src/gromacs/analysisdata/modules/histogram.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2010,2011,2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \file
  36  * \brief
  37  * Declares analysis data modules for calculating histograms.
  38  *
  39  * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
  40  * \inpublicapi
  41  * \ingroup module_analysisdata
  42  */
  43 #ifndef GMX_ANALYSISDATA_MODULES_HISTOGRAM_H
  44 #define GMX_ANALYSISDATA_MODULES_HISTOGRAM_H
  45
  46 #include <boost/shared_ptr.hpp>
  47
  48 #include "gromacs/analysisdata/abstractdata.h"
  49 #include "gromacs/analysisdata/arraydata.h"
  50 #include "gromacs/analysisdata/datamodule.h"
  51
  52 namespace gmx
  53 {
  54
  55 class AnalysisHistogramSettings;
  56
  57 /*! \brief
  58  * Provides "named parameter" idiom for constructing histograms.
  59  *
  60  * \see histogramFromBins()
  61  * \see histogramFromRange()
  62  *
  63  * Methods in this class do not throw.
  64  *
  65  * \inpublicapi
  66  * \ingroup module_analysisdata
  67  */
  68 class AnalysisHistogramSettingsInitializer
  69 {
  70     public:
  71         /*! \brief
  72          * Creates an empty initializer.
  73          *
  74          * Should not be called directly, but histogramFromRange() or
  75          * histogramFromBins() should be used instead.
  76          */
  77         AnalysisHistogramSettingsInitializer();
  78
  79         /*! \brief
  80          * Sets the first bin location.
  81          *
  82          * Typically should not be called directly, but through
  83          * histogramFromBins().
  84          */
  85         AnalysisHistogramSettingsInitializer &start(real min)
  86         { min_ = min; return *this; }
  87         /*! \brief
  88          * Sets the number of bins in the histogram.
  89          *
  90          * If only the first bin location is specified, this value is required
  91          * (and automatically provided if histogramFromBins() is used).
  92          * If both the first and last bins are specified, either this value or
  93          * binWidth() is required.
  94          */
  95         AnalysisHistogramSettingsInitializer &binCount(int binCount)
  96         { binCount_ = binCount; return *this; }
  97         /*! \brief
  98          * Sets the first and last bin locations.
  99          *
 100          * Typically should not be called directly, but through
 101          * histogramFromRange().
 102          */
 103         AnalysisHistogramSettingsInitializer &range(real min, real max)
 104         { min_ = min; max_ = max; return *this; }
 105         /*! \brief
 106          * Sets the bin width of the histogram.
 107          *
 108          * If only the first bin location is specified, this value is required
 109          * (and automatically provided if histogramFromBins() is used).
 110          * If both the first and last bins are specified, either this value or
 111          * binCount() is required.
 112          * If a bin width is provided with both first and last bin locations,
 113          * and the given bin width does not divide the range exactly, the last
 114          * bin location is adjusted to match.
 115          */
 116         AnalysisHistogramSettingsInitializer &binWidth(real binWidth)
 117         { binWidth_ = binWidth; return *this; }
 118         /*! \brief
 119          * Indicate that first and last bin locations to specify bin centers.
 120          *
 121          * If set, the first and last bin locations are interpreted as bin
 122          * centers.
 123          * If not set (the default), the first and last bin locations are
 124          * interpreted as the edges of the whole histogram.
 125          *
 126          * Cannot be specified together with roundRange().
 127          */
 128         AnalysisHistogramSettingsInitializer &integerBins(bool enabled = true)
 129         { bIntegerBins_ = enabled; return *this; }
 130         /*! \brief
 131          * Round first and last bin locations.
 132          *
 133          * If set, the resulting histogram will cover the range specified, but
 134          * the actual bin locations will be rounded such that the edges fall
 135          * on multiples of the bin width.
 136          * Only implemented when both first and last bin location and bin width
 137          * are defined.
 138          * Cannot be specified together with integerBins() or with binCount().
 139          */
 140         AnalysisHistogramSettingsInitializer &roundRange(bool enabled = true)
 141         { bRoundRange_ = enabled; return *this; }
 142         /*! \brief
 143          * Sets the histogram to match all values.
 144          *
 145          * If set, the histogram behaves as if the bins at the ends extended to
 146          * +-infinity.
 147          */
 148         AnalysisHistogramSettingsInitializer &includeAll(bool enabled = true)
 149         { bIncludeAll_ = enabled; return *this; }
 150
 151     private:
 152         real                    min_;
 153         real                    max_;
 154         real                    binWidth_;
 155         int                     binCount_;
 156         bool                    bIntegerBins_;
 157         bool                    bRoundRange_;
 158         bool                    bIncludeAll_;
 159
 160         friend class AnalysisHistogramSettings;
 161 };
 162
 163 /*! \brief
 164  * Initializes a histogram using a range and a bin width.
