d3-force怎么使用？该算法是怎么实现的？

前言｜force布局

笔者在fastVG产品图可视化布局中force布局采用D3-force-layout,因此介绍下该布局的一些算法逻辑和基础使用规则。

本文预期收获：

1. 对于布局算法有更深入的了解。
2. 在使用d3 & d3-force的时候 有调参规则的经验。
3. 可结合其他渲染库进行独立使用。

算法逻辑简介

算法说明

D3-force-layout (力布局)模块利用velocity Verlet算法 实现了一个用于模拟粒子上物理力的数值积分器。当然内部的模拟做了简化, 假设每个step(的时间单位步长\_Δt = 1 ，所有粒子质量 m = 1。因此，作用在粒子上的力 F 等效于在时间间隔 Δ t上的恒定加速度 a，可以通过简单的方式将其与粒子的速度相加来模拟，然后将其添加到粒子的位置。

通俗简单来说D3-force-layout基于一定的物理规则来定位可视化元素(nodes and edges)。

算法过程

D3 的力布局使用基于物理的模拟器来定位视觉元素。

可以在元素之间设置force(力)，例如：

• elements(所有元素) 都可以配置为与其他元素相互排斥
• elements(所有元素)可以被吸引到center(物理中也称为重心,可理解为中心), 通俗来说就是所有节点的平均位置靠近。
• linked elements (链接元素) 可以设置为fixed distance(固定距离)
• 利用collision detection(碰撞检测), elements(元素)可以配置为避免相互交叉.

通过配置, force-layout从而帮助我们以特定方式来进行定位元素。

本文主要讲如何使用D3-force-layout以及如何使用它来创建**网络可视化(network visualisations),集群(clusters)**展示。

请看下面这个force-layout的例子：假设我们有许多circle, 且这些circles分为3类(通过category字段区分) ，然后我们添加forces：

• circles之间相互吸引（将circles聚集在一起）
• 碰撞检测（避免circles重叠）
• circles被三个重心之一吸引（category字段 :A，B或C）

在codepen中尝试编辑上面示例

force-layout比其他布局算法需要更多的计算量，因为算法内部的实现是迭代式的。逐步达到最优效果。

算法结论/效果

force simulation

一般来说，设置力模拟有 4 个步骤：

• 创建对象数组(nodes and edges)
• 调用forceSimulation，传入对象数组 (nodes)
• 添加一个或多个force functions(力函数)（例如forceManyBody, forceCenter）
• 设置回调函数, each tick (每次迭代)后更新元素的位置。

看个简单的例子：

let width = 300, height = 300  
let nodes = \[{}, {}, {}, {}, {}\]  
​  
let simulation = d3.forceSimulation(nodes)  
  .force('charge', d3.forceManyBody())  
  .force('center', d3.forceCenter(width / 2, height / 2))  
  .on('tick', ticked);

我们在这里创建了一个由 5 个对象组成的简单数组，并添加了两个力函数forceManyBody和forceCenter。（其中第一个使元素相互排斥，而第二个将元素吸引到中心点。）

每次模拟迭代时，ticked都会调用该函数。此函数将nodes数组连接到circle元素并更新它们的位置：

function ticked() {  
  var u = d3.select('svg')  
    .selectAll('circle')  
    .data(nodes)  
    .join('circle')  
    .attr('r', 5)  
    .attr('cx', function(d) {  
      return d.x  
    })  
    .attr('cy', function(d) {  
      return d.y  
    });  
}

在codepen中尝试编辑上面示例

force simulations(力模拟) 的强大和灵活集中在 force functions(力函数) 上，这些函数可以调整元素的位置和速度，以实现吸引、排斥和碰撞检测等多种效果。

D3 内置了很多有用的函数：

• forceCenter（用于设置系统的重心）
• forceManyBody（用于使元素相互吸引或排斥）
• forceCollide（用于防止元素重叠）
• forceX和forceY（用于将元素吸引到给定点）
• forceLink（用于在连接元素之间创建固定距离）

通过.force()将**force functions (力函数)**添加到模拟中，第一个参数是定义的 id，第二个参数是force functions(力函数)：

simulation.force('charge', d3.forceManyBody())

下面我们展开看一下内置的force functions(力函数)。

forceCenter

forceCenter对于将元素作为一个整体围绕centering居中是有用的。如果不设置默认坐标是 [0, 0]。

可以直接设置位置[x,y]初始化：

d3.forceCenter(100, 100)

或使用配置功能.x()和.y()：

d3.forceCenter().x(100).y(100)

