import java.lang.reflect.*;
import java.util.*;
import javax.swing.*;
import java.io.*;
import javax.swing.event.*;
import java.awt.*;
import java.text.*;

public class LABOR
{
    Object Perzeptron;
    Method methodeLernen;
    Method methodeBerechne;
    ArrayList<Datapoint> Trainingset = new ArrayList<Datapoint>();
    ArrayList<FormVisualization> listener = new ArrayList<FormVisualization>();
    
    /* Das Labor-Objekt benötigt bei der Objekterzeugung ein Perzeptron, das 
     * vorher schon erzeugt werden musste. Man kann es in BlueJ übergeben, 
     * indem man einfach auf das Objekt klickt.
     */
    public LABOR(Object perzeptron) throws Exception {
        Perzeptron = perzeptron;
        Class<?> pClass = Perzeptron.getClass();
        Method[] methods =  pClass.getDeclaredMethods();
        ArrayList<Method> mlist = new ArrayList<Method>();

        // Auswertemethode finden
        for(int i=0;i<methods.length;++i){
            if((methods[i].getReturnType().getName()).equals("double")
            && !Modifier.isPrivate( methods[i].getModifiers())
            && !Modifier.isProtected( methods[i].getModifiers())
            && methods[i].getParameterCount()==2 
            && methods[i].getParameterTypes()[0].getName().equals("double")
            && methods[i].getParameterTypes()[1].getName().equals("double")
            ){
                mlist.add(methods[i]);
            }

        }

        if(mlist.size()==0){
            JOptionPane.showMessageDialog(null,"Es wurde keine passende Methode zum Auswerten eines Datenpunktes gefunden.\n" +
                "Es wird erwartet, dass es eine Methode gibt, die als Parameter zwei double-Werte bekommt und\n"+
                "einen double-Wert zurückliefert.\n\n"+
                "Beispiel:\n"+
                "public double berechneAusgabe(double x, double y)");
            throw new Exception("Keine Auswertungsmethode für das Perzeptron gefunden");
        }
        else if(mlist.size()==1){
            methodeBerechne=mlist.get(0);
        }
        else{
            FormMethodSelector formMS = new FormMethodSelector(  mlist.toArray(new Method[0] ), FormMethodSelector.BERECHNE );            
            formMS.setVisible(true);
            if(formMS.selectedMethodName==null){
                throw new Exception("Keine Auswertungsmethode für das Perzeptron gewählt");
            }
            else{
                for(int i=0;i<mlist.size();++i){
                    if(mlist.get(i).getName().equals(formMS.selectedMethodName)){
                        methodeBerechne=mlist.get(i);
                    }
                }
            }
        }

        mlist.clear();
        // Trainingsmethode finden
        for(int i=0;i<methods.length;++i){
            if((methods[i].getReturnType().getName()).equals("void")
            && !Modifier.isPrivate( methods[i].getModifiers())
            && !Modifier.isProtected( methods[i].getModifiers())
            && methods[i].getParameterCount()==3 
            && methods[i].getParameterTypes()[0].getName().equals("double")
            && methods[i].getParameterTypes()[1].getName().equals("double")
            && methods[i].getParameterTypes()[1].getName().equals("double")
            ){
                mlist.add(methods[i]);
            }
        }

        if(mlist.size()==0){
            JOptionPane.showMessageDialog(null,"Es wurde keine passende Methode zum Lernen eines Traingsdatenpunktes gefunden.\n" +
                "Es wird erwartet, dass es eine Methode gibt, die als Parameter drei double-Werte bekommt und\n"+
                "keinen Wert zurückliefert.\n\n"+
                "Beispiel:\n"+
                "public void lerne(double x, double y, double label)");
            throw new Exception("Keine Trainingssmethode für das Perzeptron gefunden");
        }
        else if(mlist.size()==1){
            methodeLernen=mlist.get(0);
        }
        else{
            FormMethodSelector formMS = new FormMethodSelector(  mlist.toArray(new Method[0] ), FormMethodSelector.TRAINIERE );            
            formMS.setVisible(true);
            if(formMS.selectedMethodName==null){
                throw new Exception("Keine Methode zum Training für das Perzeptron gewählt");
            }
            else{
                for(int i=0;i<mlist.size();++i){
                    if(mlist.get(i).getName().equals(formMS.selectedMethodName)){
                        methodeLernen=mlist.get(i);
                    }
                }
            }
        }
    }

