improve/fix comments - TODO: debug examples, CSV and after
[epclust.git] / epclust / R / clustering.R
index 8be8715..1774b19 100644 (file)
@@ -1,45 +1,45 @@
-#' @name clustering
-#' @rdname clustering
-#' @aliases clusteringTask1 clusteringTask2 computeClusters1 computeClusters2
-#'
-#' @title Two-stage clustering, withing one task (see \code{claws()})
+#' Two-stage clustering, within one task (see \code{claws()})
 #'
-#' @description \code{clusteringTask1()} runs one full stage-1 task, which consists in
-#'   iterated stage 1 clustering (on nb_curves / ntasks energy contributions, computed
-#'   through discrete wavelets coefficients).
-#'   \code{clusteringTask2()} runs a full stage-2 task, which consists in synchrones
-#'   and then WER distances computations, before applying the clustering algorithm.
-#'   \code{computeClusters1()} and \code{computeClusters2()} correspond to the atomic
-#'   clustering procedures respectively for stage 1 and 2. The former applies the
-#'   first clustering algorithm on a contributions matrix, while the latter clusters
-#'   a set of series inside one task (~nb_items_clust1)
+#' \code{clusteringTask1()} runs one full stage-1 task, which consists in iterated
+#' clustering on nb_curves / ntasks energy contributions, computed through
+#' discrete wavelets coefficients.
+#' \code{clusteringTask2()} runs a full stage-2 task, which consists in WER distances
+#' computations between medoids (indices) output from stage 1, before applying
+#' the second clustering algorithm on the distances matrix.
 #'
-#' @param indices Range of series indices to cluster in parallel (initial data)
 #' @param getContribs Function to retrieve contributions from initial series indices:
-#'   \code{getContribs(indices)} outpus a contributions matrix
-#' @inheritParams computeSynchrones
+#'   \code{getContribs(indices)} outputs a contributions matrix, in columns
 #' @inheritParams claws
+#' @inheritParams computeSynchrones
+#' @inheritParams computeWerDists
+#'
+#' @return The indices of the computed (resp. K1 and K2) medoids.
 #'
-#' @return For \code{clusteringTask1()}, the indices of the computed (K1) medoids.
-#'   Indices are irrelevant for stage 2 clustering, thus \code{clusteringTask2()}
-#'   outputs a big.matrix of medoids (of size LxK2, K2 = final number of clusters)
+#' @name clustering
+#' @rdname clustering
+#' @aliases clusteringTask1 clusteringTask2
 NULL
 
 #' @rdname clustering
 #' @export
-clusteringTask1 = function(indices, getContribs, K1, algoClust1, nb_items_clust1,
-       ncores_clust=1, verbose=FALSE, parll=TRUE)
+clusteringTask1 <- function(indices, getContribs, K1, algoClust1, nb_items_clust,
+       ncores_clust=3, verbose=FALSE, parll=TRUE)
 {
        if (parll)
        {
-               cl = parallel::makeCluster(ncores_clust, outfile = "")
+               # outfile=="" to see stderr/stdout on terminal
+               cl <-
+                       if (verbose)
+                               parallel::makeCluster(ncores_clust, outfile = "")
+                       else
+                               parallel::makeCluster(ncores_clust)
                parallel::clusterExport(cl, c("getContribs","K1","verbose"), envir=environment())
        }
        # Iterate clustering algorithm 1 until K1 medoids are found
        while (length(indices) > K1)
        {
                # Balance tasks by splitting the indices set - as evenly as possible
-               indices_workers = .spreadIndices(indices, nb_items_clust1)
+               indices_workers <- .splitIndices(indices, nb_items_clust, min_size=K1+1)
                if (verbose)
                        cat(paste("*** [iterated] Clustering task 1 on ",length(indices)," series\n", sep=""))
                indices <-
@@ -65,277 +65,21 @@ clusteringTask1 = function(indices, getContribs, K1, algoClust1, nb_items_clust1
 
 #' @rdname clustering
 #' @export
-clusteringTask2 = function(medoids, K2, algoClust2, getRefSeries, nb_ref_curves,
