drop enercast submodule; drop Rcpp requirement; fix doc, complete code, fix fix fix
[epclust.git] / epclust / R / clustering.R
index 14e1f83..a8f1d3e 100644 (file)
@@ -1,58 +1,57 @@
-#' @name clustering
-#' @rdname clustering
-#' @aliases clusteringTask1 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{computeClusters1()} and
-#'   \code{computeClusters2()} correspond to the atomic clustering procedures respectively
-#'   for stage 1 and 2. The former applies the clustering algorithm (PAM) on a
-#'   contributions matrix, while the latter clusters a chunk of series inside one task
-#'   (~max nb_series_per_chunk)
+#' \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 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
-#' @param contribs matrix of contributions (e.g. output of \code{curvesToContribs()})
-#' @inheritParams computeSynchrones
+#'   \code{getContribs(indices)} outputs a contributions matrix
 #' @inheritParams claws
+#' @inheritParams computeSynchrones
+#' @inheritParams computeWerDists
 #'
-#' @return For \code{clusteringTask1()} and \code{computeClusters1()}, the indices of the
-#'   computed (K1) medoids. Indices are irrelevant for stage 2 clustering, thus
-#'   \code{computeClusters2()} outputs a matrix of medoids
-#'   (of size limited by nb_series_per_chunk)
+#' @return The indices of the computed (resp. K1 and K2) medoids.
+#'
+#' @name clustering
+#' @rdname clustering
+#' @aliases clusteringTask1 clusteringTask2
 NULL
 
 #' @rdname clustering
 #' @export
-clusteringTask1 = function(
-       indices, getContribs, K1, nb_series_per_chunk, ncores_clust=1, verbose=FALSE, parll=TRUE)
+clusteringTask1 <- function(indices, getContribs, K1, algoClust1, nb_items_clust,
+       ncores_clust=1, verbose=FALSE, parll=TRUE)
 {
-       if (verbose)
-               cat(paste("*** Clustering task on ",length(indices)," lines\n", sep=""))
-
-       wrapComputeClusters1 = function(inds) {
-               if (parll)
-                       require("epclust", quietly=TRUE)
-               if (verbose)
-                       cat(paste("   computeClusters1() on ",length(inds)," lines\n", sep=""))
-               inds[ computeClusters1(getContribs(inds), K1) ]
-       }
-
        if (parll)
        {
-               cl = parallel::makeCluster(ncores_clust)
-               parallel::clusterExport(cl, varlist=c("getContribs","K1","verbose"), envir=environment())
+               # outfile=="" to see stderr/stdout on terminal
+               cl <- parallel::makeCluster(ncores_clust, outfile = "")
+               parallel::clusterExport(cl, c("getContribs","K1","verbose"), envir=environment())
        }
+       # Iterate clustering algorithm 1 until K1 medoids are found
        while (length(indices) > K1)
        {
-               indices_workers = .spreadIndices(indices, nb_series_per_chunk)
-               if (parll)
-                       indices = unlist( parallel::parLapply(cl, indices_workers, wrapComputeClusters1) )
-               else
-                       indices = unlist( lapply(indices_workers, wrapComputeClusters1) )
+               # Balance tasks by splitting the indices set - as evenly as possible
+               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 <-
+                       if (parll)
+                       {
+                               unlist( parallel::parLapply(cl, indices_workers, function(inds) {
+                                       require("epclust", quietly=TRUE)
+                                       inds[ algoClust1(getContribs(inds), K1) ]
+                               }) )
+                       }
+                       else
+                       {
+                               unlist( lapply(indices_workers, function(inds)
+                                       inds[ algoClust1(getContribs(inds), K1) ]
+                               ) )
+                       }
        }
        if (parll)
                parallel::stopCluster(cl)
@@ -62,219 +61,21 @@ clusteringTask1 = function(
 
