/// <summary>
/// Создание кластеров
/// </summary>
/// <param name="points">координаты точек</param>
/// <param name="clusterCenters">центры кластеров</param>
/// <returns>отображение "координаты точки" -> "координаты центра кластера"</returns>
private static Dictionary <List <double>, List <double> > MakeClusters(List <List <double> > points, List <List <double> > clusterCenters)
{
//расстояния от точек до центров всех кластеров
Dictionary <List <double>, List <double> > distancesToClusterCenters = AlgorithmsUtils.CalculateDistancesToClusterCenters(points, clusterCenters);
Dictionary <List <double>, List <double> > clusters = new Dictionary <List <double>, List <double> >();
foreach (KeyValuePair <List <double>, List <double> > distanceToClusterCenter in distancesToClusterCenters)
{
//получение номера кластера с ближайшим центром
int clusterNumber = ListUtils.GetMinIndex(distanceToClusterCenter.Value);
clusters.Add(distanceToClusterCenter.Key, clusterCenters[clusterNumber]);
}
return(clusters);
}
/// <summary>
/// Обработчик кнопки "Generate Data"
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void GenerateDataButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
var plotModel = this.plot.Model;
//Генерация случайных точек
HashSet <List <double> > points = AlgorithmsUtils.GenerateDataPoints(2);
foreach (List <double> point in points)
{
//отображение точек на графике
PointAnnotation annotation = new PointAnnotation {
Shape = MarkerType.Circle, X = point[0], Y = point[1]
};
plotModel.Annotations.Add(annotation);
}
plot.InvalidatePlot();
}
/// <summary>
/// Создание нечётких кластеров
/// </summary>
/// <param name="points">координаты точек</param>
/// <param name="clusterCenters">центры кластеров</param>
/// <param name="fuzzificationParameter">параметр фаззификации</param>
/// <param name="membershipMatrix">ссылка на переменную матрицы членства</param>
/// <returns>отображение "координаты точки" -> "координаты центра кластера"</returns>
private static Dictionary <List <double>, List <double> > MakeFuzzyClusters(List <List <double> > points, List <List <double> > clusterCenters,
double fuzzificationParameter, out Dictionary <List <double>, List <double> > membershipMatrix)
{
//расстояния от точек до центров всех кластеров
Dictionary <List <double>, List <double> > distancesToClusterCenters = AlgorithmsUtils.CalculateDistancesToClusterCenters(points, clusterCenters);
Dictionary <List <double>, List <double> > clusters = new Dictionary <List <double>, List <double> >();
//матрица членства - Отображение "координаты точки" -> "значения функции членства точки во всех кластерах"
membershipMatrix = CreateMembershipMatrix(distancesToClusterCenters, fuzzificationParameter);
foreach (KeyValuePair <List <double>, List <double> > value in membershipMatrix)
{
//получение номера кластера с ближайшим центром
int clusterNumber = ListUtils.GetMaxIndex(value.Value);
clusters.Add(value.Key, clusterCenters[clusterNumber]);
}
return(clusters);
}
/// <summary>
/// Кластеризация K-Means
/// </summary>
/// <param name="plot">Модель графика OxyPlot</param>
/// <param name="label">Label для показа информации о номере итерации</param>
/// <param name="numberOfClusters">Число кластеров</param>
public static void DoClusteringByKMeans(PlotView plot, Label label, int numberOfClusters)
{
if (plot.Model == null)
{
return;
}
//координаты точек
List <List <double> > coordinates = new List <List <double> >();
//заполнении информации о координатах точек
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
List <double> pointCoordinates = new List <double> {
annotation.X, annotation.Y
};
coordinates.Add(pointCoordinates);
}
Random random = new Random();
byte[] bgrColorComponents = new byte[3];
//цвета кластеров, выбираются случайно
Dictionary <List <double>, OxyColor> clusterColors = new Dictionary <List <double>, OxyColor>();
//первоначальная генерация центров кластеров
List <List <double> > clusterCenters = AlgorithmsUtils.MakeInitialSeeds(coordinates, numberOfClusters);
foreach (List <double> clusterCenter in clusterCenters)
{
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == clusterCenter[0] && annotation.Y == clusterCenter[1])
{
random.NextBytes(bgrColorComponents);
//отметим на графике центры кластеров
UIUtils.MarkClusterCenter(annotation, OxyColor.FromRgb(bgrColorComponents[0], bgrColorComponents[1], bgrColorComponents[2]));
clusterColors.Add(clusterCenter, annotation.Fill);
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("Inital cluster center x = {0}, y = {1}", annotation.X, annotation.Y);
#endif
#endregion
}
}
}
bool stop = false;
Dictionary <List <double>, List <double> > clusters = null;
int iteration = 0;
//цикл продолжается пока меняются координаты центров кластеров
while (!stop)
{
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("Iteration = {0}", iteration);
#endif
#endregion