    /* Hier kann man eine Datei öffnen, die Trainingsdaten enthält. Sie endet mit .csv und muss
     * sich im selben Verzeichnis, wie das BlueJ-Projekt befinden. Oftmals heißt so eine Datei
     * "daten.csv"
     */
    public void ladeTrainingsdaten(String Dateiname){
        Trainingset.clear();
        File file= new File(Dateiname);
        if(!file.exists()){
            file= new File(Dateiname + ".csv");
            if(!file.exists()){
                JOptionPane.showMessageDialog(null,"Die Datei mit dem Bezeichner " + Dateiname + "\n" + 
                    "konnte nicht gefunden werden. Prüfen Sie, ob sich wirklich diese Datei\n" + 
                    "in dem Verzeichnis befindet und ob auch die Endung stimmt.\n"+
                    "Üblicherweise lautet die Dateiendung .csv");
                return;
            }
        }
        try (Scanner scanner = new Scanner(file)) {
            scanner.nextLine();
            NumberFormat format = NumberFormat.getInstance(Locale.GERMAN);
            while (scanner.hasNextLine()) {
                String line = scanner.nextLine();
                String[] tokens = line.split(";");
                Datapoint d = new Datapoint();
                d.label=tokens[1].equals("1")?1:0;
               
                Number number = format.parse(tokens[2]);
                double dv = number.doubleValue();
                d.x1=dv;
                number = format.parse(tokens[3]);
                dv = number.doubleValue();
                d.x2=dv;  
                Trainingset.add(d);
            }
        } catch (Exception ex) {
            JOptionPane.showMessageDialog(null,"Die Datei scheint fehlerhaft zu sein.\n" +
                "Sie konnte leider nicht gelesen werden.");
        }
        UpdateListener();
        JOptionPane.showMessageDialog(null,"Es wurden Trainingsdaten mit " + Trainingset.size() + " Datenpunkten eingelesen");

    }

    /* Die Delta-Lernregel wird einmal für 
     * alle Trainingsdatenpunkte durchgeführt.
     */
    public void trainiereEinmal(){
        ArrayList<Datapoint> set = (ArrayList<Datapoint>)Trainingset.clone();
        Collections.shuffle(set);
        for (Datapoint dp : set) {
            Object[] par = new Object[3];
            par[0]=dp.x1;
            par[1]=dp.x2;
            par[2]=dp.label;
            try{
                methodeLernen.invoke(Perzeptron, par);
            }
            catch(Exception exc){

            }            
        }
        UpdateListener();
    }

    private double perzBerechne(double x1, double x2){
        Object[] par = new Object[2];
        par[0]=x1;
        par[1]=x2;
        double ret = -1;
        try{
            ret= (double)methodeBerechne.invoke(Perzeptron,par);
        }
        catch(Exception e){}
        return ret;
    }

    private int testeAnhandTrainingsdaten(){
        int fehler=0;
        for(Datapoint dp: Trainingset){
            Object[] par = new Object[2];
            par[0]=dp.x1;
            par[1]=dp.x2;
            try{
                double l = (double)methodeBerechne.invoke(Perzeptron,par);
                if(l!=dp.label)
                    fehler++;
            }catch(Exception exc){

            } 
        }
        return fehler;
    }

    /*
     * Die Methode testet, ob alle Trainingsdaten richtig klassifiziert werden.
     */
    public void überprüfePerzeptron(){
        int fehler = testeAnhandTrainingsdaten();
        if(fehler==0){
            JOptionPane.showMessageDialog(null,"Alle Trainingsdaten wurden richtig klassifiziert.\n" + 
                "Ein weiteres Training ist nicht erforderlich");
        }
        else{
            JOptionPane.showMessageDialog(null,"Es wurden " + fehler + " Datenpunkte der Trainingsdaten\n" +
                "falsch klassifiziert.");
        }
    }
    
    /*
     * Die Delta-Lernregel wird auf alle Trainingsdaten angewendet, 
     * bis entweder alle Trainingsdaten richtig klassifiziert werden,
     * oder die Anzahl der Wiederholungen den Wert des Übergabeparameters
     * überschreiten.
     */
    public void trainiere(int maximaleAnzahlAnDurchläufen){
        for(int i=0;i<maximaleAnzahlAnDurchläufen;++i){
            trainiereEinmal();
            if(testeAnhandTrainingsdaten()==0){
                break;
            }
        }
    }