然后使用以下方法将其添加到模拟中：

simulation.force('center', d3.forceCenter(100, 100))

forceManyBody

forceManyBody使所有元素相互吸引或排斥。可以设置吸引或排斥的强度，.strength()其中正值导致元素相互吸引，而负值将导致元素相互排斥。默认值为-30。

simulation.force('charge', d3.forceManyBody().strength(-20))

在创建网络图时，通常配置元素相互排斥。但对于元素聚集在一起的需求，则需要配置元素的吸引(引力)。

在codepen中尝试编辑上面示例

forceCollide

forceCollide用于避免元素(此处是circle)重叠，并且可以将circle“聚集”在一起。

元素的半径r是通过将访问器函数.radius方法来传递给forceCollide'的,。此函数的第一个参数d是用来data join，可以从中得到半径r。

例如：

let numNodes = 100  
let nodes = d3.range(numNodes).map(function(d) {  
  return {radius: Math.random() \* 25}  
})  
​  
let simulation = d3.forceSimulation(nodes)  
  .force('charge', d3.forceManyBody().strength(5))  
  .force('center', d3.forceCenter(width / 2, height / 2))  
  .force('collision', d3.forceCollide().radius(function(d) {  
    return d.radius  
  }))

在codepen中尝试编辑上面示例

forceManyBody将所有节点聚集到一起，并将节点保持在容器的中心 ，forceCollide避免节点重叠。

forceX 和 forceY

forceX和forceY设置元素吸引到指定的位置。我们可以对所有元素使用一个中心，也可以为每个元素的基础上添加。同时使用 .strength() 配置引力，进行配合。

例如，假设您有许多元素，每个元素都有一个category具有 value0或1的属性2。您可以添加一个forceX力函数基于元素的category分别将元素吸引到 x 坐标100，300或500的地方：

let xCenter = \[100, 300, 500\];

let simulation = d3.forceSimulation(nodes)
  .force('charge', d3.forceManyBody().strength(5))
  .force('x', d3.forceX().x(function(d) {
    return xCenter\[d.category\];
  }))
  .force('collision', d3.forceCollide().radius(function(d) {
    return d.radius;
  }));

在codepen中尝试编辑上面示例

forceManyBody将所有节点聚集到一起，然后forceX将节点吸引到特定的 x 坐标。forceCollide避免(组织)节点相交。

如果我们的数据具有相关坐标信息，当然也可以同时使用forceX或forceY去定位元素。

...
.force('x', d3.forceX().x(function(d) {
    return d.x;
  }))
.force('y', d3.forceY().y(function(d) {
   return d.y;
}))
...

forceLink

forceLink将链接的元素移动到一个固定的距离(distance)。它需要links(一组链接)来指定将哪些元素链接在一起。每个链接对象指定一个source(源)元素和target（目标)元素，其中值是元素的标识id (如果没有id可以用数组的索引)：

let links = d3.range(nodes.length - 1).map(function(i) {
    return {
        source: Math.floor(Math.sqrt(i)),
        target: i + 1,
    };
});
let links = \[
  {source: 0, target: 1},
  ...
]

然后，使用.links()方法将links(链接数组)传递给forceLink函数：

let simulation = d3.forceSimulation(nodes)
  .force('charge', d3.forceManyBody().strength(-100))
  .force('center', d3.forceCenter(width / 2, height / 2))
  .force('link', d3.forceLink().links(links));

在codepen中尝试编辑上面示例

forceManyBody将节点分开，forceCenter使节点与画布容器保持居中，forceLink保持链接节点之间的固定距离。

算法聚类group webgl渲染效果

d3.forceSimulation(nodes)
    .force("charge", d3.forceManyBody())
    // defaults strength: Math.min(count(link.source), count(link.target));
    // default distance 30
    .force("link", d3.forceLink(layout_links))
    .force('x', d3.forceX().x(function(d) {  // 给定坐标进行节点聚类 group分组
      return groups.indexOf(d.group) * 1200;
    }))
    .force("y", d3.forceY().y(function(d){
      return Math.floor(groups.indexOf(d.group) / 3) * 100;
    }))
    .stop();

最后

本文只是针对一个库的使用介绍,无合适时机引申物理模型相关知识体系。下篇打算针对于d3-force源码:力模型（Force Model）, 多种力类型的实现, 多体系统求解[Barnes-Hut 算法] 迭代/约束 事件处理等方面进行深入探讨/交流。

感谢您的阅读,有问题随时请联系沟通。