的都是在2D场景下知识图谱可视化的开发经验，为了实现更好的视觉效果，我们还探索了3D场景的技术方案。我们选择了vasturiano的3d-force-graph，主要原因如下：
- 知识图谱布局库为d3-force-3d，是基于d3-force开发的，延续了团队之前在D3.js方向的积累，使用起来也会更熟悉。
- 它是基于three.js做3D对象的渲染，并在渲染层屏蔽了大量的细节，又暴露出了three.js的原始对象，便于对3D场景的二次开发。
在产品与设计层面，因为我们团队在3D可视化上的经验比较少，就学习调研了很多优秀的作品，这里主要从Earth 2050项目获取了一些灵感。下面介绍我们在二次开发过程中主要的优化点。
节点样式优化
3d-force-graph中默认节点就是基础的SphereGeometry 3D对象，视觉观感一般，需要更有光泽的节点，可以通过下面的方案实现。
- 用shader实现一个透明发光遮罩的材质。
- 用类似高尔夫的纹理让节点更有质感。
操作虽然比较简单，但是将关键节点“点亮”后，整体的视觉观感会好很多。
3D动效
为了在3D场景下有更好的效果，还需要添加一些动效。
镜头游走
我们利用了内置的相机进行四元数的旋转计算。
粒子飞散
在飞散的时候，我们创建随机不可见的粒子，控制粒子数量缓慢出现，利用requestAnimationFrame向各自方向飞散。
产品效果与场景思考
最终在CES会场效果如下：
我们在研发了主要应用在技术推广的3D知识图谱可视化后，还考虑迁移到工具类应用中，但是发现工具类应用目前更适合2D的展示与交互，3D虽然对于空间利用率更大，但是用户交互方式也更复杂。如果后续能思考出更高效的交互方式，我们会再次尝试利用3D知识图谱可视化来提升工具类应用的产品体验。
4 落地场景
目前，知识图谱可视化技术方案已经应用在了美团多个业务场景中，包括美团大脑、图数据库、智能IT运维、组件依赖分析、商品标签管理、行业领域图谱等。未来，我们还将探索更多的应用场景。
5 未来展望
最后，展望一下知识图谱可视化技术后面还可以探索的一些方向，我们从交互场景、效果呈现以及工具能力等三个维度进行说明。
交互场景
3D场景中的交互：在3D场景中做知识图谱可视化视觉震撼程度更强，但是现阶段实用程度还不够，交互的效率也不如2D场景，高效的3D交互方式需要进一步探索。
虚拟现实：元宇宙的概念快速带动了VR等虚拟现实技术的发展，技术成熟后或许能带来更好的可视化体验。
效果呈现
大规模知识图谱可视化：在节点数量非常多的知识图谱可视化中，性能上的问题有WebGL、WebGPU等技术方案去解决，但是也仅限于能可视化出来，用户已经很难找到自己需要的信息了，如何既能呈现出成千上万的节点，又能让用户便捷的找到自己需要的关系数据信息很重要。
布局的智能化：目前知识图谱的布局合理性主要靠半人工干预的方式来保证，后面可以考虑针对不同的数据特征去自动匹配合适的力学布局策略，用算法智能预测出最合理的布局方式，减少开发者或用户的干预成本。
工具能力
通用查询工具：目前各大知识图谱数据存储引擎都有自己的可视化查询工具，互不通用，也互有优缺点，如果有统一的可视化查询语言，就能够让一种可视化工具适配多个存储引擎和应用，提高工具应用的效率。
参考资料
- D3.js - Data-Driven Documents
- GitHub - vasturiano/d3-force-3d: Force-directed graph layout in 1D, 2D or 3D using velocity Verlet integration.
- GitHub - vasturiano/3d-force-graph: 3D force-directed graph component using ThreeJS/WebGL
- Earth 2050: A glimpse into the future | Kaspersky
- https://en.wikipedia.org/wiki/Quadtree
- GitHub - getify/CAF: Cancelable Async Flows (CAF)
- GitHub - tj/co: The ultimate generator based flow-control goodness for nodejs (supports thunks, promises, etc)
- Documentation | anime.js
- cubic-bezier.com
本文作者
巍耀、诚威、宋奇、敏芳、曾亮，均为美团平台/搜索与NLP部前端工程师。
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