label.Content = "Iteration " + iteration;
//отображение из координат точки в координаты центра кластера
clusters = MakeClusters(coordinates, clusterCenters);
foreach (KeyValuePair <List <double>, List <double> > pair in clusters)
{
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == pair.Key[0] && annotation.Y == pair.Key[1])
{
//закрашиваем точку цветом кластера
annotation.Fill = clusterColors[pair.Value];
annotation.ToolTip = "Cluster " + ListUtils.GetElementIndex(clusterCenters, pair.Value);
}
}
}
List <List <double> > oldClusterCenters = clusterCenters;
//пересчёт центров кластеров
clusterCenters = RecalculateCoordinateOfClusterCenters(clusters, clusterCenters);
//если координаты центров кластеров не изменились, выходим из цикла
if (ListUtils.IsListEqualsToAnother(clusterCenters, oldClusterCenters))
{
stop = true;
}
//если координаты центров кластеров поменялись изменились, пересчитываем кластеры
else
{
List <OxyColor> colorValues = clusterColors.Values.ToList();
clusterColors.Clear();
for (int i = 0; i < clusterCenters.Count; i++)
{
clusterColors.Add(clusterCenters[i], colorValues[i]);
}
//удаление отображения всех центров кластеров
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
annotation.Shape = MarkerType.Circle;
annotation.Size = 4;
}
//проверка на потенциально не существующие центры кластеров
foreach (List <double> oldClusterCenter in oldClusterCenters)
{
bool isClusterCenterDataPoint = false;
foreach (List <double> coordinate in coordinates)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (oldClusterCenter[0] == coordinate[0] && oldClusterCenter[1] == coordinate[1])
{
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("ex-center x = {0}, y = {1}", oldClusterCenter[0], oldClusterCenter[1]);
#endif
#endregion
isClusterCenterDataPoint = true;
break;
}
}
//если центр кластера не является точкой данных
if (!isClusterCenterDataPoint)
{
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == oldClusterCenter[0] && annotation.Y == oldClusterCenter[1])
{
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("remove point with coordinate x = {0}, y = {1}", annotation.X, annotation.Y);
#endif
#endregion
//удаление центра кластера
plot.Model.Annotations.Remove(annotation);
break;
}
}
}
}
//Отмечаем новые кластеры на графике
for (int i = 0; i < clusterCenters.Count; i++)
{
List <double> clusterCenter = clusterCenters[i];
bool isExists = false;
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == clusterCenter[0] && annotation.Y == clusterCenter[1])
{
//если центр кластера с такими координатами существует, помечаем его на графике как центр кластера
UIUtils.MarkClusterCenter(annotation, colorValues[i]);
isExists = true;
break;
}
}
//если центр кластера с такими координатами не существует, создаём на графике новую точку и помечаем её как центр кластера
if (!isExists)
{
PointAnnotation pointAnnotation = new PointAnnotation {
X = clusterCenter[0], Y = clusterCenter[1]
};
UIUtils.MarkClusterCenter(pointAnnotation, colorValues[i]);
plot.Model.Annotations.Add(pointAnnotation);
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("add center with coordinate x = {0}, y = {1}", pointAnnotation.X, pointAnnotation.Y);
#endif
#endregion
}
}
}
plot.InvalidatePlot();
//Thread.Sleep(1000);
iteration++;
}
}
/// <summary>
/// Кластеризация Fuzzy C-Means
/// </summary>
/// <param name="plot">Модель графика OxyPlot</param>
/// <param name="label">Label для показа информации о номере итерации</param>
/// <param name="numberOfClusters">Число кластеров</param>
/// <param name="fuzzificationParameter">параметр фаззификации</param>
public static void DoClusteringByFuzzyCMeans(PlotView plot, Label label, int numberOfClusters, double fuzzificationParameter)
{
if (plot.Model == null)
{
return;
}
//координаты точек
List <List <double> > coordinates = new List <List <double> >();
//заполнении информации о координатах точек
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
List <double> pointCoordinates = new List <double> {
annotation.X, annotation.Y
};
coordinates.Add(pointCoordinates);
}
Random random = new Random();
byte[] bgrColorComponents = new byte[3];
//цвета кластеров, выбираются случайно
Dictionary <List <double>, OxyColor> clusterColors = new Dictionary <List <double>, OxyColor>();
//первоначальная генерация центров кластеров
List <List <double> > clusterCenters = AlgorithmsUtils.MakeInitialSeeds(coordinates, numberOfClusters);
foreach (List <double> clusterCenter in clusterCenters)
{
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == clusterCenter[0] && annotation.Y == clusterCenter[1])
{
random.NextBytes(bgrColorComponents);
//отметим на графике центры кластеров
UIUtils.MarkClusterCenter(annotation, OxyColor.FromRgb(bgrColorComponents[0], bgrColorComponents[1], bgrColorComponents[2]));
clusterColors.Add(clusterCenter, annotation.Fill);