 165  *
 166  * Does not throw.
 167  *
 168  * \inpublicapi
 169  */
 170 inline AnalysisHistogramSettingsInitializer
 171 histogramFromRange(real min, real max)
 172 {
 173     return AnalysisHistogramSettingsInitializer().range(min, max);
 174 }
 175
 176 /*! \brief
 177  * Initializes a histogram using bin width and the number of bins.
 178  *
 179  * Does not throw.
 180  *
 181  * \inpublicapi
 182  */
 183 inline AnalysisHistogramSettingsInitializer
 184 histogramFromBins(real start, int nbins, real binwidth)
 185 {
 186     return AnalysisHistogramSettingsInitializer()
 187                .start(start).binCount(nbins).binWidth(binwidth);
 188 }
 189
 190
 191 /*! \brief
 192  * Contains parameters that specify histogram bin locations.
 193  *
 194  * Methods in this class do not throw.
 195  *
 196  * \inpublicapi
 197  * \ingroup module_analysisdata
 198  */
 199 class AnalysisHistogramSettings
 200 {
 201     public:
 202         //! Initializes undefined parameters.
 203         AnalysisHistogramSettings();
 204         /*! \brief
 205          * Initializes parameters based on a named parameter object.
 206          *
 207          * This constructor is not explicit to allow initialization of
 208          * histograms directly from AnalysisHistogramSettingsInitializer:
 209          * \code
 210            gmx::AnalysisDataSimpleHistogramModule *hist =
 211                    new gmx::AnalysisDataSimpleHistogramModule(
 212                            histogramFromRange(0.0, 5.0).binWidth(0.5));
 213          * \endcode
 214          */
 215         AnalysisHistogramSettings(const AnalysisHistogramSettingsInitializer &settings);
 216
 217         //! Returns the left edge of the first bin.
 218         real firstEdge() const { return firstEdge_; }
 219         //! Returns the right edge of the first bin.
 220         real lastEdge() const { return lastEdge_; }
 221         //! Returns the number of bins in the histogram.
 222         int binCount() const { return binCount_; }
 223         //! Returns the width of a bin in the histogram.
 224         real binWidth() const { return binWidth_; }
 225         //! Whether values beyond the edges are mapped to the edge bins.
 226         bool includeAll() const { return bAll_; }
 227         //! Returns a zero-based bin index for a value, or -1 if not in range.
 228         int findBin(real y) const;
 229
 230     private:
 231         real                    firstEdge_;
 232         real                    lastEdge_;
 233         real                    binWidth_;
 234         real                    inverseBinWidth_;
 235         int                     binCount_;
 236         bool                    bAll_;
 237 };
 238
 239
 240 class AbstractAverageHistogram;
 241
 242 //! Smart pointer to manage an AbstractAverageHistogram object.
 243 typedef boost::shared_ptr<AbstractAverageHistogram>
 244     AverageHistogramPointer;
 245
 246 /*! \brief
 247  * Base class for representing histograms averaged over frames.
 248  *
 249  * The averaging module for a per-frame histogram is always created by the
 250  * histogram module class (e.g., AnalysisDataSimpleHistogramModule), and can be
 251  * accessed using, e.g., AnalysisDataSimpleHistogramModule::averager().
 252  * The user can alter some properties of the average histogram directly, but
 253  * the main use of the object is to postprocess the histogram once the
 254  * calculation is finished.
 255  *
 256  * This class can represent multiple histograms in one object: each column in
 257  * the data is an independent histogram.
 258  *
 259  * \inpublicapi
 260  * \ingroup module_analysisdata
 261  */
 262 class AbstractAverageHistogram : public AbstractAnalysisArrayData
 263 {
 264     public:
 265         virtual ~AbstractAverageHistogram();
 266
 267         //! Returns bin properties for the histogram.
 268         const AnalysisHistogramSettings &settings() const { return settings_; }
 269
 270         /*! \brief
 271          * Creates a copy of the histogram with double the bin width.
 272          *
 273          * \throws std::bad_alloc if out of memory.
 274          *
 275          * The caller is responsible of deleting the returned object.
 276          */
 277         AverageHistogramPointer resampleDoubleBinWidth(bool bIntegerBins) const;
 278         /*! \brief
 279          * Creates a deep copy of the histogram.
 280          *
 281          * \throws std::bad_alloc if out of memory.
 282          *
 283          * The returned histogram is not necessarily of the same dynamic type
 284          * as the original object, but contains the same data from the point of
 285          * view of the AbstractAverageHistogram interface.