    /*
     * Ein Fenster öffnet sich, das die Trainingsdaten anzeigt und auch,
     * wir das Perzeptron die lineare Separierung durchführt.
     */
    public void visualisiere(){
        FormVisualization f = new FormVisualization(this);
        listener.add(f);
    }

    private void UpdateListener(){
        for(FormVisualization f: listener){
            f.canvas.repaint();
        }
    }

    class MyCanvas extends JComponent
    {
        FormVisualization viz;

        public MyCanvas(FormVisualization f){
            super();
            viz=f;
            this.setBackground(Color.WHITE);
        }

        public void paintComponent(Graphics g){
            super.paintComponents(g);
            Graphics2D g2d = (Graphics2D) g;  
            g2d.clearRect(0, 0, 500, 500);
            g2d.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING,  RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);

            double minX1=-0.1;
            double minX2=-0.1;
            double maxX1=3;
            double maxX2=3;

            for(Datapoint d : viz.training){
                if(d.x1>maxX1) maxX1=d.x1;
                if(d.x2>maxX2) maxX2=d.x2;
                if(d.x1<minX1) minX1=d.x1;
                if(d.x2<minX2) minX2=d.x2;
            }       

            Color green = new Color(144,238,144);
            Color red = new Color(240,128,128);

            for(double y=0;y<500;y++){
                for(double x=0;x<500;x++){
                    Datapoint p = new Datapoint();
                    p.x1=minX1 + (x)/500.0*(maxX1-minX1);
                    p.x2=minX2 + (500.0-y)/500.0*(maxX2-minX2);
                    double label=viz.labor.perzBerechne(p.x1, p.x2);
                    if(label==1){
                        g2d.setColor(green);
                    }
                    else{
                        g2d.setColor(red);
                    }
                    g2d.fillRect((int)x, (int)y, 1, 1);
                }
            }

            // Achsen
            g2d.setColor(Color.BLACK);
            g2d.setStroke(new BasicStroke(3));
            double vaxs = ((0-minX1)/(maxX1-minX1))*500.0;
            double vays = 500;
            double vaxe = ((0-minX1)/(maxX1-minX1))*500.0;
            double vaye = 0;
            ZeichnePfeil(g2d,(int)vaxs, (int)vays, (int)vaxe, (int)vaye,10,10);

            double haxs = 0;
            double hays = 500.0-((0-minX2)/(maxX2-minX2))*500.0;
            double haxe = 500;
            double haye = 500.0-((0-minX2)/(maxX2-minX2))*500.0;
            ZeichnePfeil(g2d,(int)haxs, (int)hays, (int)haxe, (int)haye,10,10);

            g2d.setFont(new Font("TimesRoman", Font.PLAIN, 16)); 
            g2d.drawString("x", 477, (int)(haye-4));
            g2d.setFont(new Font("TimesRoman", Font.PLAIN, 10)); 
            g2d.drawString("1", 483, (int)(haye-2));

            g2d.setFont(new Font("TimesRoman", Font.PLAIN, 16)); 
            g2d.drawString("x", (int)(vaxe+4), 21);
            g2d.setFont(new Font("TimesRoman", Font.PLAIN, 10)); 
            g2d.drawString("2", (int)(vaxe+11), 23);

            // Trainingspunkte
            g2d.setStroke(new BasicStroke(1));
            for(Datapoint d : viz.training){
                if(d.label==0){
                    g2d.setColor(Color.RED);
                }
                else{
                    g2d.setColor(Color.GREEN);
                } 
                double px = ((d.x1-minX1)/(maxX1-minX1))*500.0;
                double py = 500.0-((d.x2-minX2)/(maxX2-minX2))*500.0;

                g.fillOval((int)px-4, (int)py-4, 9, 9);
                g2d.setColor(Color.BLACK);
                g.drawOval((int)px-4, (int)py-4, 9, 9);
            }

        }

        private void ZeichnePfeil(Graphics2D g, int x1, int y1, int x2, int y2, int d, int h) {
            int dx = x2 - x1, dy = y2 - y1;
            double D = Math.sqrt(dx*dx + dy*dy);
            double xm = D - d, xn = xm, ym = h, yn = -h, x;
            double sin = dy / D, cos = dx / D;

            x = xm*cos - ym*sin + x1;
            ym = xm*sin + ym*cos + y1;
            xm = x;

            x = xn*cos - yn*sin + x1;
            yn = xn*sin + yn*cos + y1;
            xn = x;

            int[] xpoints = {x2, (int) xm, (int) xn};
            int[] ypoints = {y2, (int) ym, (int) yn};

            g.drawLine(x1, y1, x2, y2);
            g.fillPolygon(xpoints, ypoints, 3);
        }

        public Datapoint isClicked(double x, double y){
            Datapoint ret = null;

            double minX1=-0.1;
            double minX2=-0.1;
            double maxX1=3;
            double maxX2=3;

            for(Datapoint d : viz.training){
                if(d.x1>maxX1) maxX1=d.x1;
                if(d.x2>maxX2) maxX2=d.x2;
                if(d.x1<minX1) minX1=d.x1;
                if(d.x2<minX2) minX2=d.x2;
            }       

            for(Datapoint d : viz.training){
                double px = ((d.x1-minX1)/(maxX1-minX1))*500.0;
                double py = 500.0-((d.x2-minX2)/(maxX2-minX2))*500.0;
                if(Math.sqrt((px-x)*(px-x)+(py-y)*(py-y))<=5.0)
                    return d;
            }
            return ret;
        }

