add comments, fix some things. TODO: comment tests, finish computeWerDists, test it
[epclust.git] / epclust / R / main.R
index 86dac64..bcc650a 100644 (file)
@@ -4,29 +4,35 @@
 #' two stage procedure in parallel (see details).
 #' Input series must be sampled on the same time grid, no missing values.
 #'
-#' @details Summary of the function execution flow:
+#' Summary of the function execution flow:
+#' \enumerate{
+#'   \item Compute and serialize all contributions, obtained through discrete wavelet
+#'     decomposition (see Antoniadis & al. [2013])
+#'   \item Divide series into \code{ntasks} groups to process in parallel. In each task:
 #'   \enumerate{
-#'     \item Compute and serialize all contributions, obtained through discrete wavelet
-#'       decomposition (see Antoniadis & al. [2013])
-#'     \item Divide series into \code{ntasks} groups to process in parallel. In each task:
-#'     \enumerate{
-#'       \item iterate the first clustering algorithm on its aggregated outputs,
-#'         on inputs of size \code{nb_items_clust}
-#'       \item optionally, if WER=="mix":
-#'         a) compute the K1 synchrones curves,
-#'         b) compute WER distances (K1xK1 matrix) between synchrones and
-#'         c) apply the second clustering algorithm
-#'     }
-#'     \item Launch a final task on the aggregated outputs of all previous tasks:
-#'       in the case WER=="end" this task takes indices in input, otherwise
-#'       (medoid) curves
+#'     \item iterate the first clustering algorithm on its aggregated outputs,
+#'       on inputs of size \code{nb_items_clust1}
+#'     \item optionally, if WER=="mix":
+#'       a) compute the K1 synchrones curves,
+#'       b) compute WER distances (K1xK1 matrix) between synchrones and
+#'       c) apply the second clustering algorithm
 #'   }
-#'   The main argument -- \code{getSeries} -- has a quite misleading name, since it can be
-#'   either a [big.]matrix, a CSV file, a connection or a user function to retrieve
-#'   series; the name was chosen because all types of arguments are converted to a function.
-#'   When \code{getSeries} is given as a function, it must take a single argument,
-#'   'indices', integer vector equal to the indices of the curves to retrieve;
-#'   see SQLite example. The nature and role of other arguments should be clear
+#'   \item Launch a final task on the aggregated outputs of all previous tasks:
+#'     in the case WER=="end" this task takes indices in input, otherwise
+#'     (medoid) curves
+#' }
+#' \cr
+#' The main argument -- \code{getSeries} -- has a quite misleading name, since it can be
+#' either a [big.]matrix, a CSV file, a connection or a user function to retrieve
+#' series; the name was chosen because all types of arguments are converted to a function.
+#' When \code{getSeries} is given as a function, it must take a single argument,
+#' 'indices', integer vector equal to the indices of the curves to retrieve;
+#' see SQLite example. The nature and role of other arguments should be clear
+#' \cr
+#' Note: Since we don't make assumptions on initial data, there is a possibility that
+#' even when serialized, contributions or synchrones do not fit in RAM. For example,
+#' 30e6 series of length 100,000 would lead to a +4Go contribution matrix. Therefore,
+#' it's safer to place these in (binary) files; that's what we do.
 #'
 #' @param getSeries Access to the (time-)series, which can be of one of the three
 #'   following types:
 #'   }
 #' @param K1 Number of clusters to be found after stage 1 (K1 << N [number of series])
 #' @param K2 Number of clusters to be found after stage 2 (K2 << K1)
-#' @param nb_per_chunk (Maximum) number of items to retrieve in one batch, for both types of
-#'   retrieval: resp. series and contribution; in a vector of size 2
-#' @param nb_items_clust1 (Maximum) number of items in input of the clustering algorithm
-#'   for stage 1
+#' @param nb_series_per_chunk (Maximum) number of series to retrieve in one batch
+#' @param algoClust1 Clustering algorithm for stage 1. A function which takes (data, K)
+#'   as argument where data is a matrix in columns and K the desired number of clusters,
+#'   and outputs K medoids ranks. Default: PAM. In our method, this function is called
+#'   on iterated medoids during stage 1
+#' @param algoClust2 Clustering algorithm for stage 2. A function which takes (dists, K)
+#'   as argument where dists is a matrix of distances and K the desired number of clusters,
+#'   and outputs K medoids ranks. Default: PAM.  In our method, this function is called