 286          *
 287          * The caller is responsible of deleting the returned object.
 288          */
 289         AverageHistogramPointer clone() const;
 290         //! Normalizes the histogram such that the integral over it is one.
 291         void normalizeProbability();
 292         //! Scales a single histogram by a uniform scaling factor.
 293         void scaleSingle(int index, real factor);
 294         //! Scales all histograms by a uniform scaling factor.
 295         void scaleAll(real factor);
 296         //! Scales the value of each bin by a different scaling factor.
 297         void scaleAllByVector(real factor[]);
 298         /*! \brief
 299          * Notifies attached modules of the histogram data.
 300          *
 301          * After this function has been called, it is no longer possible to
 302          * alter the histogram.
 303          */
 304         void done() { AbstractAnalysisArrayData::valuesReady(); }
 305
 306     protected:
 307         /*! \brief
 308          * Creates a histogram module with undefined bins.
 309          *
 310          * Bin parameters must be defined with init() before data input is
 311          * started.
 312          */
 313         AbstractAverageHistogram();
 314         //! Creates a histogram module with defined bin parameters.
 315         explicit AbstractAverageHistogram(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 316
 317         /*! \brief
 318          * (Re)initializes the histogram from settings.
 319          */
 320         void init(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 321
 322     private:
 323         AnalysisHistogramSettings  settings_;
 324
 325         // Copy and assign disallowed by base.
 326 };
 327
 328
 329 /*! \brief
 330  * Data module for per-frame histograms.
 331  *
 332  * Output data contains the same number of frames and data sets as the input
 333  * data.  Each frame contains the histogram(s) for the points in that frame.
 334  * Each input data set is processed independently into the corresponding output
 335  * data set.  Missing values are ignored.
 336  * All input columns for a data set are averaged into the same histogram.
 337  * The number of columns for all data sets equals the number of bins in the
 338  * histogram.
 339  *
 340  * The histograms are accumulated as 64-bit integers within a frame and summed
 341  * in double precision across frames, even if the output data is in single
 342  * precision.
 343  *
 344  * \inpublicapi
 345  * \ingroup module_analysisdata
 346  */
 347 class AnalysisDataSimpleHistogramModule : public AbstractAnalysisData,
 348                                           public AnalysisDataModuleParallel
 349 {
 350     public:
 351         /*! \brief
 352          * Creates a histogram module with undefined bins.
 353          *
 354          * Bin parameters must be defined with init() before data input is
 355          * started.
 356          */
 357         AnalysisDataSimpleHistogramModule();
 358         //! Creates a histogram module with defined bin parameters.
 359         explicit AnalysisDataSimpleHistogramModule(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 360         virtual ~AnalysisDataSimpleHistogramModule();
 361
 362         /*! \brief
 363          * (Re)initializes the histogram from settings.
 364          */
 365         void init(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 366
 367         /*! \brief
 368          * Returns the average histogram over all frames.
 369          *
 370          * Can be called already before the histogram is calculated to
 371          * customize the way the average histogram is calculated.
 372          *
 373          * \see AbstractAverageHistogram
 374          */
 375         AbstractAverageHistogram &averager();
 376
 377         //! Returns bin properties for the histogram.
 378         const AnalysisHistogramSettings &settings() const;
 379
 380         virtual int frameCount() const;
 381
 382         virtual int flags() const;
 383
 384         virtual bool parallelDataStarted(
 385             AbstractAnalysisData              *data,
 386             const AnalysisDataParallelOptions &options);
 387         virtual void frameStarted(const AnalysisDataFrameHeader &header);
 388         virtual void pointsAdded(const AnalysisDataPointSetRef &points);
 389         virtual void frameFinished(const AnalysisDataFrameHeader &header);
 390         virtual void dataFinished();
 391
 392     private:
 393         virtual AnalysisDataFrameRef tryGetDataFrameInternal(int index) const;
 394         virtual bool requestStorageInternal(int nframes);
 395
 396         class Impl;
 397
 398         PrivateImplPointer<Impl> impl_;
 399
 400         // Copy and assign disallowed by base.
 401 };
 402
 403
 404 /*! \brief
 405  * Data module for per-frame weighted histograms.
 406  *
 407  * Output data contains the same number of frames and data sets as the input
 408  * data.  Each frame contains the histogram(s) for the points in that frame,
 409  * interpreted such that the first column passed to pointsAdded() determines
 410  * the bin and the rest give weights to be added to that bin (input data should
 411  * have at least two colums, and at least two columns should be added at the
 412  * same time).
 413  * Each input data set is processed independently into the corresponding output
 414  * data set.
