mtp.cc

   1
   2 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
   3 // This program is free software: you can redistribute it and/or modify  //
   4 // it under the terms of the version 3 of the GNU General Public License //
   5 // as published by the Free Software Foundation.                         //
   6 //                                                                       //
   7 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but   //
   8 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of            //
   9 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU      //
  10 // General Public License for more details.                              //
  11 //                                                                       //
  12 // You should have received a copy of the GNU General Public License     //
  13 // along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.  //
  14 //                                                                       //
  15 // Written by and Copyright (C) Francois Fleuret                         //
  16 // Contact <francois.fleuret@idiap.ch> for comments & bug reports        //
  17 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  18
  19 // Multi-Tracked Path
  20
  21 // Takes the graph description file as input and produces a dot file.
  22
  23 // EXAMPLE: ./mtp ./graph2.txt  | dot -T pdf -o- | xpdf -
  24
  25 #define VERBOSE
  26
  27 #include <iostream>
  28 #include <fstream>
  29 #include <cmath>
  30 #include <stdio.h>
  31 #include <stdlib.h>
  32 #include <float.h>
  33
  34 using namespace std;
  35
  36 typedef float scalar_t;
  37
  38 #ifdef DEBUG
  39 #define ASSERT(x) if(!(x)) { \
  40   std::cerr << "ASSERT FAILED IN " << __FILE__ << ":" << __LINE__ << endl; \
  41   abort(); \
  42 }
  43 #else
  44 #define ASSERT(x)
  45 #endif
  46
  47 class Vertex;
  48
  49 class Edge {
  50 public:
  51   int id, occupied;
  52   scalar_t length, work_length;
  53   Vertex *terminal_vertex;
  54   Edge *next, *pred;
  55 };
  56
  57 class Vertex {
  58 public:
  59   int id, iteration;
  60   Edge *root_edge;
  61   scalar_t distance_from_source;
  62   Vertex *pred_vertex;
  63   Edge *pred_edge;
  64
  65   Vertex() { root_edge = 0; }
  66
  67   inline void add_edge(Edge *e) {
  68     e->next = root_edge;
  69     e->pred = 0;
  70     if(root_edge) { root_edge->pred = e; }
  71     root_edge = e;
  72   }
  73
  74   inline void del_edge(Edge *e) {
  75     if(e == root_edge) { root_edge = e->next; }
  76     if(e->pred) { e->pred->next = e->next; }
  77     if(e->next) { e->next->pred = e->pred; }
  78   }
  79 };
  80
  81 class Graph {
  82   void initialize_work_lengths();
  83   void update_work_length();
  84   void find_shortest_path(Vertex **front, Vertex **new_front);
  85
  86   int nb_vertices;
  87   Edge *edge_heap;
  88   Vertex *vertices;
  89   Vertex *source, *sink;
  90 public:
  91   Graph(int nb_vertices, int nb_edges, int *from, int *to, scalar_t *lengths,
  92         int source, int sink);
  93
  94   ~Graph();
  95
  96   void find_best_paths(int *result_edge_occupation);
  97   void print();
  98 };
  99
 100 void Graph::print() {
 101   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 102     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 103       cout << n << " -> " << e->terminal_vertex->id << " " << e->length;
 104       if(e->occupied) {
 105         cout << " *";
 106       }
 107       cout << endl;
 108     }
 109   }
 110 }
 111
 112 Graph::Graph(int nb_vrt, int nb_edges,
 113              int *from, int *to, scalar_t *lengths,
 114              int src, int snk) {
 115   nb_vertices = nb_vrt;
 116
 117   edge_heap = new Edge[nb_edges];
 118   vertices = new Vertex[nb_vertices];
 119
 120   source = &vertices[src];
 121   sink = &vertices[snk];
 122
 123   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 124     vertices[v].id = v;
 125   }
 126
 127   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 128     vertices[from[e]].add_edge(&edge_heap[e]);
 129     edge_heap[e].occupied = 0;
 130     edge_heap[e].id = e;
 131     edge_heap[e].length = lengths[e];
 132     edge_heap[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 133   }
 134 }
 135
 136 Graph::~Graph() {
 137   delete[] vertices;
 138   delete[] edge_heap;
 139 }
 140
 141 void Graph::initialize_work_lengths() {
 142   scalar_t length_min = 0;
 143   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 144     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 145       length_min = min(e->length, length_min);
 146     }
 147   }
 148   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 149     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 150       e->work_length = e->length - length_min;
 151     }
 152   }
 153 }
 154
 155 void Graph::update_work_length() {
 156   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 157     scalar_t d = vertices[n].distance_from_source;
 158     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 159       e->work_length += d - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 160     }
 161   }
 162 }
 163
 164 void Graph::find_shortest_path(Vertex **front, Vertex **new_front) {
 165   Vertex **tmp_front;
 166   int tmp_front_size;
 167   Vertex *v, *tv;
 168   scalar_t d;
 169
 170 #ifdef VERBOSE
 171   cout << "find_shortest_path" << endl;
 172 #endif
 173
 174 #ifdef DEBUG
 175   scalar_t residual_error = 0.0;
 176 #endif
 177   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 178     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 179       if(e->work_length < 0) {
 180 #ifdef DEBUG
 181         residual_error -= e->work_length;