+#'   on a matrix of K1 x K1 (WER) distances computed between synchrones
+#' @param nb_items_clust1 (~Maximum) number of items in input of the clustering algorithm
+#'   for stage 1. At worst, a clustering algorithm might be called with ~2*nb_items_clust1
+#'   items; but this could only happen at the last few iterations.
 #' @param wav_filt Wavelet transform filter; see ?wavelets::wt.filter
 #' @param contrib_type Type of contribution: "relative", "logit" or "absolute" (any prefix)
 #' @param WER "end" to apply stage 2 after stage 1 has fully iterated, or "mix" to apply
 #' series = do.call( cbind, lapply( 1:6, function(i)
 #'   do.call(cbind, wmtsa::wavBootstrap(ref_series[i,], n.realization=400)) ) )
 #' #dim(series) #c(2400,10001)
-#' medoids_ascii = claws(series, K1=60, K2=6, nb_per_chunk=c(200,500), verbose=TRUE)
+#' medoids_ascii = claws(series, K1=60, K2=6, 200, verbose=TRUE)
 #'
 #' # Same example, from CSV file
 #' csv_file = "/tmp/epclust_series.csv"
 #' write.table(series, csv_file, sep=",", row.names=FALSE, col.names=FALSE)
-#' medoids_csv = claws(csv_file, K1=60, K2=6, nb_per_chunk=c(200,500))
+#' medoids_csv = claws(csv_file, K1=60, K2=6, 200)
 #'
 #' # Same example, from binary file
 #' bin_file <- "/tmp/epclust_series.bin"
 #' endian <- "little"
 #' binarize(csv_file, bin_file, 500, nbytes, endian)
 #' getSeries <- function(indices) getDataInFile(indices, bin_file, nbytes, endian)
-#' medoids_bin <- claws(getSeries, K1=60, K2=6, nb_per_chunk=c(200,500))
+#' medoids_bin <- claws(getSeries, K1=60, K2=6, 200)
 #' unlink(csv_file)
 #' unlink(bin_file)
 #'
 #'   df_series <- dbGetQuery(series_db, request)
 #'   as.matrix(df_series[,"value"], nrow=serie_length)
 #' }
-#' medoids_db = claws(getSeries, K1=60, K2=6, nb_per_chunk=c(200,500))
+#' medoids_db = claws(getSeries, K1=60, K2=6, 200))
 #' dbDisconnect(series_db)
 #'
 #' # All computed medoids should be the same:
 #' digest::sha1(medoids_db)
 #' }
 #' @export
-claws <- function(getSeries, K1, K2,
-       nb_per_chunk,nb_items_clust1=7*K1 #volumes of data
-       wav_filt="d8",contrib_type="absolute", #stage 1
-       WER="end", #stage 2
-       random=TRUE, #randomize series order?
-       ntasks=1, ncores_tasks=1, ncores_clust=4, #parallelism
-       sep=",", #ASCII input separator
-       nbytes=4, endian=.Platform$endian, #serialization (write,read)
-       verbose=FALSE, parll=TRUE)
+claws <- function(getSeries, K1, K2, nb_series_per_chunk, nb_items_clust1=7*K1,
+       algoClust1=function(data,K) cluster::pam(t(data),K,diss=FALSE)$id.med,
+       algoClust2=function(dists,K) cluster::pam(dists,K,diss=TRUE)$id.med,
+       wav_filt="d8", contrib_type="absolute", WER="end", random=TRUE,
+       ntasks=1, ncores_tasks=1, ncores_clust=4, sep=",", nbytes=4,
+       endian=.Platform$endian, verbose=FALSE, parll=TRUE)
 {
        # Check/transform arguments
        if (!is.matrix(getSeries) && !bigmemory::is.big.matrix(getSeries)
@@ -147,19 +158,15 @@ claws <- function(getSeries, K1, K2,
        }
        K1 <- .toInteger(K1, function(x) x>=2)
        K2 <- .toInteger(K2, function(x) x>=2)
-       if (!is.numeric(nb_per_chunk) || length(nb_per_chunk)!=2)
-               stop("'nb_per_chunk': numeric, size 2")
-       nb_per_chunk[1] <- .toInteger(nb_per_chunk[1], function(x) x>=1)
-       # A batch of contributions should have at least as many elements as a batch of series,
-       # because it always contains much less values
-       nb_per_chunk[2] <- max(.toInteger(nb_per_chunk[2],function(x) x>=1), nb_per_chunk[1])
+       nb_series_per_chunk <- .toInteger(nb_series_per_chunk, function(x) x>=1)
+       # K1 (number of clusters at step 1) cannot exceed nb_series_per_chunk, because we will need
+       # to load K1 series in memory for clustering stage 2.
+       if (K1 > nb_series_per_chunk)
+               stop("'K1' cannot exceed 'nb_series_per_chunk'")
        nb_items_clust1 <- .toInteger(nb_items_clust1, function(x) x>K1)
        random <- .toLogical(random)
-       tryCatch
-       (
-               {ignored <- wavelets::wt.filter(wav_filt)},
-               error = function(e) stop("Invalid wavelet filter; see ?wavelets::wt.filter")
-       )
+       tryCatch( {ignored <- wavelets::wt.filter(wav_filt)},
+               error = function(e) stop("Invalid wavelet filter; see ?wavelets::wt.filter") )
        ctypes = c("relative","absolute","logit")
        contrib_type = ctypes[ pmatch(contrib_type,ctypes) ]
        if (is.na(contrib_type))
@@ -176,60 +183,89 @@ claws <- function(getSeries, K1, K2,
        verbose <- .toLogical(verbose)
        parll <- .toLogical(parll)
 