 415  * All input columns for a data set are averaged into the same histogram.
 416  * The number of columns for all data sets equals the number of bins in the
 417  * histogram.
 418  *
 419  * The histograms are accumulated in double precision, even if the output data
 420  * is in single precision.
 421  *
 422  * \inpublicapi
 423  * \ingroup module_analysisdata
 424  */
 425 class AnalysisDataWeightedHistogramModule : public AbstractAnalysisData,
 426                                             public AnalysisDataModuleParallel
 427 {
 428     public:
 429         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::AnalysisDataSimpleHistogramModule()
 430         AnalysisDataWeightedHistogramModule();
 431         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::AnalysisDataSimpleHistogramModule(const AnalysisHistogramSettings &)
 432         explicit AnalysisDataWeightedHistogramModule(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 433         virtual ~AnalysisDataWeightedHistogramModule();
 434
 435         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::init()
 436         void init(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 437
 438         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::averager()
 439         AbstractAverageHistogram &averager();
 440
 441         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::settings()
 442         const AnalysisHistogramSettings &settings() const;
 443
 444         virtual int frameCount() const;
 445
 446         virtual int flags() const;
 447
 448         virtual bool parallelDataStarted(
 449             AbstractAnalysisData              *data,
 450             const AnalysisDataParallelOptions &options);
 451         virtual void frameStarted(const AnalysisDataFrameHeader &header);
 452         virtual void pointsAdded(const AnalysisDataPointSetRef &points);
 453         virtual void frameFinished(const AnalysisDataFrameHeader &header);
 454         virtual void dataFinished();
 455
 456     private:
 457         virtual AnalysisDataFrameRef tryGetDataFrameInternal(int index) const;
 458         virtual bool requestStorageInternal(int nframes);
 459
 460         class Impl;
 461
 462         PrivateImplPointer<Impl> impl_;
 463
 464         // Copy and assign disallowed by base.
 465 };
 466
 467
 468 /*! \brief
 469  * Data module for bin averages.
 470  *
 471  * Output data contains one row for each bin; see AbstractAverageHistogram.
 472  * Output data contains one column for each input data set.
 473  * The value in a column is the average over all frames of that data set for
 474  * that bin.
 475  * The input data is interpreted such that the first column passed to
 476  * pointsAdded() determines the bin and the rest give values to be added to
 477  * that bin (input data should have at least two colums, and at least two
 478  * columns should be added at the same time).
 479  * All input columns for a data set are averaged into the same histogram.
 480  *
 481  * \inpublicapi
 482  * \ingroup module_analysisdata
 483  */
 484 class AnalysisDataBinAverageModule : public AbstractAnalysisArrayData,
 485                                      public AnalysisDataModuleSerial
 486 {
 487     public:
 488         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::AnalysisDataSimpleHistogramModule()
 489         AnalysisDataBinAverageModule();
 490         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::AnalysisDataSimpleHistogramModule(const AnalysisHistogramSettings &)
 491         explicit AnalysisDataBinAverageModule(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 492         virtual ~AnalysisDataBinAverageModule();
 493
 494         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::init()
 495         void init(const AnalysisHistogramSettings &settings);
 496
 497         //! \copydoc AnalysisDataSimpleHistogramModule::settings()
 498         const AnalysisHistogramSettings &settings() const;
 499
 500         virtual int flags() const;
 501
 502         virtual void dataStarted(AbstractAnalysisData *data);
 503         virtual void frameStarted(const AnalysisDataFrameHeader &header);
 504         virtual void pointsAdded(const AnalysisDataPointSetRef &points);
 505         virtual void frameFinished(const AnalysisDataFrameHeader &header);
 506         virtual void dataFinished();
 507
 508     private:
 509         class Impl;
 510
 511         PrivateImplPointer<Impl>   impl_;
 512
 513         // Copy and assign disallowed by base.
 514 };
 515
 516 //! Smart pointer to manage an AnalysisDataSimpleHistogramModule object.
 517 typedef boost::shared_ptr<AnalysisDataSimpleHistogramModule>
 518     AnalysisDataSimpleHistogramModulePointer;
 519 //! Smart pointer to manage an AnalysisDataWeightedHistogramModule object.
 520 typedef boost::shared_ptr<AnalysisDataWeightedHistogramModule>
 521     AnalysisDataWeightedHistogramModulePointer;
 522 //! Smart pointer to manage an AnalysisDataBinAverageModule object.
 523 typedef boost::shared_ptr<AnalysisDataBinAverageModule>
 524     AnalysisDataBinAverageModulePointer;
 525
 526 } // namespace gmx
 527
 528 #endif