algorithms-for-computing-line-estimators/src/main/java/Presenter/Algorithms/TheilSenEstimator.java

package Presenter.Algorithms;

import Model.Line;
import Model.Point;
import Model.Slab;
import Presenter.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Observable;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

/**
 * Implementierung verschiedener Algorithmen zur Berechnung von Ausgleichsgeraden.
 *
 * @Author: Armin Wolf
 * @Email: a_wolf28@uni-muenster.de
 * @Date: 28.05.2017.
 */
public class TheilSenEstimator extends Observable implements Algorithm {

  private Presenter presenter;
  private ArrayList<Line> setOfLines;
  private ArrayList<Point> setOfIntersections;
  private ArrayList<Point> intervalIntersections;
  private ArrayList<Double> yCoordinates;
  private ArrayList<Double> xCoordinates;
  private Slab interval;

  private Double j;
  private Integer jA;
  private Integer jB;
  private Double r;
  private Integer n;
  private Double N;
  private Integer k;

  private Double a;
  private Double b;
  private Double aVariant;
  private Double bVariant;
  private ArrayList<Double> sampledIntersections;


  public TheilSenEstimator(LinkedList<Line> setOfLines, LinkedList<Point> setOfIntersections, Presenter presenter) {
    this.presenter = presenter;
    this.setOfLines = new ArrayList<>(setOfLines);
    this.setOfIntersections = new ArrayList<>(setOfIntersections);
    this.intervalIntersections = new ArrayList<>(setOfIntersections);

    this.n = setOfLines.size();
    this.sampledIntersections = new ArrayList<>();
    this.yCoordinates = new ArrayList<>();
    this.xCoordinates = new ArrayList<>();
    this.N = BinomialCoeffizient.run(n, 2);
    this.k = Integer.valueOf((int) (N * 0.5));

    for (Point l : setOfIntersections){
      yCoordinates.add(l.getY());
      xCoordinates.add(l.getX());
    }
  }

  /**
   *
   */
  public void run(){

    a = -90000d;
    b = 90000d;

    Collections.sort(setOfIntersections);

    interval = new Slab(a,b);
    while (true){

      if (this.N <= n){
        break;
      } else {
        r  = Double.valueOf(n);
        this.k = Integer.valueOf((int) (N * 0.5));
        System.out.println("#number: "+N);
        int numberOfIntersections = checkNumberOfIntersectionInInterval(-90000,a, setOfIntersections);
        j  = (r /N) * (k - numberOfIntersections);
        jA = (int) Math.floor(j - (3 * Math.sqrt(r)));
        jB = (int) Math.floor(j + (3 * Math.sqrt(r)));

        do {
          sampledIntersections = randomSampleOfIntersections(intervalIntersections, r);
          Collections.sort(sampledIntersections);
          aVariant = sampledIntersections.get(jA);
          bVariant = sampledIntersections.get(jB);
        } while (!checkCondition());

        a = aVariant;
        b = bVariant;
        interval.setLower(a);
        interval.setUpper(b);
        N = Double.valueOf(checkNumberOfIntersectionInInterval(a,b, intervalIntersections));
        intervalIntersections = getKleftMostIntersection(a,b);
      }
    }
  }


  /**
   * Diese Funktion überprüft ob die Bedingung für das Interval erfüllt ist. Dabei muss der k-te
   * Schnittpunkt in diesem Interval enthalten sein. des weiteren soll die Anzahl der Schnittpunkte
   * im Interval kleiner oder gleich dem Term: (11*N)/sqrt(r) sein.
   *
   * @return Boolscher Wert ob die Bedingung erfüllt ist
   */
  private Boolean checkCondition(){
    Collections.sort(intervalIntersections);
    Boolean cond1 = (intervalIntersections.get(k-1).getX() >= aVariant) && (
        intervalIntersections.get(k-1).getX() < bVariant);
    Boolean cond2 = (checkNumberOfIntersectionInInterval(aVariant,bVariant, intervalIntersections) <= ((11 * N) / Math.sqrt(r)));
    return cond1 && cond2;
  }

  /**
   * Diese Funktion gibt eine <code>r</code> Elementige Stichprobe aus der überegebenene Menge an
   * Schnittpunkten. Diese Stichprobe soll zufällig sein. Es können aus gleiche Werte in der Rückgabe
   * vertreten sein.
   *
   * @param set Menge an Schnittpunkten
   * @param r   Stichprobengröße
   * @return    Stichprobe
   */
  public ArrayList<Double> randomSampleOfIntersections(ArrayList<Point> set, Double r){
    ArrayList<Double> sampledLines = new ArrayList<>();

    while (sampledLines.size() < r){
      Double x = set.get(ThreadLocalRandom.current().nextInt(0, set.size())).getX();
      if (!sampledLines.contains(x))
        sampledLines.add(x);
    }

    return sampledLines;

  }

  /**
   * Berechne wieviele von den Schnittpunkten in dem Interval zwischen <code>a</code> und <code>b</code>
   * enthalten sind.
   *
   * @param a   untere Grenze des Intervals
   * @param b   obere Grenze des Intrvals
   * @return    Anzahl der Schnittpunkte im Interval [a,b)
   */
  public int checkNumberOfIntersectionInInterval(double a, double b, ArrayList<Point> set){
    int counter = 0;
    for (Point x : set){
      if (x.getX() >= a && x.getX() < b){
        counter++;
      }
    }
    return counter;
  }

  /**
   * Berechne wieviele von den Schnittpunkten in dem Interval zwischen <code>a</code> und <code>b</code>
   * enthalten sind. Zusätzlich werden diese Schnittpunkte in einer Liste festgehalten und diese werden
   * zurückgeliefert.
   *
   * @param a   untere Grenze des Intervals
   * @param b   obere Grenze des Intrvals
   * @return    Liste der Schnittpunkte die im Interval [a,b) vertreten sind
   */
  public ArrayList<Point> getKleftMostIntersection(double a, double b){
    ArrayList<Point> list = new ArrayList<>();
    for (Point x : intervalIntersections){
      if (x.getX() >= a && x.getX() < b){
        list.add(x);
      }
    }

    return list;

  }

  @Override
  public void getResult() {
    if (presenter != null) {
      setChanged();

      double m,x;
      double b,y;

      Collections.sort(xCoordinates);
      Collections.sort(yCoordinates);
      int n = xCoordinates.size();
      if (n % 2 == 0){
        x = 0.5 * (xCoordinates.get((n/2)-1) + xCoordinates.get((n/2)));
        y = 0.5 * (yCoordinates.get((n/2)-1) + yCoordinates.get((n/2)));
      } else {
        x = xCoordinates.get(((n+1)/2)-1);
        y = yCoordinates.get(((n+1)/2)-1);
      }

      ArrayList<Point> resultSt = getKleftMostIntersection(a, this.b);
      int size = resultSt.size();
      if (size % 2 == 0){
        m = 0.5 * (resultSt.get((size/2)-1).getX() + resultSt.get((size/2)).getX());
      } else {
        m = resultSt.get(((size+1)/2)-1).getX();
      }
      m *= -1;
      b = (x * m) + y;


      String[] result = new String[]{"ts", m+"", b+""};
      notifyObservers(result);
    }
  }
}