-       # Serialize series if required, to always use a function
-       bin_dir <- ".epclust_bin/"
-       dir.create(bin_dir, showWarnings=FALSE, mode="0755")
+       # Binarize series if getSeries is not a function; the aim is to always use a function,
+       # to uniformize treatments. An equally good alternative would be to use a file-backed
+       # bigmemory::big.matrix, but it would break the "all-is-function" pattern.
        if (!is.function(getSeries))
        {
                if (verbose)
                        cat("...Serialize time-series\n")
-               series_file = paste(bin_dir,"data",sep="") ; unlink(series_file)
+               series_file = ".series.bin" ; unlink(series_file)
                binarize(getSeries, series_file, nb_series_per_chunk, sep, nbytes, endian)
                getSeries = function(inds) getDataInFile(inds, series_file, nbytes, endian)
        }
 
        # Serialize all computed wavelets contributions into a file
-       contribs_file = paste(bin_dir,"contribs",sep="") ; unlink(contribs_file)
+       contribs_file = ".contribs.bin" ; unlink(contribs_file)
        index = 1
        nb_curves = 0
        if (verbose)
                cat("...Compute contributions and serialize them\n")
        nb_curves = binarizeTransform(getSeries,
-               function(series) curvesToContribs(series, wf, ctype),
+               function(series) curvesToContribs(series, wav_filt, contrib_type),
                contribs_file, nb_series_per_chunk, nbytes, endian)
        getContribs = function(indices) getDataInFile(indices, contribs_file, nbytes, endian)
 
+       # A few sanity checks: do not continue if too few data available.
        if (nb_curves < K2)
                stop("Not enough data: less series than final number of clusters")
        nb_series_per_task = round(nb_curves / ntasks)
        if (nb_series_per_task < K2)
                stop("Too many tasks: less series in one task than final number of clusters")
 
