git.gag.com Git - fw/altos/blob - altoslib/AltosTimeSeries.java

   1 /*
   2  * Copyright © 2017 Keith Packard <keithp@keithp.com>
   3  *
   4  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   6  * the Free Software Foundation, either version 2 of the License, or
   7  * (at your option) any later version.
   8  *
   9  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  10  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  12  * General Public License for more details.
  13  */
  14
  15 package org.altusmetrum.altoslib_14;
  16
  17 import java.util.*;
  18
  19 public class AltosTimeSeries implements Iterable<AltosTimeValue>, Comparable<AltosTimeSeries> {
  20         public String                   label;
  21         public AltosUnits               units;
  22         ArrayList<AltosTimeValue>       values;
  23         boolean                         data_changed;
  24         double                          min_time = -2;
  25
  26         public int compareTo(AltosTimeSeries other) {
  27                 return label.compareTo(other.label);
  28         }
  29
  30         public void add(AltosTimeValue tv) {
  31                 if (tv.time >= min_time) {
  32                         data_changed = true;
  33                         values.add(tv);
  34                 }
  35         }
  36
  37         public void erase_values() {
  38                 data_changed = true;
  39                 this.values = new ArrayList<AltosTimeValue>();
  40         }
  41
  42         public void clear_changed() {
  43                 data_changed = false;
  44         }
  45
  46 //      public boolean changed() {
  47 //              return data_changed;
  48 //      }
  49
  50         public void add(double time, double value) {
  51                 add(new AltosTimeValue(time, value));
  52         }
  53
  54         public AltosTimeValue get(int i) {
  55                 return values.get(i);
  56         }
  57
  58         private double lerp(AltosTimeValue v0, AltosTimeValue v1, double t) {
  59                 /* degenerate case */
  60                 if (v0.time == v1.time)
  61                         return (v0.value + v1.value) / 2;
  62
  63                 return (v0.value * (v1.time - t) + v1.value * (t - v0.time)) / (v1.time - v0.time);
  64         }
  65
  66         private int after_index(double time) {
  67                 int     lo = 0;
  68                 int     hi = values.size() - 1;
  69
  70                 while (lo <= hi) {
  71                         int mid = (lo + hi) / 2;
  72
  73                         if (values.get(mid).time < time)
  74                                 lo = mid + 1;
  75                         else
  76                                 hi = mid - 1;
  77                 }
  78                 return lo;
  79         }
  80
  81         /* Compute a value for an arbitrary time */
  82         public double value(double time) {
  83                 int after = after_index(time);
  84                 double ret;
  85
  86                 if (after == 0)
  87                         ret = values.get(0).value;
  88                 else if (after == values.size())
  89                         ret = values.get(after - 1).value;
  90                 else {
  91                         AltosTimeValue b = values.get(after-1);
  92                         AltosTimeValue a = values.get(after);
  93                         ret = lerp(b, a, time);
  94                 }
  95                 return ret;
  96         }
  97
  98         /* Find the value just before an arbitrary time */
  99         public double value_before(double time) {
 100                 int after = after_index(time);
 101
 102                 if (after == 0)
 103                         return values.get(0).value;
 104                 return values.get(after-1).value;
 105         }
 106
 107         /* Find the value just after an arbitrary time */
 108         public double value_after(double time) {
 109                 int after = after_index(time);
 110
 111                 if (after == values.size())
 112                         return values.get(after-1).value;
 113                 return values.get(after).value;
 114         }
 115
 116         public double time_of(double value) {
 117                 double  last = AltosLib.MISSING;
 118                 for (AltosTimeValue v : values) {
 119                         if (v.value >= value)
 120                                 return v.time;
 121                         last = v.time;
 122                 }
 123                 return last;
 124         }
 125
 126         public int size() {
 127                 return values.size();
 128         }
 129
 130         public Iterator<AltosTimeValue> iterator() {
 131                 return values.iterator();
 132         }
 133
 134         public AltosTimeValue max() {
 135                 AltosTimeValue max = null;
 136                 for (AltosTimeValue tv : values)
 137                         if (max == null || tv.value > max.value)
 138                                 max = tv;
 139                 return max;
 140         }
 141
 142         public AltosTimeValue max(double start_time, double end_time) {
 143                 AltosTimeValue max = null;
 144                 for (AltosTimeValue tv : values) {
 145                         if (start_time <= tv.time && tv.time <= end_time)
 146                                 if (max == null || tv.value > max.value)
 147                                         max = tv;
 148                 }
 149                 return max;
 150         }
 151
 152         public AltosTimeValue min() {
 153                 AltosTimeValue min = null;
 154                 for (AltosTimeValue tv : values) {
 155                         if (min == null || tv.value < min.value)
 156                                 min = tv;
 157                 }
 158                 return min;
 159         }
 160
 161         public AltosTimeValue min(double start_time, double end_time) {
 162                 AltosTimeValue min = null;
 163                 for (AltosTimeValue tv : values) {
 164                         if (start_time <= tv.time && tv.time <= end_time)
 165                                 if (min == null || tv.value < min.value)
 166                                         min = tv;
 167                 }
 168                 return min;
 169         }
 170
 171         public AltosTimeValue first() {
 172                 if (values.size() > 0)
 173                         return values.get(0);
 174                 return null;
 175         }
 176
 177         public AltosTimeValue last() {
 178                 if (values.size() > 0)
 179                         return values.get(values.size() - 1);
 180                 return null;
 181         }
 182
 183         public double average() {
 184                 double total_value = 0;
 185                 double total_time = 0;
 186                 AltosTimeValue prev = null;
 187                 for (AltosTimeValue tv : values) {
 188                         if (prev != null) {
 189                                 total_value += (tv.value + prev.value) / 2 * (tv.time - prev.time);
 190                                 total_time += (tv.time - prev.time);
 191                         }