-       nb_series_per_chunk, nvoice, nbytes,endian,ncores_clust=1,verbose=FALSE,parll=TRUE)
+clusteringTask2 <- function(indices, getSeries, K2, algoClust2, nb_series_per_chunk,
+       smooth_lvl, nvoice, nbytes, endian, ncores_clust=3, verbose=FALSE, parll=TRUE)
 {
        if (verbose)
-               cat(paste("*** Clustering task 2 on ",ncol(medoids)," synchrones\n", sep=""))
+               cat(paste("*** Clustering task 2 on ",length(indices)," medoids\n", sep=""))
 
-       if (ncol(medoids) <= K2)
-               return (medoids)
+       if (length(indices) <= K2)
+               return (indices)
 
-       # A) Obtain synchrones, that is to say the cumulated power consumptions
-       #    for each of the K1 initial groups
-       synchrones = computeSynchrones(medoids, getRefSeries, nb_ref_curves,
-               nb_series_per_chunk, ncores_clust, verbose, parll)
+       # A) Compute the WER distances (Wavelets Extended coefficient of deteRmination)
+       distances <- computeWerDists(indices, getSeries, nb_series_per_chunk,
+               smooth_lvl, nvoice, nbytes, endian, ncores_clust, verbose, parll)
 
-       # B) Compute the WER distances (Wavelets Extended coefficient of deteRmination)
-       distances = computeWerDists(
-               synchrones, nvoice, nbytes, endian, ncores_clust, verbose, parll)
-
-       # C) Apply clustering algorithm 2 on the WER distances matrix
+       # B) Apply clustering algorithm 2 on the WER distances matrix
        if (verbose)
                cat(paste("*** algoClust2() on ",nrow(distances)," items\n", sep=""))
-       medoids[ ,algoClust2(distances,K2) ]
-}
-
-#' computeSynchrones
-#'
-#' Compute the synchrones curves (sum of clusters elements) from a matrix of medoids,
-#' using euclidian distance.
-#'
-#' @param medoids big.matrix of medoids (curves of same length as initial series)
-#' @param getRefSeries Function to retrieve initial series (e.g. in stage 2 after series
-#'   have been replaced by stage-1 medoids)
-#' @param nb_ref_curves How many reference series? (This number is known at this stage)
-#' @inheritParams claws
-#'
-#' @return A big.matrix of size L x K1 where L = length of a serie
-#'
-#' @export
-computeSynchrones = function(medoids, getRefSeries, nb_ref_curves,
-       nb_series_per_chunk, ncores_clust=1,verbose=FALSE,parll=TRUE)
-{
-       # Synchrones computation is embarassingly parallel: compute it by chunks of series
-       computeSynchronesChunk = function(indices)
-       {
-               if (parll)
-               {
-                       require("bigmemory", quietly=TRUE)
-                       requireNamespace("synchronicity", quietly=TRUE)
-                       require("epclust", quietly=TRUE)
-                       # The big.matrix objects need to be attached to be usable on the workers
-                       synchrones <- bigmemory::attach.big.matrix(synchrones_desc)
-                       medoids <- bigmemory::attach.big.matrix(medoids_desc)
-                       m <- synchronicity::attach.mutex(m_desc)
-               }
-
-               # Obtain a chunk of reference series
-               ref_series = getRefSeries(indices)
-               nb_series = ncol(ref_series)
-
-               # Get medoids indices for this chunk of series
-               mi = computeMedoidsIndices(medoids@address, ref_series)
-
-               # Update synchrones using mi above
-               for (i in seq_len(nb_series))
-               {
-                       if (parll)
-                               synchronicity::lock(m) #locking required because several writes at the same time
-                       synchrones[, mi[i] ] = synchrones[, mi[i] ] + ref_series[,i]
-                       if (parll)
-                               synchronicity::unlock(m)
-               }
-               NULL
-       }
-
-       K = ncol(medoids) ; L = nrow(medoids)
-       # Use bigmemory (shared==TRUE by default) + synchronicity to fill synchrones in //
-       synchrones = bigmemory::big.matrix(nrow=L, ncol=K, type="double", init=0.)