    }
    class Datapoint {
        public double x1;
        public double x2;
        public double label;
    }

    public class FormMethodSelector extends javax.swing.JDialog implements ListSelectionListener {
        Method[] methods;
        public String selectedMethodName;
        int type;
        public static final int BERECHNE=1;
        public static final int TRAINIERE=2;

        public FormMethodSelector(Method[] methods, int type) {
            setModal(true);
            initComponents();
            this.methods=methods;
            this.type=type;
            DefaultListModel listModel = new DefaultListModel();
            for(int i=0;i<methods.length;++i){
                listModel.addElement(methods[i].getName());
            }
            jListMethods.setModel(listModel);
            jListMethods.addListSelectionListener(this);
        }

        private void initComponents() {
            jLabel1 = new javax.swing.JLabel();
            jScrollPane1 = new javax.swing.JScrollPane();
            jListMethods = new javax.swing.JList<>();
            jButtonOk = new javax.swing.JButton();

            setDefaultCloseOperation(JDialog.DISPOSE_ON_CLOSE);
            if(type==BERECHNE)
                jLabel1.setText("Wählen Sie die Methode aus, die bewirkt, dass das Perzeptron einen Datenpunkt auswertet:");
            else
                jLabel1.setText("Wählen Sie die Methode aus, die bewirkt, dass das Perzeptron einen Schritt der Delta-Lernregel durchführt:");

            jListMethods.setModel(new javax.swing.AbstractListModel<String>() {
                    String[] strings = { "Item 1", "Item 2", "Item 3", "Item 4", "Item 5" };
                    public int getSize() { return strings.length; }

                    public String getElementAt(int i) { return strings[i]; }
                });
            jScrollPane1.setViewportView(jListMethods);

            jButtonOk.setText("Weiter");
            jButtonOk.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() {
                    public void actionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) {
                        jButtonOkActionPerformed(evt);
                    }
                });

            javax.swing.GroupLayout layout = new javax.swing.GroupLayout(getContentPane());
            getContentPane().setLayout(layout);
            layout.setHorizontalGroup(
                layout.createParallelGroup(javax.swing.GroupLayout.Alignment.LEADING)
                .addGroup(layout.createSequentialGroup()
                    .addContainerGap()
                    .addGroup(layout.createParallelGroup(javax.swing.GroupLayout.Alignment.LEADING)
                        .addGroup(layout.createParallelGroup(javax.swing.GroupLayout.Alignment.TRAILING, false)
                            .addComponent(jScrollPane1)
                            .addComponent(jLabel1, javax.swing.GroupLayout.DEFAULT_SIZE, javax.swing.GroupLayout.DEFAULT_SIZE, Short.MAX_VALUE))
                        .addComponent(jButtonOk))
                    .addContainerGap(javax.swing.GroupLayout.DEFAULT_SIZE, Short.MAX_VALUE))
            );
            layout.setVerticalGroup(
                layout.createParallelGroup(javax.swing.GroupLayout.Alignment.LEADING)
                .addGroup(layout.createSequentialGroup()
                    .addContainerGap()
                    .addComponent(jLabel1)
                    .addPreferredGap(javax.swing.LayoutStyle.ComponentPlacement.UNRELATED)
                    .addComponent(jScrollPane1, javax.swing.GroupLayout.PREFERRED_SIZE, 98, javax.swing.GroupLayout.PREFERRED_SIZE)
                    .addPreferredGap(javax.swing.LayoutStyle.ComponentPlacement.UNRELATED)
                    .addComponent(jButtonOk)
                    .addContainerGap(10, Short.MAX_VALUE))
            );

            pack();
        }// </editor-fold>                        

        private void jButtonOkActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) {                                          
            this.setVisible(false);
        }                                         

        public void valueChanged(ListSelectionEvent e) {
            selectedMethodName = jListMethods.getSelectedValue();
        }