 182 #endif
 183         e->work_length = 0.0;
 184       }
 185     }
 186   }
 187 #ifdef DEBUG
 188   cout << "DEBUG residual_error " << residual_error << endl;
 189 #endif
 190
 191   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 192     vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 193     vertices[v].pred_vertex = 0;
 194     vertices[v].pred_edge = 0;
 195     vertices[v].iteration = 0;
 196   }
 197
 198   int iteration = 0;
 199
 200   int front_size = 0, new_front_size;
 201   front[front_size++] = source;
 202   source->distance_from_source = 0;
 203
 204   do {
 205     new_front_size = 0;
 206     iteration++;
 207     for(int f = 0; f < front_size; f++) {
 208       v = front[f];
 209       for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 210         d = v->distance_from_source + e->work_length;
 211         tv = e->terminal_vertex;
 212         if(d < tv->distance_from_source) {
 213           tv->distance_from_source = d;
 214           tv->pred_vertex = v;
 215           tv->pred_edge = e;
 216           if(tv->iteration < iteration) {
 217             new_front[new_front_size++] = tv;
 218             tv->iteration = iteration;
 219           }
 220         }
 221       }
 222     }
 223
 224     tmp_front = new_front;
 225     new_front = front;
 226     front = tmp_front;
 227
 228     tmp_front_size = new_front_size;
 229     new_front_size = front_size;
 230     front_size = tmp_front_size;
 231   } while(front_size > 0);
 232 }
 233
 234 void Graph::find_best_paths(int *result_edge_occupation) {
 235   Vertex **front = new Vertex *[nb_vertices];
 236   Vertex **new_front = new Vertex *[nb_vertices];
 237
 238   scalar_t total_length;
 239
 240   initialize_work_lengths();
 241
 242   do {
 243     total_length = 0.0;
 244     find_shortest_path(front, new_front);
 245     update_work_length();
 246
 247     // Do we reach the sink?
 248     if(sink->pred_edge) {
 249
 250       // If yes, compute the length of the best path
 251       for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 252         total_length += v->pred_edge->length;
 253       }
 254
 255       // If that length is negative
 256       if(total_length < 0.0) {
 257         // Invert all the edges along the best path
 258         for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 259           Edge *e = v->pred_edge;
 260           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 261           e->occupied = 1 - e->occupied;
 262           e->length = - e->length;
 263           e->work_length = - e->work_length;
 264           v->pred_vertex->del_edge(e);
 265           v->add_edge(e);
 266         }
 267       }
 268     }
 269   } while(total_length < 0.0);
 270
 271   delete[] front;
 272   delete[] new_front;
 273
 274   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 275     Vertex *v = &vertices[n];
 276     for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 277       result_edge_occupation[e->id] = e->occupied;
 278     }
 279   }
 280 }
 281
 282 void find_best_paths(int nb_vertices,
 283                      int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
 284                      int source, int sink,
 285                      int *result_edge_occupation) {
 286   Graph graph(nb_vertices, nb_edges, ea, eb, el, source, sink);
 287   graph.find_best_paths(result_edge_occupation);
 288 }
 289
 290 void dot_print(int nb_vertices,
 291                int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
 292                int source, int sink,
 293                int *edge_occupation) {
 294   cout << "digraph {" << endl;
 295   cout << "  node[shape=circle];" << endl;
 296   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 297     if(edge_occupation[e]) {
 298       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [style=bold,color=black,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 299     } else {
 300       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [color=gray,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 301     }
 302   }
 303   cout << "}" << endl;
 304 }
 305
 306 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 307
 308 int main(int argc, char **argv) {
 309
 310   if(argc < 2) {
 311     cerr << argv[0] << " <graph file>" << endl;
 312     exit(EXIT_FAILURE);
 313   }
 314
 315   ifstream *file = new ifstream(argv[1]);
 316
 317   int nb_edges, nb_vertices;
 318   int source, sink;
 319
 320   if(file->good()) {
 321
 322     (*file) >> nb_vertices >> nb_edges;
 323     (*file) >> source >> sink;
 324
 325     scalar_t *edge_lengths = new scalar_t[nb_edges];
 326     int *vertex_from = new int[nb_edges];
 327     int *vertex_to = new int[nb_edges];
 328     int *result_edge_occupation = new int[nb_edges];
 329
 330     for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 331       (*file) >> vertex_from[e] >> vertex_to[e] >> edge_lengths[e];
 332     }
 333
 334     find_best_paths(nb_vertices, nb_edges,
 335                     vertex_from, vertex_to, edge_lengths,
 336                     source, sink,
 337                     result_edge_occupation);
 338
 339     // dot_print(nb_vertices, nb_edges,
 340               // vertex_from, vertex_to, edge_lengths,
 341               // source, sink,
 342               // result_edge_occupation);
 343
 344     delete[] result_edge_occupation;
 345     delete[] edge_lengths;
 346     delete[] vertex_from;
 347     delete[] vertex_to;
 348
 349   } else {
 350
 351     cerr << "Can not open " << argv[1] << endl;
 352
 353     delete file;
 354     exit(EXIT_FAILURE);
 355
 356   }
 357
 358   delete file;
 359   exit(EXIT_SUCCESS);
 360 }