STAT/TKDInterpolatorBase.cxx

   1 #include "TKDInterpolatorBase.h"
   2 #include "TKDNodeInfo.h"
   3 #include "TKDTree.h"
   4
   5 #include "TClonesArray.h"
   6 #include "TLinearFitter.h"
   7 #include "TTree.h"
   8 #include "TH2.h"
   9 #include "TObjArray.h"
  10 #include "TObjString.h"
  11 #include "TBox.h"
  12 #include "TGraph.h"
  13 #include "TMarker.h"
  14 #include "TMath.h"
  15 #include "TVectorD.h"
  16 #include "TMatrixD.h"
  17
  18 ClassImp(TKDInterpolatorBase)
  19
  20 /////////////////////////////////////////////////////////////////////
  21 // Memory setup of protected data members
  22 // fRefPoints : evaluation point of PDF for each terminal node of underlying KD Tree.
  23 // | 1st terminal node (fNDim point coordinates) | 2nd terminal node (fNDim point coordinates) | ...
  24 //
  25 // fRefValues : evaluation value/error of PDF for each terminal node of underlying KD Tree.
  26 // | 1st terminal node (value) | 2nd terminal node (value) | ... | 1st terminal node (error) | 2nd terminal node (error) | ...
  27 //
  28 // status = |0|0|0|0|0|1(tri-cubic weights)|1(STORE)|1 INT(0 COG )|
  29 /////////////////////////////////////////////////////////////////////
  30
  31
  32 //_________________________________________________________________
  33 TKDInterpolatorBase::TKDInterpolatorBase(Int_t dim) :
  34   fNSize(dim)
  35   ,fNTNodes(0)
  36   ,fTNodes(0x0)
  37   ,fStatus(4)
  38   ,fLambda(1 + dim + (dim*(dim+1)>>1))
  39   ,fDepth(-1)
  40   ,fAlpha(.5)
  41   ,fRefPoints(0x0)
  42   ,fBuffer(0x0)
  43   ,fKDhelper(0x0)
  44   ,fFitter(0x0)
  45 {
  46 // Default constructor. To be used with care since in this case building
  47 // of data structure is completly left to the user responsability.
  48 }
  49
  50 //_________________________________________________________________
  51 void    TKDInterpolatorBase::Build(Int_t n)
  52 {
  53   // allocate memory for data
  54
  55   if(fTNodes) delete fTNodes;
  56   fNTNodes = n;
  57   fTNodes = new TClonesArray("TKDNodeInfo", fNTNodes);
  58   for(int in=0; in<fNTNodes; in++) new ((*fTNodes)[in]) TKDNodeInfo(fNSize);
  59 }
  60
  61 //_________________________________________________________________
  62 TKDInterpolatorBase::~TKDInterpolatorBase()
  63 {
  64   if(fFitter) delete fFitter;
  65   if(fKDhelper) delete fKDhelper;
  66   if(fBuffer) delete [] fBuffer;
  67
  68   if(fRefPoints){
  69     for(int idim=0; idim<fNSize; idim++) delete [] fRefPoints[idim] ;
  70     delete [] fRefPoints;
  71   }
  72   if(fTNodes) delete fTNodes;
  73 }
  74
  75
  76 //__________________________________________________________________
  77 Bool_t  TKDInterpolatorBase::GetCOGPoint(Int_t inode, Float_t *&coord, Float_t &val, Float_t &err) const
  78 {
  79   if(inode < 0 || inode > fNTNodes) return kFALSE;
  80
  81   TKDNodeInfo *node = (TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[inode];
  82   coord = &(node->Data()[0]);
  83   val = node->Val()[0];
  84   err = node->Val()[1];
  85   return kTRUE;
  86 }
  87
  88 //_________________________________________________________________
  89 TKDNodeInfo* TKDInterpolatorBase::GetNodeInfo(Int_t inode) const
  90 {
  91   if(!fTNodes || inode >= fNTNodes) return 0x0;
  92   return (TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[inode];
  93 }
  94
  95
  96 //__________________________________________________________________
  97 void TKDInterpolatorBase::GetStatus()
  98 {
  99 // Prints the status of the interpolator
 100
 101   printf("Interpolator Status :\n");
 102   printf("  Dim    : %d [%d]\n", fNSize, fLambda);
 103   printf("  Method : %s\n", fStatus&1 ? "INT" : "COG");
 104   printf("  Store  : %s\n", fStatus&2 ? "YES" : "NO");
 105   printf("  Weights: %s\n", fStatus&4 ? "YES" : "NO");
 106
 107   printf("fNTNodes %d\n", fNTNodes);        //Number of evaluation data points
 108   for(int i=0; i<fNTNodes; i++){
 109     TKDNodeInfo *node = (TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[i];
 110     printf("%d ", i); node->Print();
 111   }
 112 }
 113
 114 //_________________________________________________________________
 115 Double_t TKDInterpolatorBase::Eval(const Double_t *point, Double_t &result, Double_t &error, Bool_t force)
 116 {
 117 // Evaluate PDF for "point". The result is returned in "result" and error in "error". The function returns the chi2 of the fit.
