JAL-3949 - refactor logging from jalview.bin.Cache to jalview.bin.Console
[jalview.git] / src / jalview / analysis / PCA.java
index b001549..4a3cfec 100755 (executable)
 /*
- * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer (Version 2.7)
- * Copyright (C) 2011 J Procter, AM Waterhouse, J Engelhardt, LM Lui, G Barton, M Clamp, S Searle
+ * Jalview - A Sequence Alignment Editor and Viewer ($$Version-Rel$$)
+ * Copyright (C) $$Year-Rel$$ The Jalview Authors
  * 
  * This file is part of Jalview.
  * 
  * Jalview is free software: you can redistribute it and/or
  * modify it under the terms of the GNU General Public License 
- * as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
- * 
+ * as published by the Free Software Foundation, either version 3
+ * of the License, or (at your option) any later version.
+ *  
  * Jalview is distributed in the hope that it will be useful, but 
  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty 
  * of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR 
  * PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
  * 
- * You should have received a copy of the GNU General Public License along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License
+ * along with Jalview.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
+ * The Jalview Authors are detailed in the 'AUTHORS' file.
  */
 package jalview.analysis;
 
-import java.io.*;
+import jalview.api.analysis.ScoreModelI;
+import jalview.api.analysis.SimilarityParamsI;
+import jalview.bin.Console;
+import jalview.datamodel.AlignmentView;
+import jalview.datamodel.Point;
+import jalview.math.MatrixI;
 
-import jalview.datamodel.*;
-import jalview.datamodel.BinarySequence.InvalidSequenceTypeException;
-import jalview.math.*;
-import jalview.schemes.ResidueProperties;
-import jalview.schemes.ScoreMatrix;
+import java.io.PrintStream;
 
 /**
  * Performs Principal Component Analysis on given sequences
- * 
- * @author $author$
- * @version $Revision$
  */
 public class PCA implements Runnable
 {
-  Matrix m;
-
-  Matrix symm;
-
-  Matrix m2;
-
-  double[] eigenvalue;
-
-  Matrix eigenvector;
-
-  StringBuffer details = new StringBuffer();
-
-  /**
-   * Creates a new PCA object.
-   * By default, uses blosum62 matrix to generate sequence similarity matrices
-   * @param s
-   *          Set of amino acid sequences to perform PCA on
-   */
-  public PCA(String[] s)
-  {
-    this(s, false);
-  }
-  
-  /**
-   * Creates a new PCA object.
-   * By default, uses blosum62 matrix to generate sequence similarity matrices
-   * @param s
-   *          Set of sequences to perform PCA on
-   *          @param nucleotides if true, uses standard DNA/RNA matrix for sequence similarity calculation.
+  /*
+   * inputs
    */
-  public PCA(String[] s, boolean nucleotides)
-  {
+  final private AlignmentView seqs;
 
-    BinarySequence[] bs = new BinarySequence[s.length];
-    int ii = 0;
-
-    while ((ii < s.length) && (s[ii] != null))
-    {
-      bs[ii] = new BinarySequence(s[ii],nucleotides);
-      bs[ii].encode();
-      ii++;
-    }
+  final private ScoreModelI scoreModel;
 
-    BinarySequence[] bs2 = new BinarySequence[s.length];
-    ii = 0;
+  final private SimilarityParamsI similarityParams;
 
-    String sm=nucleotides ? "DNA" : "BLOSUM62";
-    ScoreMatrix smtrx=ResidueProperties.getScoreMatrix(sm);
-    details.append("PCA calculation using "+sm+" sequence similarity matrix\n========\n\n");
-    
-    while ((ii < s.length) && (s[ii] != null))
-    {
-      bs2[ii] = new BinarySequence(s[ii], nucleotides);
-      if (smtrx != null)
-      {
-        try
-        {
-          bs2[ii].matrixEncode(smtrx);
-        } catch (InvalidSequenceTypeException x)
-        {
-          details.append("Unexpected mismatch of sequence type and score matrix. Calculation will not be valid!\n\n");
-        }
-      }
-      ii++;
-    }
-
-    // System.out.println("Created binary encoding");
-    // printMemory(rt);
-    int count = 0;
-
-    while ((count < bs.length) && (bs[count] != null))
-    {
-      count++;
-    }
-
-    double[][] seqmat = new double[count][bs[0].getDBinary().length];
-    double[][] seqmat2 = new double[count][bs2[0].getDBinary().length];
-    int i = 0;
-
-    while (i < count)
-    {
-      seqmat[i] = bs[i].getDBinary();
-      seqmat2[i] = bs2[i].getDBinary();
-      i++;
-    }
+  /*
+   * outputs
+   */
+  private MatrixI pairwiseScores;
 