 #' @rdname clustering
 #' @export
-computeClusters1 = function(contribs, K1)
-       cluster::pam(contribs, K1, diss=FALSE)$id.med
-
-#' @rdname clustering
-#' @export
-computeClusters2 = function(medoids, K2,
-       getRefSeries, nb_ref_curves, nb_series_per_chunk, ncores_clust=1,verbose=FALSE,parll=TRUE)
-{
-       synchrones = computeSynchrones(medoids,
-               getRefSeries, nb_ref_curves, nb_series_per_chunk, ncores_clust, verbose, parll)
-       distances = computeWerDists(synchrones, ncores_clust, verbose, parll)
-       medoids[ cluster::pam(distances, K2, diss=TRUE)$medoids , ]
-}
-
-#' computeSynchrones
-#'
-#' Compute the synchrones curves (sum of clusters elements) from a matrix of medoids,
-#' using L2 distances.
-#'
-#' @param medoids Matrix of medoids (curves of same legnth 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
-#'
-#' @export
-computeSynchrones = function(medoids, getRefSeries,
-       nb_ref_curves, nb_series_per_chunk, ncores_clust=1,verbose=FALSE,parll=TRUE)
-{
-       computeSynchronesChunk = function(indices)
-       {
-               ref_series = getRefSeries(indices)
-               #get medoids indices for this chunk of series
-               for (i in seq_len(nrow(ref_series)))
-               {
-                       j = which.min( rowSums( sweep(medoids, 2, ref_series[i,], '-')^2 ) )
-                       if (parll)
-                               synchronicity::lock(m)
-                       synchrones[j,] = synchrones[j,] + ref_series[i,]
-                       counts[j,1] = counts[j,1] + 1
-                       if (parll)
-                               synchronicity::unlock(m)
-               }
-       }
-
-       K = nrow(medoids)
-       # Use bigmemory (shared==TRUE by default) + synchronicity to fill synchrones in //
-       synchrones = bigmemory::big.matrix(nrow=K,ncol=ncol(medoids),type="double",init=0.)
-       counts = bigmemory::big.matrix(nrow=K,ncol=1,type="double",init=0)
-       # Fork (// run) only on Linux & MacOS; on Windows: run sequentially
-       parll = (requireNamespace("synchronicity",quietly=TRUE)
-               && parll && Sys.info()['sysname'] != "Windows")
-       if (parll)
-               m <- synchronicity::boost.mutex()
-
-       indices_workers = .spreadIndices(seq_len(nb_ref_curves), nb_series_per_chunk)
-       for (inds in indices_workers)
-       {
-               if (verbose)
-                       cat(paste("--- Compute synchrones for ",length(inds)," lines\n", sep=""))
-               if (parll)
-                       ignored <- parallel::mcparallel(computeSynchronesChunk(inds))
-               else
-                       computeSynchronesChunk(inds)
-       }
-       if (parll)
-               parallel::mccollect()
-
-       mat_syncs = matrix(nrow=K, ncol=ncol(medoids))
-       vec_count = rep(NA, K)
-       #TODO: can we avoid this loop?
-       for (i in seq_len(K))
-       {
-               mat_syncs[i,] = synchrones[i,]
-               vec_count[i] = counts[i,1]
-       }
-       #NOTE: odds for some clusters to be empty? (when series already come from stage 2)
-       #      ...maybe; but let's hope resulting K1' be still quite bigger than K2
-       mat_syncs = sweep(mat_syncs, 1, vec_count, '/')
-       mat_syncs[ sapply(seq_len(K), function(i) all(!is.nan(mat_syncs[i,]))) , ]
-}
-
-#' computeWerDists
-#'
-#' Compute the WER distances between the synchrones curves (in rows), which are
-#' returned (e.g.) by \code{computeSynchrones()}
-#'
-#' @param synchrones A matrix of synchrones, in rows. The series have same length as the
-#'   series in the initial dataset
-#' @inheritParams claws
-#'
-#' @export
-computeWerDists = function(synchrones, ncores_clust=1,verbose=FALSE,parll=TRUE)
+clusteringTask2 <- function(indices, getSeries, K2, algoClust2, nb_series_per_chunk,
+       smooth_lvl, nvoice, nbytes, endian, ncores_clust=1, verbose=FALSE, parll=TRUE)
 {
-       n <- nrow(synchrones)
-       delta <- ncol(synchrones)
-       #TODO: automatic tune of all these parameters ? (for other users)
-       nvoice   <- 4
-       # noctave = 2^13 = 8192 half hours ~ 180 days ; ~log2(ncol(synchrones))
-       noctave = 13
-       # 4 here represent 2^5 = 32 half-hours ~ 1 day
-       #NOTE: default scalevector == 2^(0:(noctave * nvoice) / nvoice) * s0 (?)
-       scalevector  <- 2^(4:(noctave * nvoice) / nvoice) * 2
-       #condition: ( log2(s0*w0/(2*pi)) - 1 ) * nvoice + 1.5 >= 1
-       s0=2
-       w0=2*pi
-       scaled=FALSE
-       s0log = as.integer( (log2( s0*w0/(2*pi) ) - 1) * nvoice + 1.5 )
-       totnoct = noctave + as.integer(s0log/nvoice) + 1
-
-       computeCWT = function(i)
-       {
-               if (verbose)
-                       cat(paste("+++ Compute Rwave::cwt() on serie ",i,"\n", sep=""))
-               ts <- scale(ts(synchrones[i,]), center=TRUE, scale=scaled)
-               totts.cwt = Rwave::cwt(ts,totnoct,nvoice,w0,plot=0)
-               ts.cwt = totts.cwt[,s0log:(s0log+noctave*nvoice)]
-               #Normalization
-               sqs <- sqrt(2^(0:(noctave*nvoice)/nvoice)*s0)
-               sqres <- sweep(ts.cwt,2,sqs,'*')
-               sqres / max(Mod(sqres))
-       }
-
-       if (parll)
-       {
-               cl = parallel::makeCluster(ncores_clust)
-               parallel::clusterExport(cl,
-                       varlist=c("synchrones","totnoct","nvoice","w0","s0log","noctave","s0","verbose"),
-                       envir=environment())
-       }
-
-       # (normalized) observations node with CWT
-       Xcwt4 <-
-               if (parll)
-                       parallel::parLapply(cl, seq_len(n), computeCWT)
-               else
-                       lapply(seq_len(n), computeCWT)
-
-       if (parll)
-               parallel::stopCluster(cl)
-
-       Xwer_dist <- bigmemory::big.matrix(nrow=n, ncol=n, type="double")
-       fcoefs = rep(1/3, 3) #moving average on 3 values (TODO: very slow! correct?!)
        if (verbose)
-               cat("*** Compute WER distances from CWT\n")
-
-       computeDistancesLineI = function(i)
-       {
-               if (verbose)
-                       cat(paste("   Line ",i,"\n", sep=""))
-               for (j in (i+1):n)
-               {
-                       #TODO: 'circular=TRUE' is wrong, should just take values on the sides; to rewrite in C
-                       num <- filter(Mod(Xcwt4[[i]] * Conj(Xcwt4[[j]])), fcoefs, circular=TRUE)
-                       WX <- filter(Mod(Xcwt4[[i]] * Conj(Xcwt4[[i]])), fcoefs, circular=TRUE)
-                       WY <- filter(Mod(Xcwt4[[j]] * Conj(Xcwt4[[j]])), fcoefs, circular=TRUE)
-                       wer2    <- sum(colSums(num)^2) / sum( sum(colSums(WX) * colSums(WY)) )
-                       if (parll)
-                               synchronicity::lock(m)
-                       Xwer_dist[i,j] <- sqrt(delta * ncol(Xcwt4[[1]]) * (1 - wer2))
-                       Xwer_dist[j,i] <- Xwer_dist[i,j]
-                       if (parll)
-                               synchronicity::unlock(m)
-               }
-               Xwer_dist[i,i] = 0.
-       }
-
-       parll = (requireNamespace("synchronicity",quietly=TRUE)
-               && parll && Sys.info()['sysname'] != "Windows")
-       if (parll)
-               m <- synchronicity::boost.mutex()
-
-       for (i in 1:(n-1))
-       {
-               if (parll)
-                       ignored <- parallel::mcparallel(computeDistancesLineI(i))
-               else
-                       computeDistancesLineI(i)
-       }
-       Xwer_dist[n,n] = 0.
+               cat(paste("*** Clustering task 2 on ",length(indices)," medoids\n", sep=""))
 