        // Variables declaration - do not modify                     
        private javax.swing.JButton jButtonOk;
        private javax.swing.JLabel jLabel1;
        private javax.swing.JList<String> jListMethods;
        private javax.swing.JScrollPane jScrollPane1;
        // End of variables declaration                   
    }
    public class FormVisualization extends javax.swing.JFrame {
        ArrayList<Datapoint> training;
        LABOR labor;

        public FormVisualization(){
            initComponents();
            training = new ArrayList<Datapoint>();
            setVisible(true);
        }

        public FormVisualization(LABOR l) {
            initComponents();
            training = l.Trainingset;
            labor=l;
            setVisible(true);
        }

        /**
        * This method is called from within the constructor to initialize the form.
        * WARNING: Do NOT modify this code. The content of this method is always
        * regenerated by the Form Editor.
        */
        @SuppressWarnings("unchecked")
        // <editor-fold defaultstate="collapsed" desc="Generated Code">                          
        private void initComponents() {

            canvas = new MyCanvas(this);
            jLabel1 = new javax.swing.JLabel();
            jLabel2 = new javax.swing.JLabel();
            jLabel3 = new javax.swing.JLabel();
            jButtonClearDatapoints = new javax.swing.JButton();

            setDefaultCloseOperation(JFrame.DISPOSE_ON_CLOSE);
            getContentPane().setLayout(null);

            canvas.addMouseListener(new java.awt.event.MouseAdapter() {
                    public void mousePressed(java.awt.event.MouseEvent evt) {
                        canvasMouseClicked(evt);
                    }
                });
            getContentPane().add(canvas);
            canvas.setBounds(10,10,500, 500);

            jLabel1.setText("Rechter Mausklick: Datenpunkt mit Label 0 wird hinzugefügt");
            getContentPane().add(jLabel1);
            jLabel1.setLocation(20, 540);
            jLabel1.setSize(500, 20);

            jLabel2.setText("Linker Mausklick: Datenpunkt mit Label 1 wird hinzugefügt");
            getContentPane().add(jLabel2);
            jLabel2.setLocation(20,520);
            jLabel2.setSize(500, 20);

            jLabel3.setText("Klick auf Datenpunkt: Datenpunkt wird entfernt");
            getContentPane().add(jLabel3);
            jLabel3.setLocation(20,560);
            jLabel3.setSize(500, 20);

            jButtonClearDatapoints.setActionCommand("<html><center>Alle Datenpunkte<br>löschen</center></html>");
            jButtonClearDatapoints.setLabel("<html><div align=\"center\">Alle Datenpunkte<br>löschen</div></html>");
            jButtonClearDatapoints.addMouseListener(new java.awt.event.MouseAdapter() {
                    public void mouseClicked(java.awt.event.MouseEvent evt) {
                        jButtonClearDatapointsMouseClicked(evt);
                    }
                });
            getContentPane().add(jButtonClearDatapoints);
            jButtonClearDatapoints.setBounds(370, 520, 140, 60);

            addWindowListener(new java.awt.event.WindowAdapter() {
                    public void windowClosing(java.awt.event.WindowEvent e) {
                        CloseHandler();
                    }
                });

            pack();
            this.setSize(540, 630);
        }// </editor-fold>                        

        private void CloseHandler(){
            labor.listener.remove(this);
        }

        private void canvasMouseClicked(java.awt.event.MouseEvent evt) {        
            Datapoint clickedPoint=canvas.isClicked(evt.getPoint().getX(), evt.getPoint().getY()); 
            if(clickedPoint!=null){
                training.remove(clickedPoint);
            }
            else{
                double l=0;
                if(SwingUtilities.isLeftMouseButton(evt)) l=1;
                Datapoint p = new Datapoint();

                double x = evt.getPoint().getX();
                double y = 500.0-evt.getPoint().getY();
                double minX1=-0.1;
                double minX2=-0.1;
                double maxX1=3;
                double maxX2=3;
                for(Datapoint d : training){
                    if(d.x1>maxX1) maxX1=d.x1;
                    if(d.x2>maxX2) maxX2=d.x2;
                    if(d.x1<minX1) minX1=d.x1;
                    if(d.x2<minX2) minX2=d.x2;
                }  

                p.label=l;
                p.x1=minX1 + x/500.0*(maxX1-minX1);
                p.x2=minX2 + y/500.0*(maxX2-minX2);
                training.add(p);            
            }
            canvas.repaint();

            labor.UpdateListener();
        }                                   

        private void jButtonClearDatapointsMouseClicked(java.awt.event.MouseEvent evt) {                                                    
            training.clear();        
            labor.UpdateListener();
            canvas.repaint();
        }                                                   

        MyCanvas canvas;
        private javax.swing.JButton jButtonClearDatapoints;
        private javax.swing.JLabel jLabel1;
        private javax.swing.JLabel jLabel2;
        private javax.swing.JLabel jLabel3;              
    }

}