-       # NOTE: synchronicity is only for Linux & MacOS; on Windows: run sequentially
-       parll = (parll && requireNamespace("synchronicity",quietly=TRUE)
-               && Sys.info()['sysname'] != "Windows")
-       if (parll)
-       {
-               m <- synchronicity::boost.mutex() #for lock/unlock, see computeSynchronesChunk
-               # mutex and big.matrix objects cannot be passed directly:
-               # they will be accessed from their description
-               m_desc <- synchronicity::describe(m)
-               synchrones_desc = bigmemory::describe(synchrones)
-               medoids_desc = bigmemory::describe(medoids)
-               cl = parallel::makeCluster(ncores_clust)
-               parallel::clusterExport(cl, envir=environment(),
-                       varlist=c("synchrones_desc","m_desc","medoids_desc","getRefSeries"))
-       }
-
-       if (verbose)
-               cat(paste("--- Compute ",K," synchrones with ",nb_ref_curves," series\n", sep=""))
-
-       # Balance tasks by splitting the indices set - maybe not so evenly, but
-       # max==TRUE in next call ensures that no set has more than nb_series_per_chunk items.
-       indices_workers = .spreadIndices(seq_len(nb_ref_curves), nb_series_per_chunk, max=TRUE)
-       ignored <-
-               if (parll)
-                       parallel::parLapply(cl, indices_workers, computeSynchronesChunk)
-               else
-                       lapply(indices_workers, computeSynchronesChunk)
-
-       if (parll)
-               parallel::stopCluster(cl)
-
-       return (synchrones)
-}
-
-#' computeWerDists
-#'
-#' Compute the WER distances between the synchrones curves (in columns), which are
-#' returned (e.g.) by \code{computeSynchrones()}
-#'
-#' @param synchrones A big.matrix of synchrones, in columns. The series have same
-#'   length as the series in the initial dataset
-#' @inheritParams claws
-#'
-#' @return A distances matrix of size K1 x K1
-#'
-#' @export
-computeWerDists = function(synchrones, nvoice, nbytes,endian,ncores_clust=1,
-       verbose=FALSE,parll=TRUE)
-{
-       n <- ncol(synchrones)
-       L <- nrow(synchrones)
-       noctave = ceiling(log2(L)) #min power of 2 to cover serie range
-
-       # Initialize result as a square big.matrix of size 'number of synchrones'
-       Xwer_dist <- bigmemory::big.matrix(nrow=n, ncol=n, type="double")
-
-       # Generate n(n-1)/2 pairs for WER distances computations
-       pairs = list()
-       V = seq_len(n)
-       for (i in 1:n)
-       {
-               V = V[-1]
-               pairs = c(pairs, lapply(V, function(v) c(i,v)))
-       }
-
-       cwt_file = ".cwt.bin"
-       # Compute the synchrones[,index] CWT, and store it in the binary file above
-       computeSaveCWT = function(index)
-       {
-               if (parll && !exists(synchrones)) #avoid going here after first call on a worker
-               {
-                       require("bigmemory", quietly=TRUE)
-                       require("Rwave", quietly=TRUE)
-                       require("epclust", quietly=TRUE)
-                       synchrones <- bigmemory::attach.big.matrix(synchrones_desc)
-               }
-               ts <- scale(ts(synchrones[,index]), center=TRUE, scale=FALSE)
-               ts_cwt = Rwave::cwt(ts, noctave, nvoice, w0=2*pi, twoD=TRUE, plot=FALSE)
-
-               # Serialization
-               binarize(as.matrix(c(as.double(Re(ts_cwt)),as.double(Im(ts_cwt)))), cwt_file, 1,
-                       ",", nbytes, endian)
-       }
-
-       if (parll)
-       {
-               cl = parallel::makeCluster(ncores_clust)
-               synchrones_desc <- bigmemory::describe(synchrones)
-               Xwer_dist_desc <- bigmemory::describe(Xwer_dist)
-               parallel::clusterExport(cl, varlist=c("parll","synchrones_desc","Xwer_dist_desc",
-                       "noctave","nvoice","verbose","getCWT"), envir=environment())
-       }
-
-       if (verbose)