-       if (parll)
-               parallel::mccollect()
+       if (length(indices) <= K2)
+               return (indices)
 
-       mat_dists = matrix(nrow=n, ncol=n)
-       #TODO: avoid this loop?
-       for (i in 1:n)
-               mat_dists[i,] = Xwer_dist[i,]
-       mat_dists
-}
+       # 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)
 
-# Helper function to divide indices into balanced sets
-.spreadIndices = function(indices, nb_per_chunk)
-{
-       L = length(indices)
-       nb_workers = floor( L / nb_per_chunk )
-       if (nb_workers == 0)
-       {
-               # L < nb_series_per_chunk, simple case
-               indices_workers = list(indices)
-       }
-       else
-       {
-               indices_workers = lapply( seq_len(nb_workers), function(i)
-                       indices[(nb_per_chunk*(i-1)+1):(nb_per_chunk*i)] )
-               # Spread the remaining load among the workers
-               rem = L %% nb_per_chunk
-               while (rem > 0)
-               {
-                       index = rem%%nb_workers + 1
-                       indices_workers[[index]] = c(indices_workers[[index]], indices[L-rem+1])
-                       rem = rem - 1
-               }
-       }
-       indices_workers
+       # B) Apply clustering algorithm 2 on the WER distances matrix
+       if (verbose)
+               cat(paste("*** algoClust2() on ",nrow(distances)," items\n", sep=""))
+       indices[ algoClust2(distances,K2) ]
 }