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("Inital cluster center x = {0}, y = {1}", annotation.X, annotation.Y);
#endif
#endregion
}
}
}
bool stop = false;
Dictionary <List <double>, List <double> > clusters = null;
//матрица членства - Отображение "координаты точки" -> "значения функции членства точки во всех кластерах"
Dictionary <List <double>, List <double> > membershipMatrix = null;
int iteration = 0;
//цикл продолжается пока меняются координаты центров кластеров
while (!stop)
{
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("Iteration = {0}", iteration);
#endif
#endregion
label.Content = "Iteration " + iteration;
//отображение из координат точки в координаты центра кластера
clusters = MakeFuzzyClusters(coordinates, clusterCenters, fuzzificationParameter, out membershipMatrix);
foreach (KeyValuePair <List <double>, List <double> > pair in clusters)
{
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == pair.Key[0] && annotation.Y == pair.Key[1])
{
//закрашиваем точку цветом кластера
annotation.Fill = clusterColors[pair.Value];
}
}
}
//отображение значений матрицы членства для каждой точки на графике
foreach (KeyValuePair <List <double>, List <double> > pair in membershipMatrix)
{
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == pair.Key[0] && annotation.Y == pair.Key[1])
{
String tooltip = "";
for (int i = 0; i < pair.Value.Count; i++)
{
double value = pair.Value[i];
tooltip += "Cluster " + i + ": Value: " + Math.Round(value, 2) + "\n";
}
annotation.ToolTip = tooltip;
}
}
}
List <List <double> > oldClusterCenters = clusterCenters;
//пересчёт центров кластеров
clusterCenters = RecalculateCoordinateOfFuzzyClusterCenters(clusterCenters, membershipMatrix, fuzzificationParameter);
Dictionary <List <double>, List <double> > distancesToClusterCenters = AlgorithmsUtils.CalculateDistancesToClusterCenters(coordinates, clusterCenters);
Dictionary <List <double>, List <double> > newMembershipMatrix = CreateMembershipMatrix(distancesToClusterCenters, fuzzificationParameter);
List <List <double> > differences = ListUtils.CreateDifferencesMatrix(newMembershipMatrix.Values.ToList(), membershipMatrix.Values.ToList());
//если координаты центров кластеров не изменились, выходим из цикла
double maxElement = ListUtils.GetMaxElement(differences);
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("Max element: {0}", maxElement);
#endif
#endregion
if (maxElement < 0.001)
{
stop = true;
}
//если координаты центров кластеров поменялись изменились, пересчитываем кластеры
else
{
List <OxyColor> colorValues = clusterColors.Values.ToList();
clusterColors.Clear();
for (int i = 0; i < clusterCenters.Count; i++)
{
clusterColors.Add(clusterCenters[i], colorValues[i]);
}
//удаление отображения всех центров кластеров
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
annotation.Shape = MarkerType.Circle;
annotation.Size = 4;
}
//проверка на потенциально не существующие центры кластеров
foreach (List <double> oldClusterCenter in oldClusterCenters)
{
bool isClusterCenterDataPoint = false;
foreach (List <double> coordinate in coordinates)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (oldClusterCenter[0] == coordinate[0] && oldClusterCenter[1] == coordinate[1])
{
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("ex-center x = {0}, y = {1}", oldClusterCenter[0], oldClusterCenter[1]);
#endif
#endregion
isClusterCenterDataPoint = true;
break;
}
}
//если центр кластера не является точкой данных
if (!isClusterCenterDataPoint)
{
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == oldClusterCenter[0] && annotation.Y == oldClusterCenter[1])
{
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("remove center with coordinate x = {0}, y = {1}", annotation.X, annotation.Y);
#endif
#endregion
//удаление центра кластера
plot.Model.Annotations.Remove(annotation);
break;
}
}
}
}
//Отмечаем новые кластеры на графике
for (int i = 0; i < clusterCenters.Count; i++)
{
List <double> clusterCenter = clusterCenters[i];
bool isExists = false;
foreach (PointAnnotation annotation in plot.Model.Annotations)
{
// todo: разобраться со сравнением флоат-пойнт чисел
if (annotation.X == clusterCenter[0] && annotation.Y == clusterCenter[1])
{
//если центр кластера с такими координатами существует, помечаем его на графике как центр кластера
UIUtils.MarkClusterCenter(annotation, colorValues[i]);
isExists = true;
break;
}
}
//если центр кластера с такими координатами не существует, создаём на графике новую точку и помечаем её как центр кластера
if (!isExists)
{
PointAnnotation pointAnnotation = new PointAnnotation {
X = clusterCenter[0], Y = clusterCenter[1]
};
UIUtils.MarkClusterCenter(pointAnnotation, colorValues[i]);
plot.Model.Annotations.Add(pointAnnotation);
#region DEBUG
#if DEBUG
Console.WriteLine("add center with coordinate x = {0}, y = {1}", pointAnnotation.X, pointAnnotation.Y);
#endif
#endregion
}
}
}
plot.InvalidatePlot();
iteration++;
}
}