+       # Generate a random permutation of 1:N (if random==TRUE);
+       # otherwise just use arrival (storage) order.
+       indices_all = if (random) sample(nb_curves) else seq_len(nb_curves)
+       # Split (all) indices into ntasks groups of ~same size
+       indices_tasks = lapply(seq_len(ntasks), function(i) {
+               upper_bound = ifelse( i<ntasks, min(nb_series_per_task*i,nb_curves), nb_curves )
+               indices_all[((i-1)*nb_series_per_task+1):upper_bound]
+       })
+
+       if (parll && ntasks>1)
+       {
+               # Initialize parallel runs: outfile="" allow to output verbose traces in the console
+               # under Linux. All necessary variables are passed to the workers.
+               cl = parallel::makeCluster(ncores_tasks, outfile="")
+               varlist = c("getSeries","getContribs","K1","K2","algoClust1","algoClust2",
+                       "nb_series_per_chunk","nb_items_clust1","ncores_clust",
+                       "sep","nbytes","endian","verbose","parll")
+               if (WER=="mix" && ntasks>1)
+                       varlist = c(varlist, "medoids_file")
+               parallel::clusterExport(cl, varlist, envir = environment())
+       }
+
+       # This function achieves one complete clustering task, divided in stage 1 + stage 2.
+       # stage 1: n indices  --> clusteringTask1(...) --> K1 medoids
+       # stage 2: K1 medoids --> clusteringTask2(...) --> K2 medoids,
+       # where n = N / ntasks, N being the total number of curves.
        runTwoStepClustering = function(inds)
        {
+               # When running in parallel, the environment is blank: we need to load the required
+               # packages, and pass useful variables.
                if (parll && ntasks>1)
                        require("epclust", quietly=TRUE)
                indices_medoids = clusteringTask1(
-                       inds, getContribs, K1, nb_series_per_chunk, ncores_clust, verbose, parll)
-               if (WER=="mix")
+                       inds, getContribs, K1, algoClust1, nb_series_per_chunk, ncores_clust, verbose, parll)
+               if (WER=="mix" && ntasks>1)
                {
-                       if (parll && ntasks>1)
+                       if (parll)
                                require("bigmemory", quietly=TRUE)
                        medoids1 = bigmemory::as.big.matrix( getSeries(indices_medoids) )
-                       medoids2 = clusteringTask2(medoids1, K2, getSeries, nb_curves, nb_series_per_chunk,
-                               nbytes, endian, ncores_clust, verbose, parll)
-                       binarize(medoids2, synchrones_file, nb_series_per_chunk, sep, nbytes, endian)
+                       medoids2 = clusteringTask2(medoids1, K2, algoClust2, getSeries, nb_curves,
+                               nb_series_per_chunk, nbytes, endian, ncores_clust, verbose, parll)
+                       binarize(medoids2, medoids_file, nb_series_per_chunk, sep, nbytes, endian)
                        return (vector("integer",0))
                }
                indices_medoids
        }
 
-       # Cluster contributions in parallel (by nb_series_per_chunk)
-       indices_all = if (random) sample(nb_curves) else seq_len(nb_curves)
-       indices_tasks = lapply(seq_len(ntasks), function(i) {
-               upper_bound = ifelse( i<ntasks, min(nb_series_per_task*i,nb_curves), nb_curves )
-               indices_all[((i-1)*nb_series_per_task+1):upper_bound]
-       })
+       # Synchrones (medoids) need to be stored only if WER=="mix"; indeed in this case, every
+       # task output is a set of new (medoids) curves. If WER=="end" however, output is just a
+       # set of indices, representing some initial series.
+       if (WER=="mix" && ntasks>1)
+               {medoids_file = ".medoids.bin" ; unlink(medoids_file)}
+
        if (verbose)
        {
                message = paste("...Run ",ntasks," x stage 1", sep="")
@@ -237,19 +273,9 @@ claws <- function(getSeries, K1, K2,
                        message = paste(message," + stage 2", sep="")
                cat(paste(message,"\n", sep=""))
        }
-       if (WER=="mix")
-               {synchrones_file = paste(bin_dir,"synchrones",sep="") ; unlink(synchrones_file)}
-       if (parll && ntasks>1)
-       {
-               cl = parallel::makeCluster(ncores_tasks, outfile="")
-               varlist = c("getSeries","getContribs","K1","K2","verbose","parll",
-                       "nb_series_per_chunk","ntasks","ncores_clust","sep","nbytes","endian")
-               if (WER=="mix")
-                       varlist = c(varlist, "synchrones_file")
-               parallel::clusterExport(cl, varlist=varlist, envir = environment())
-       }
 