 118 //
 119 // Observations:
 120 //
 121 // 1. The default method used for interpolation is kCOG.
 122 // 2. The initial number of neighbors used for the estimation is set to Int(alpha*fLambda) (alpha = 1.5)
 123
 124   Float_t pointF[50]; // local Float_t conversion for "point"
 125   for(int idim=0; idim<fNSize; idim++) pointF[idim] = (Float_t)point[idim];
 126   Int_t nodeIndex = GetNodeIndex(pointF);
 127   if(nodeIndex<0){
 128     result = 0.;
 129     error = 1.E10;
 130     return 0.;
 131   }
 132   TKDNodeInfo *node = (TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[nodeIndex];
 133   if((fStatus&1) && node->Cov() && !force) return node->CookPDF(point, result, error);
 134
 135   // Allocate memory
 136   if(!fBuffer) fBuffer = new Double_t[2*fLambda];
 137   if(!fKDhelper){
 138     fRefPoints = new Float_t*[fNSize];
 139     for(int id=0; id<fNSize; id++){
 140       fRefPoints[id] = new Float_t[fNTNodes];
 141       for(int in=0; in<fNTNodes; in++) fRefPoints[id][in] = ((TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[in])->Data()[id];
 142     }
 143     fKDhelper = new TKDTreeIF(fNTNodes, fNSize, 30, fRefPoints);
 144     fKDhelper->MakeBoundaries();
 145   }
 146   if(!fFitter) fFitter = new TLinearFitter(fLambda, Form("hyp%d", fLambda-1));
 147
 148   // generate parabolic for nD
 149   //Float_t alpha = Float_t(2*lambda + 1) / fNTNodes; // the bandwidth or smoothing parameter
 150   //Int_t npoints = Int_t(alpha * fNTNodes);
 151   //printf("Params : %d NPoints %d\n", lambda, npoints);
 152   // prepare workers
 153
 154   Int_t ipar,    // local looping variable
 155         npoints = Int_t((1.+fAlpha)*fLambda); // number of data points used for interpolation
 156   Int_t *index = new Int_t[2*npoints];  // indexes of NN
 157   Float_t *dist = new Float_t[2*npoints], // distances of NN
 158           d,     // NN normalized distance
 159           w0,    // work
 160           w;     // tri-cubic weight function
 161
 162   do{
 163     // find nearest neighbors
 164     for(int idim=0; idim<fNSize; idim++) pointF[idim] = (Float_t)point[idim];
 165     fKDhelper->FindNearestNeighbors(pointF, npoints+1, index, dist);
 166     // add points to fitter
 167     fFitter->ClearPoints();
 168     TKDNodeInfo *tnode = 0x0;
 169     for(int in=0; in<npoints; in++){
 170       tnode = (TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[index[in]];
 171       //tnode->Print();
 172       if(fStatus&1){ // INT
 173         Float_t *bounds = &(tnode->Data()[fNSize]);
 174         ipar = 0;
 175         for(int idim=0; idim<fNSize; idim++){
 176           fBuffer[ipar++] = .5*(bounds[2*idim] + bounds[2*idim+1]);
 177           fBuffer[ipar++] = (bounds[2*idim]*bounds[2*idim] + bounds[2*idim] * bounds[2*idim+1] + bounds[2*idim+1] * bounds[2*idim+1])/3.;
 178           for(int jdim=idim+1; jdim<fNSize; jdim++) fBuffer[ipar++] = (bounds[2*idim] + bounds[2*idim+1]) * (bounds[2*jdim] + bounds[2*jdim+1]) * .25;
 179         }
 180       } else { // COG
 181         Float_t *p = &(tnode->Data()[0]);
 182         ipar = 0;
 183         for(int idim=0; idim<fNSize; idim++){
 184           fBuffer[ipar++] = p[idim];
 185           for(int jdim=idim; jdim<fNSize; jdim++) fBuffer[ipar++] = p[idim]*p[jdim];
 186         }
 187       }
 188
 189       // calculate tri-cubic weighting function
 190       if(fStatus&4){
 191         d = dist[in]/ dist[npoints];
 192         w0 = (1. - d*d*d); w = w0*w0*w0;
 193       } else w = 1.;
 194
 195 //                      printf("x[");
 196 //                      for(int idim=0; idim<fLambda-1; idim++) printf("%f ", fBuffer[idim]);
 197 //                      printf("]  v[%f +- %f] (%f, %f)\n", tnode->Val()[0], tnode->Val()[1]/w, tnode->Val()[1], w);
