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 // #define VERBOSE
  22
  23 #include <iostream>
  24 #include <fstream>
  25 #include <cmath>
  26 #include <stdio.h>
  27 #include <stdlib.h>
  28 #include <float.h>
  29
  30 using namespace std;
  31
  32 typedef float scalar_t;
  33
  34 #ifdef DEBUG
  35 #define ASSERT(x) if(!(x)) { \
  36   std::cerr << "ASSERT FAILED IN " << __FILE__ << ":" << __LINE__ << endl; \
  37   abort(); \
  38 }
  39 #else
  40 #define ASSERT(x)
  41 #endif
  42
  43 class Vertex;
  44
  45 class Edge {
  46 public:
  47   int occupied;
  48   scalar_t length, work_length;
  49   Vertex *terminal_vertex;
  50   Edge *next, *pred;
  51 };
  52
  53 class Vertex {
  54 public:
  55   int id;
  56   // These are the leaving edges
  57   Edge *first_edge;
  58   scalar_t distance;
  59
  60   Vertex *pred_vertex;
  61   Edge *pred_edge;
  62
  63   Vertex() { first_edge = 0; }
  64
  65   inline void add_edge(Edge *e) {
  66     if(first_edge) { first_edge->pred = e; }
  67     e->next = first_edge;
  68     e->pred = 0;
  69     first_edge = e;
  70   }
  71
  72   inline void del_edge(Edge *e) {
  73     if(e == first_edge) { first_edge = e->next; }
  74     if(e->pred) { e->pred->next = e->next; }
  75     if(e->next) { e->next->pred = e->pred; }
  76   }
  77 };
  78
  79 class Graph {
  80 public:
  81   int nb_vertices;
  82   Edge *edge_heap;
  83   Vertex *vertices;
  84   Vertex *source, *sink;
  85
  86   Graph(int nb_vertices, int nb_edges, int *from, int *to, scalar_t *lengths,
  87         int source, int sink);
  88   ~Graph();
  89
  90   void initialize_work_lengths();
  91   void update_work_length();
  92   void find_shortest_path();
  93   void find_best_paths();
  94   void print();
  95   void print_occupied_edges();
  96 };
  97
  98 void Graph::print() {
  99   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 100     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 101       cout << n << " -> " << e->terminal_vertex->id << " " << e->length << endl;
 102     }
 103   }
 104 }
 105
 106 void Graph::print_occupied_edges() {
 107   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 108     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 109       if(e->occupied) {
 110         int a = n, b = e->terminal_vertex->id;
 111         if(a > b) { int c = a; a = b; b = c; }
 112         cout << a << " " << b << endl;
 113       }
 114     }
 115   }
 116 }
 117
 118 Graph::Graph(int nb_vrt, int nb_edges,
 119              int *from, int *to, scalar_t *lengths,
 120              int src, int snk) {
 121   nb_vertices = nb_vrt;
 122
 123   edge_heap = new Edge[nb_edges];
 124   vertices = new Vertex[nb_vertices];
 125
 126   source = &vertices[src];
 127   sink = &vertices[snk];
 128
 129   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 130     vertices[v].id = v;
 131   }
 132
 133   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 134     vertices[from[e]].add_edge(&edge_heap[e]);
 135     edge_heap[e].occupied = 0;
 136     edge_heap[e].length = lengths[e];
 137     edge_heap[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 138   }
 139 }
 140
 141 Graph::~Graph() {
 142   delete[] vertices;
 143   delete[] edge_heap;
 144 }
 145
 146 void Graph::initialize_work_lengths() {
 147   scalar_t length_min = 0;
 148   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 149     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 150       length_min = min(e->length, length_min);
 151     }
 152   }
 153   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 154     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 155       e->work_length = e->length - length_min;
 156     }
 157   }
 158 }
 159
 160 void Graph::update_work_length() {
 161   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 162     scalar_t d = vertices[n].distance;
 163     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 164       e->work_length += d - e->terminal_vertex->distance;
 165     }
 166   }
 167 }
 168
 169 void Graph::find_shortest_path() {
 170   Vertex **front = new Vertex *[nb_vertices];
 171   Vertex **new_front = new Vertex *[nb_vertices];
 172   Vertex **tmp_front;
 173   int tmp_front_size;
 174   Vertex *v, *tv;
 175   scalar_t d;
 176
 177 #ifdef DEBUG
 178   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 179     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 180       if(e->work_length < 0) {
 181         cerr << "DEBUG error in find_shortest_path: Edge fixed lengths have to be positive."