-       # 1000*K1 indices [if WER=="end"], or empty vector [if WER=="mix"] --> series on file
+       # As explained above, indices will be assigned to ntasks*K1 medoids indices [if WER=="end"],
+       # or nothing (empty vector) if WER=="mix"; in this case, synchrones are stored in a file.
        indices <-
                if (parll && ntasks>1)
                        unlist( parallel::parLapply(cl, indices_tasks, runTwoStepClustering) )
@@ -258,34 +284,45 @@ claws <- function(getSeries, K1, K2,
        if (parll && ntasks>1)
                parallel::stopCluster(cl)
 
+       # Right before the final stage, two situations are possible:
+       #  a. data to be processed now sit in a binary format in medoids_file (if WER=="mix")
+       #  b. data still is the initial set of curves, referenced by the ntasks*K1 indices
+       # So, the function getSeries() will potentially change. However, computeSynchrones()
+       # requires a function retrieving the initial series. Thus, the next line saves future
+       # conditional instructions.
        getRefSeries = getSeries
-       if (WER=="mix")
+
+       if (WER=="mix" && ntasks>1)
        {
                indices = seq_len(ntasks*K2)
-               #Now series must be retrieved from synchrones_file
-               getSeries = function(inds) getDataInFile(inds, synchrones_file, nbytes, endian)
-               #Contributions must be re-computed
+               # Now series (synchrones) must be retrieved from medoids_file
+               getSeries = function(inds) getDataInFile(inds, medoids_file, nbytes, endian)
+               # Contributions must be re-computed
                unlink(contribs_file)
                index = 1
                if (verbose)
                        cat("...Serialize contributions computed on synchrones\n")
                ignored = binarizeTransform(getSeries,
-                       function(series) curvesToContribs(series, wf, ctype),
+                       function(series) curvesToContribs(series, wav_filt, contrib_type),
                        contribs_file, nb_series_per_chunk, nbytes, endian)
        }
 
        # Run step2 on resulting indices or series (from file)
        if (verbose)
                cat("...Run final // stage 1 + stage 2\n")
-       indices_medoids = clusteringTask1(
-               indices, getContribs, K1, nb_series_per_chunk, ncores_tasks*ncores_clust, verbose, parll)
+       indices_medoids = clusteringTask1(indices, getContribs, K1, algoClust1,
+               nb_series_per_chunk, ncores_tasks*ncores_clust, verbose, parll)
        medoids1 = bigmemory::as.big.matrix( getSeries(indices_medoids) )
-       medoids2 = clusteringTask2(medoids1, K2, getRefSeries, nb_curves, nb_series_per_chunk,
-               nbytes, endian, ncores_tasks*ncores_clust, verbose, parll)
+       medoids2 = clusteringTask2(medoids1, K2, algoClust2, getRefSeries, nb_curves,
+               nb_series_per_chunk, nbytes, endian, ncores_tasks*ncores_clust, verbose, parll)
 
-       # Cleanup
-       unlink(bin_dir, recursive=TRUE)
+       # Cleanup: remove temporary binary files
+       tryCatch(
+               {unlink(series_file); unlink(contribs_file); unlink(medoids_file)},
+               error = function(e) {})
 
+       # Return medoids as a standard matrix, since K2 series have to fit in RAM
+       # (clustering algorithm 1 takes K1 > K2 of them as input)
        medoids2[,]
 }
 
@@ -300,14 +337,17 @@ claws <- function(getSeries, K1, K2,
 #' @return A [big.]matrix of size log(L) x n containing contributions in columns
 #'
 #' @export
-curvesToContribs = function(series, wav_filt, contrib_type)
+curvesToContribs = function(series, wav_filt, contrib_type, coin=FALSE)
 {
+       series = as.matrix(series) #1D serie could occur
        L = nrow(series)
        D = ceiling( log2(L) )
+       # Series are interpolated to all have length 2^D
        nb_sample_points = 2^D
        apply(series, 2, function(x) {
                interpolated_curve = spline(1:L, x, n=nb_sample_points)$y
-               W = wavelets::dwt(interpolated_curve, filter=wf, D)@W
+               W = wavelets::dwt(interpolated_curve, filter=wav_filt, D)@W
+               # Compute the sum of squared discrete wavelet coefficients, for each scale
                nrj = rev( sapply( W, function(v) ( sqrt( sum(v^2) ) ) ) )
                if (contrib_type!="absolute")
                        nrj = nrj / sum(nrj)