-               cat(paste("--- Precompute and serialize synchrones CWT\n", sep=""))
-
-       ignored <-
-               if (parll)
-                       parallel::parLapply(cl, 1:n, computeSaveCWT)
-               else
-                       lapply(1:n, computeSaveCWT)
-
-       # Function to retrieve a synchrone CWT from (binary) file
-       getSynchroneCWT = function(index, L)
-       {
-               flat_cwt <- getDataInFile(index, cwt_file, nbytes, endian)
-               cwt_length = length(flat_cwt) / 2
-               re_part = as.matrix(flat_cwt[1:cwt_length], nrow=L)
-               im_part = as.matrix(flat_cwt[(cwt_length+1):(2*cwt_length)], nrow=L)
-               re_part + 1i * im_part
-       }
-
-       # Compute distance between columns i and j in synchrones
-       computeDistanceIJ = function(pair)
-       {
-               if (parll)
-               {
-                       # parallel workers start with an empty environment
-                       require("bigmemory", quietly=TRUE)
-                       require("epclust", quietly=TRUE)
-                       synchrones <- bigmemory::attach.big.matrix(synchrones_desc)
-                       Xwer_dist <- bigmemory::attach.big.matrix(Xwer_dist_desc)
-               }
-
-               i = pair[1] ; j = pair[2]
-               if (verbose && j==i+1 && !parll)
-                       cat(paste("   Distances (",i,",",j,"), (",i,",",j+1,") ...\n", sep=""))
-
-               # Compute CWT of columns i and j in synchrones
-               L = nrow(synchrones)
-               cwt_i <- getSynchroneCWT(i, L)
-               cwt_j <- getSynchroneCWT(j, L)
-
-               # Compute the ratio of integrals formula 5.6 for WER^2
-               # in https://arxiv.org/abs/1101.4744v2 ยง5.3
-               num <- filterMA(Mod(cwt_i * Conj(cwt_j)))
-               WX  <- filterMA(Mod(cwt_i * Conj(cwt_i)))
-               WY <- filterMA(Mod(cwt_j * Conj(cwt_j)))
-               wer2 <- sum(colSums(num)^2) / sum(colSums(WX) * colSums(WY))
-
-               Xwer_dist[i,j] <- sqrt(L * ncol(cwt_i) * (1 - wer2))
-               Xwer_dist[j,i] <- Xwer_dist[i,j]
-               Xwer_dist[i,i] <- 0.
-       }
-
-       if (verbose)
-               cat(paste("--- Compute WER distances\n", sep=""))
-
-       ignored <-
-               if (parll)
-                       parallel::parLapply(cl, pairs, computeDistanceIJ)
-               else
-                       lapply(pairs, computeDistanceIJ)
-
-       if (parll)
-               parallel::stopCluster(cl)
-
-       unlink(cwt_file)
-
-       Xwer_dist[n,n] = 0.
-       Xwer_dist[,] #~small matrix K1 x K1
-}
-
-# Helper function to divide indices into balanced sets
-# If max == TRUE, sets sizes cannot exceed nb_per_set
-.spreadIndices = function(indices, nb_per_set, max=FALSE)
-{
-       L = length(indices)
-       nb_workers = floor( L / nb_per_set )
-       rem = L %% nb_per_set
-       if (nb_workers == 0 || (nb_workers==1 && rem==0))
-       {
-               # L <= nb_per_set, simple case
-               indices_workers = list(indices)
-       }
-       else
-       {
-               indices_workers = lapply( seq_len(nb_workers), function(i)
-                       indices[(nb_per_set*(i-1)+1):(nb_per_set*i)] )
-
-               if (max)
-               {
-                       # Sets are not so well balanced, but size is supposed to be critical
-                       return ( c( indices_workers, if (rem>0) list((L-rem+1):L) else NULL ) )
-               }
-
-               # Spread the remaining load among the workers
-               rem = L %% nb_per_set
-               while (rem > 0)
-               {
-                       index = rem%%nb_workers + 1
-                       indices_workers[[index]] = c(indices_workers[[index]], indices[L-rem+1])
-                       rem = rem - 1
-               }
-       }
-       indices_workers
+       indices[ algoClust2(distances,K2) ]
 }