Patrizio Angelini, Giordano Da Lozzo, Giuseppe Di Battista...

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Patrizio Angelini, Giordano Da Lozzo, Giuseppe Di Battista, Fabrizio Frati, Maurizio Patrignani, Vincenzo Roselli

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Patrizio Angelini, Giordano Da Lozzo, Giuseppe Di Battista,

Fabrizio Frati, Maurizio Patrignani, Vincenzo Roselli

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Graph G = (V,E)

Vertices are points

Edges are straight-line segments

Planar: edges do not cross each other

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Metamorphosis I -- M. C. Escher

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Morphing is a special effect in motion pictures and animations that changes (or morphs) one image or shape into another through a seamless transition.

(Wikipedia)

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… changes (or morphs) one planar graph drawing into another through a seamless transition

Vertices move at uniform speed along straight-line segments

Planarity is preserved during the whole morph

(…)

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Some pairs of drawings require several steps

The complexity of a morphing algorithm is defined as the number of steps it performs

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Tietze, Rend. Circ. Matematico di Palermo, 38(1):247-304, 1914

We are in the centennial of the Morphing problem!

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Smith, 1917

Veblen, 1917

Alexander, 1923

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Cairns, 1944

A planar morph exists between any two planar drawings of any maximal planar graph(with an exponential number of steps)

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Thomassen, Journal of Combinatorial Theory B, 1983

A planar convex morph exists between any two planar convex drawings of any maximal planar graph,

(with an exponential number of steps)

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Aicholzer et al, 2011

Floater, Gotsman, Surazhskyseveral papers

Lubiw Petrick, 2011

Biedl et al., 2006

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Alamdari et al., SODA 2013

A planar morph exists between any two planar drawings of any maximal planar graph,

(with a polynomial numer of steps)

O(n2) steps for maximal planar

O(n4) steps for maximal planar

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Angelini et al., GD 2013

Barrera-Cruz et al., MCDMCG, 2013

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Angelini et al., GD 2013

Barrera-Cruz et al., MCDMCG, 2013

At each morphing step, all the vertices move along the same direction

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Angelini et al., GD 2013

Barrera-Cruz et al., MCDMCG, 2013

At each morphing step, all the vertices move along the same direction

Maximal Planar graphs in O(n2) stepsSeries-parallel graphs in O(n) steps

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Theorem 1: There exist an algorithm to morph planar graph drawings in O(n) steps

Theorem 2: There exist two drawings of a planar graph (a path) such that morphing one into the other requires at least Ω(n) steps

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Every planar graph contains at least a vertex of degree at most 5 with no chord between its neighbors

By Euler’s formula, |E| <= 3n-6

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Every polygon with at most 5 vertices has at least one vertex on the boundary of its kernel

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Every polygon with at most 5 vertices has at least one vertex on the boundary of its kernel

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Contraction of a low-degree vertex on one of its neighbors

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1: Select a vertex v of low degree.

It might be contractibleon different neighborsin the two drawings

vv

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2: Contract v in boththe drawings.

We obtain differentgraphs!

vv

O(1) O(1)

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3: Remove v and compute a drawing in which the polygon of itsneighbors is convex

vv

O(1) O(1)

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In this drawing, passing from one neighbor to the other is always possible!

vv

O(1) O(1)

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In this drawing, passing from one neighbor to the other is always possible!

vv

O(1) O(1)

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In this drawing, passing from one neighbor to the other is always possible!

vv

O(1) O(1)

O(1)

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Recursively morph the two contracted drawings to the convex ones in T(n-1) steps

T(n) = 2 T(n-1) + O(1)

= O(2n)

vv

T(n-1) T(n-1)

O(1) O(1)

O(1)

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The morph is not to a specific convex drawing!v

v

O(n) T(n-1)

O(1) O(1)

O(1)

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The morph is not to a specific convex drawing!

T(n) = T(n-1) + O(n)

= O(n2)

vv

T(n-1)

O(1) O(1)

O(n)O(1)

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The morph is to a (very) specific convex drawing!v

v

O(1) T(n-1)

O(1) O(1)

O(1)

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The morph is to a (very) specific convex drawing!

T(n) = T(n-1) + O(1)

= O(n)

vv

T(n-1)

O(1) O(1)

O(1)O(1)

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Given:

a triconnected planar graph G = (V,E)

A set L of parallel lines

A mapping of the vertices of V to lines of L such that orienting the edges of E according to the order of the lines in L yields an st-orientation of G

st-orientation: each face is composed of two oriented paths

Then, G admits a convex drawing in which each vertex of V lies on the line of L it is mapped to

Hong, Nagamochi. J. of Discrete Algorithms, 2010

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Hong, Nagamochi. J. of Discrete Algorithms, 2010

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A linear number of steps are necessary to morph one of these drawings into the other

There exists an edge that must perform a linear number of complete rotations

In a single step, only (a bit less than) half rotation can be performed

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All the algorithms produce intermediate drawings on a very large grid

What about morphing on a limited-size grid?

Can we avoid contractions?

Can we produce convexity-preserving morphings with a polynomial number of steps?

How to morph non-planar graphs?

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