 198       fFitter->AddPoint(fBuffer, tnode->Val()[0], tnode->Val()[1]/w);
 199     }
 200     npoints += 4;
 201   } while(fFitter->Eval());
 202   delete [] index;
 203   delete [] dist;
 204
 205   // retrive fitter results
 206   TMatrixD cov(fLambda, fLambda);
 207   TVectorD par(fLambda);
 208   fFitter->GetCovarianceMatrix(cov);
 209   fFitter->GetParameters(par);
 210   Double_t chi2 = fFitter->GetChisquare()/(npoints - 4 - fLambda);
 211
 212   // store results
 213   if(fStatus&2 && fStatus&1) node->Store(par, cov);
 214
 215   // Build df/dpi|x values
 216   Double_t *fdfdp = &fBuffer[fLambda];
 217   ipar = 0;
 218   fdfdp[ipar++] = 1.;
 219   for(int idim=0; idim<fNSize; idim++){
 220     fdfdp[ipar++] = point[idim];
 221     for(int jdim=idim; jdim<fNSize; jdim++) fdfdp[ipar++] = point[idim]*point[jdim];
 222   }
 223
 224   // calculate estimation
 225   result =0.; error = 0.;
 226   for(int i=0; i<fLambda; i++){
 227     result += fdfdp[i]*par(i);
 228     for(int j=0; j<fLambda; j++) error += fdfdp[i]*fdfdp[j]*cov(i,j);
 229   }
 230   error = TMath::Sqrt(error);
 231
 232   return chi2;
 233 }
 234
 235 //_________________________________________________________________
 236 void TKDInterpolatorBase::DrawBins(UInt_t ax1, UInt_t ax2, Float_t ax1min, Float_t ax1max, Float_t ax2min, Float_t ax2max)
 237 {
 238 // Draw nodes structure projected on plane "ax1:ax2". The parameter
 239 // "depth" specifies the bucket size per node. If depth == -1 draw only
 240 // terminal nodes and evaluation points (default -1 i.e. bucket size per node equal bucket size specified by the user)
 241 //
 242 // Observation:
 243 // This function creates the nodes (TBox) array for the specified depth
 244 // but don't delete it. Abusing this function may cause memory leaks !
 245
 246
 247
 248   TH2 *h2 = new TH2S("hNodes", "", 100, ax1min, ax1max, 100, ax2min, ax2max);
 249   h2->GetXaxis()->SetTitle(Form("x_{%d}", ax1));
 250   h2->GetYaxis()->SetTitle(Form("x_{%d}", ax2));
 251   h2->Draw();
 252
 253   const Float_t kBorder = 0.;//1.E-4;
 254   TBox *boxArray = new TBox[fNTNodes], *box;
 255   Float_t *bounds = 0x0;
 256   for(int inode = 0; inode < fNTNodes; inode++){
 257     box = &boxArray[inode];
 258     box->SetFillStyle(3002);
 259     box->SetFillColor(50+inode/*Int_t(gRandom->Uniform()*50.)*/);
 260
 261     bounds = &(((TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[inode])->Data()[fNSize]);
 262     box->DrawBox(bounds[2*ax1]+kBorder, bounds[2*ax2]+kBorder, bounds[2*ax1+1]-kBorder, bounds[2*ax2+1]-kBorder);
 263   }
 264
 265   // Draw reference points
 266   TGraph *ref = new TGraph(fNTNodes);
 267   ref->SetMarkerStyle(3);
 268   ref->SetMarkerSize(.7);
 269   ref->SetMarkerColor(2);
 270   for(int inode = 0; inode < fNTNodes; inode++){
 271     TKDNodeInfo *node = (TKDNodeInfo*)(*fTNodes)[inode];
 272     ref->SetPoint(inode, node->Data()[ax1], node->Data()[ax2]);
 273   }
 274   ref->Draw("p");
 275   return;
 276 }
 277
 278 //__________________________________________________________________
 279 void TKDInterpolatorBase::SetInterpolationMethod(Bool_t on)
 280 {
 281 // Set interpolation bit to "on".
 282
 283   if(on) fStatus += fStatus&1 ? 0 : 1;
 284   else fStatus += fStatus&1 ? -1 : 0;
 285 }
 286
 287
 288 //_________________________________________________________________
 289 void TKDInterpolatorBase::SetStore(Bool_t on)
 290 {
 291 // Set store bit to "on"
 292
 293   if(on) fStatus += fStatus&2 ? 0 : 2;
 294   else fStatus += fStatus&2 ? -2 : 0;
 295 }
 296
 297 //_________________________________________________________________
 298 void TKDInterpolatorBase::SetWeights(Bool_t on)
 299 {
 300 // Set weights bit to "on"
 301
 302   if(on) fStatus += fStatus&4 ? 0 : 4;
 303   else fStatus += fStatus&4 ? -4 : 0;
 304 }