-    // System.out.println("Created array");
-    // printMemory(rt);
-    // System.out.println(" --- Original matrix ---- ");
-    m = new Matrix(seqmat, count, bs[0].getDBinary().length);
-    m2 = new Matrix(seqmat2, count, bs2[0].getDBinary().length);
+  private MatrixI tridiagonal;
 
-  }
+  private MatrixI eigenMatrix;
 
   /**
-   * Returns the matrix used in PCA calculation
+   * Constructor given the sequences to compute for, the similarity model to
+   * use, and a set of parameters for sequence comparison
    * 
-   * @return java.math.Matrix object
+   * @param sequences
+   * @param sm
+   * @param options
    */
-
-  public Matrix getM()
+  public PCA(AlignmentView sequences, ScoreModelI sm, SimilarityParamsI options)
   {
-    return m;
+    this.seqs = sequences;
+    this.scoreModel = sm;
+    this.similarityParams = options;
   }
 
   /**
@@ -148,7 +77,7 @@ public class PCA implements Runnable
    */
   public double getEigenvalue(int i)
   {
-    return eigenvector.d[i];
+    return eigenMatrix.getD()[i];
   }
 
   /**
@@ -165,15 +94,16 @@ public class PCA implements Runnable
    * 
    * @return DOCUMENT ME!
    */
-  public float[][] getComponents(int l, int n, int mm, float factor)
+  public Point[] getComponents(int l, int n, int mm, float factor)
   {
-    float[][] out = new float[m.rows][3];
+    Point[] out = new Point[getHeight()];
 
-    for (int i = 0; i < m.rows; i++)
+    for (int i = 0; i < getHeight(); i++)
     {
-      out[i][0] = (float) component(i, l) * factor;
-      out[i][1] = (float) component(i, n) * factor;
-      out[i][2] = (float) component(i, mm) * factor;
+      float x = (float) component(i, l) * factor;
+      float y = (float) component(i, n) * factor;
+      float z = (float) component(i, mm) * factor;
+      out[i] = new Point(x, y, z);
     }
 
     return out;
@@ -190,9 +120,9 @@ public class PCA implements Runnable
   public double[] component(int n)
   {
     // n = index of eigenvector
-    double[] out = new double[m.rows];
+    double[] out = new double[getHeight()];
 
-    for (int i = 0; i < m.rows; i++)
+    for (int i = 0; i < out.length; i++)
     {
       out[i] = component(i, n);
     }
@@ -214,70 +144,158 @@ public class PCA implements Runnable
   {
     double out = 0.0;
 
-    for (int i = 0; i < symm.cols; i++)
+    for (int i = 0; i < pairwiseScores.width(); i++)
     {
-      out += (symm.value[row][i] * eigenvector.value[i][n]);
+      out += (pairwiseScores.getValue(row, i) * eigenMatrix.getValue(i, n));
     }
 
-    return out / eigenvector.d[n];
+    return out / eigenMatrix.getD()[n];
   }
 
+  /**
+   * Answers a formatted text report of the PCA calculation results (matrices
+   * and eigenvalues) suitable for display
+   * 
+   * @return
+   */
   public String getDetails()
   {
-    return details.toString();
+    StringBuilder sb = new StringBuilder(1024);
+    sb.append("PCA calculation using ").append(scoreModel.getName())
+            .append(" sequence similarity matrix\n========\n\n");
+    PrintStream ps = wrapOutputBuffer(sb);
+    
+    /*
+     * pairwise similarity scores
+     */
+    sb.append(" --- OrigT * Orig ---- \n");
+    pairwiseScores.print(ps, "%8.2f");
+    
+    /*
+     * tridiagonal matrix, with D and E vectors
+     */
+    sb.append(" ---Tridiag transform matrix ---\n");
+    sb.append(" --- D vector ---\n");
+    tridiagonal.printD(ps, "%15.4e");
+    ps.println();
+    sb.append("--- E vector ---\n");
+    tridiagonal.printE(ps, "%15.4e");
+    ps.println();
+    
+    /*
+     * eigenvalues matrix, with D vector
+     */
+    sb.append(" --- New diagonalization matrix ---\n");
+    eigenMatrix.print(ps, "%8.2f");
+    sb.append(" --- Eigenvalues ---\n");
+    eigenMatrix.printD(ps, "%15.4e");
+    ps.println();
+    
+    return sb.toString();
   }
 