 192                         prev = tv;
 193                 }
 194                 if (total_time == 0)
 195                         return AltosLib.MISSING;
 196                 return total_value / total_time;
 197         }
 198
 199         public double average(double start_time, double end_time) {
 200                 double total_value = 0;
 201                 double total_time = 0;
 202                 AltosTimeValue prev = null;
 203                 for (AltosTimeValue tv : values) {
 204                         if (start_time <= tv.time && tv.time <= end_time) {
 205                                 if (prev != null) {
 206                                         total_value += (tv.value + prev.value) / 2 * (tv.time - start_time);
 207                                         total_time += (tv.time - start_time);
 208                                 }
 209                                 start_time = tv.time;
 210                         }
 211                         prev = tv;
 212                 }
 213                 if (total_time == 0)
 214                         return AltosLib.MISSING;
 215                 return total_value / total_time;
 216         }
 217
 218         public AltosTimeSeries integrate(AltosTimeSeries integral) {
 219                 double  value = 0.0;
 220                 double  pvalue = 0.0;
 221                 double  time = 0.0;
 222                 boolean start = true;
 223
 224                 for (AltosTimeValue v : values) {
 225                         if (start) {
 226                                 value = 0.0;
 227                                 start = false;
 228                         } else {
 229                                 value += (pvalue + v.value) / 2.0 * (v.time - time);
 230                         }
 231                         pvalue = v.value;
 232                         time = v.time;
 233                         integral.add(time, value);
 234
 235                 }
 236                 return integral;
 237         }
 238
 239         public AltosTimeSeries differentiate(AltosTimeSeries diff) {
 240                 double value = 0.0;
 241                 double time = 0.0;
 242                 boolean start = true;
 243
 244                 for (AltosTimeValue v: values) {
 245                         if (start) {
 246                                 value = v.value;
 247                                 time = v.time;
 248                                 start = false;
 249                         } else {
 250                                 double  dx = v.time - time;
 251                                 double  dy = v.value - value;
 252
 253                                 if (dx != 0)
 254                                         diff.add(time, dy/dx);
 255
 256                                 time = v.time;
 257                                 value = v.value;
 258                         }
 259                 }
 260                 return diff;
 261         }
 262
 263         private int find_left(int i, double dt) {
 264                 int j;
 265                 double t = values.get(i).time - dt;
 266                 for (j = i; j >= 0; j--)        {
 267                         if (values.get(j).time < t)
 268                                 break;
 269                 }
 270                 return j + 1;
 271
 272         }
 273
 274         private int find_right(int i, double dt) {
 275                 int j;
 276                 double t = values.get(i).time + dt;
 277                 for (j = i; j < values.size(); j++) {
 278                         if (values.get(j).time > t)
 279                                 break;
 280                 }
 281                 return j - 1;
 282
 283         }
 284
 285         private static double i0(double x) {
 286                 double  ds = 1, d = 0, s = 0;
 287
 288                 do {
 289                         d += 2;
 290                         ds = ds * (x * x) / (d * d);
 291                         s += ds;
 292                 } while (ds - 0.2e-8 * s > 0);
 293                 return s;
 294         }
 295
 296         private static double kaiser(double n, double m, double beta) {
 297                 double alpha = m / 2;
 298                 double t = (n - alpha) / alpha;
 299
 300                 if (t > 1 || t < -1)
 301                         t = 1;
 302                 double k = i0 (beta * Math.sqrt (1 - t*t)) / i0(beta);
 303                 return k;
 304         }
 305
 306         private double filter_coeff(double dist, double width) {
 307                 return kaiser(dist + width/2.0, width, 2 * Math.PI);
 308         }
 309
 310         public AltosTimeSeries filter(AltosTimeSeries f, double width) {
 311
 312                 double  half_width = width/2;
 313                 int half_point = values.size() / 2;
 314                 for (int i = 0; i < values.size(); i++) {
 315                         double  center_time = values.get(i).time;
 316                         double  left_time = center_time - half_width;
 317                         double  right_time = center_time + half_width;
 318                         double  total_coeff = 0.0;
 319                         double  total_value = 0.0;
 320
 321                         int     left = find_left(i, half_width);
 322                         int     right = find_right(i, half_width);
 323
 324                         for (int j = left; j <= right; j++) {
 325                                 double  j_time = values.get(j).time;
 326
 327                                 if (left_time <= j_time && j_time <= right_time) {
 328                                         double  j_left = j == left ? left_time : values.get(j-1).time;
 329                                         double  j_right = j == right ? right_time : values.get(j+1).time;
 330                                         double  interval = (j_right - j_left) / 2.0;
 331                                         double  coeff = filter_coeff(j_time - center_time, width) * interval;
 332                                         double  value = values.get(j).value;
 333                                         double  partial = value * coeff;
 334
 335                                         total_coeff += coeff;
 336                                         total_value += partial;
 337                                 }
 338                         }
 339                         if (total_coeff != 0.0)
 340                                 f.add(center_time, total_value / total_coeff);
 341                 }
 342                 return f;
 343         }
 344
 345         public AltosTimeSeries clip(AltosTimeSeries clip, double min, double max) {
 346                 for (AltosTimeValue v: values) {
 347                         double value = v.value;
 348                         if (value < min) value = min;
 349                         if (value > max) value = max;
 350                         clip.add(v.time, value);
 351                 }
 352                 return clip;
 353         }
 354
 355         public AltosTimeSeries(String label, AltosUnits units) {
 356                 this.label = label;
 357                 this.units = units;
 358                 this.values = new ArrayList<AltosTimeValue>();
 359         }
 360 }