   /**
-   * DOCUMENT ME!
+   * Performs the PCA calculation
    */
+  @Override
   public void run()
   {
-    Matrix mt = m.transpose();
-
-    details.append(" --- OrigT * Orig ---- \n");
-    // eigenvector = mt.preMultiply(m); // standard seqspace comparison matrix
-    eigenvector = mt.preMultiply(m2); // jalview variation on seqsmace method
+    try
+    {
+      /*
+       * sequence pairwise similarity scores
+       */
+      pairwiseScores = scoreModel.findSimilarities(seqs, similarityParams);
+
+      /*
+       * tridiagonal matrix
+       */
+      tridiagonal = pairwiseScores.copy();
+      tridiagonal.tred();
+
+      /*
+       * the diagonalization matrix
+       */
+      eigenMatrix = tridiagonal.copy();
+      eigenMatrix.tqli();
+    } catch (Exception q)
+    {
+      Console.error("Error computing PCA:  " + q.getMessage());
+      q.printStackTrace();
+    }
+  }
 
+  /**
+   * Returns a PrintStream that wraps (appends its output to) the given
+   * StringBuilder
+   * 
+   * @param sb
+   * @return
+   */
+  protected PrintStream wrapOutputBuffer(StringBuilder sb)
+  {
     PrintStream ps = new PrintStream(System.out)
     {
+      @Override
       public void print(String x)
       {
-        details.append(x);
+        sb.append(x);
       }
 
+      @Override
       public void println()
       {
-        details.append("\n");
+        sb.append("\n");
       }
     };
+    return ps;
+  }
+
+  /**
+   * Answers the N dimensions of the NxN PCA matrix. This is the number of
+   * sequences involved in the pairwise score calculation.
+   * 
+   * @return
+   */
+  public int getHeight()
+  {
+    // TODO can any of seqs[] be null?
+    return pairwiseScores.height();// seqs.getSequences().length;
+  }
 
-    eigenvector.print(ps);
+  /**
+   * Answers the sequence pairwise similarity scores which were the first step
+   * of the PCA calculation
+   * 
+   * @return
+   */
+  public MatrixI getPairwiseScores()
+  {
+    return pairwiseScores;
+  }
 
-    symm = eigenvector.copy();
+  public void setPairwiseScores(MatrixI m)
+  {
+    pairwiseScores = m;
+  }
 
-    eigenvector.tred();
+  public MatrixI getEigenmatrix()
+  {
+    return eigenMatrix;
+  }
 
-    details.append(" ---Tridiag transform matrix ---\n");
-    details.append(" --- D vector ---\n");
-    eigenvector.printD(ps);
-    ps.println();
-    details.append("--- E vector ---\n");
-    eigenvector.printE(ps);
-    ps.println();
+  public void setEigenmatrix(MatrixI m)
+  {
+    eigenMatrix = m;
+  }
 
-    // Now produce the diagonalization matrix
-    eigenvector.tqli();
+  public MatrixI getTridiagonal()
+  {
+    return tridiagonal;
+  }
 
-    details.append(" --- New diagonalization matrix ---\n");
-    eigenvector.print(ps);
-    details.append(" --- Eigenvalues ---\n");
-    eigenvector.printD(ps);
-    ps.println();
-    /*
-     * for (int seq=0;seq<symm.rows;seq++) { ps.print("\"Seq"+seq+"\""); for
-     * (int ev=0;ev<symm.rows; ev++) {
-     * 
-     * ps.print(","+component(seq, ev)); } ps.println(); }
-     */
+  public void setTridiagonal(MatrixI tridiagonal)
+  {
+    this.tridiagonal = tridiagonal;
   }
 }