 182              << endl;
 183         abort();
 184       }
 185     }
 186   }
 187 #endif
 188
 189   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 190     vertices[v].distance = FLT_MAX;
 191     vertices[v].pred_vertex = 0;
 192     vertices[v].pred_edge = 0;
 193   }
 194
 195   int front_size = 0, new_front_size;
 196   front[front_size++] = source;
 197   source->distance = 0;
 198
 199   do {
 200     new_front_size = 0;
 201     for(int f = 0; f < front_size; f++) {
 202       v = front[f];
 203       for(Edge *e = v->first_edge; e; e = e->next) {
 204         d = v->distance + e->work_length;
 205         tv = e->terminal_vertex;
 206         if(d < tv->distance) {
 207           tv->distance = d;
 208           tv->pred_vertex = v;
 209           tv->pred_edge = e;
 210           new_front[new_front_size++] = tv;
 211         }
 212       }
 213     }
 214
 215     tmp_front = new_front;
 216     new_front = front;
 217     front = tmp_front;
 218
 219     tmp_front_size = new_front_size;
 220     new_front_size = front_size;
 221     front_size = tmp_front_size;
 222   } while(front_size > 0);
 223
 224   delete[] front;
 225   delete[] new_front;
 226 }
 227
 228 void Graph::find_best_paths() {
 229   scalar_t total_length;
 230
 231   initialize_work_lengths();
 232
 233   do {
 234 #ifdef VERBOSE
 235     print();
 236 #endif
 237
 238     total_length = 0.0;
 239     find_shortest_path();
 240     update_work_length();
 241
 242     // Do we reach the sink?
 243     if(sink->pred_edge) {
 244
 245 #ifdef VERBOSE
 246       cout << "VERBOSE there is a path reaching the sink" << endl;
 247 #endif
 248
 249       // If yes, compute the length of the best path
 250       for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 251         total_length += v->pred_edge->length;
 252       }
 253
 254 #ifdef VERBOSE
 255       cout << "VERBOSE total_length " << total_length << endl;
 256 #endif
 257
 258       // If that length is negative
 259       if(total_length < 0.0) {
 260         // Invert all the edges along the best path
 261         for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 262           Edge *e = v->pred_edge;
 263           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 264           e->occupied = 1 - e->occupied;
 265           e->length = - e->length;
 266           e->work_length = - e->work_length;
 267           v->pred_vertex->del_edge(e);
 268           v->add_edge(e);
 269         }
 270       }
 271     }
 272   } while(total_length < 0.0);
 273 }
 274
 275 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 276
 277 int main(int argc, char **argv) {
 278
 279   if(argc < 2) {
 280     cerr << argv[0] << " <graph file>" << endl;
 281     exit(EXIT_FAILURE);
 282   }
 283
 284   ifstream *file = new ifstream(argv[1]);
 285
 286   int nb_edges, nb_vertices;
 287   int source, sink;
 288
 289   if(file->good()) {
 290
 291     (*file) >> nb_vertices >> nb_edges;
 292     (*file) >> source >> sink;
 293
 294     cout << "INPUT nb_edges " << nb_edges << endl;
 295     cout << "INPUT nb_vertices " << nb_vertices << endl;
 296     cout << "INPUT source " << source << endl;
 297     cout << "INPUT sink " << sink << endl;
 298
 299     scalar_t *el = new scalar_t[nb_edges];
 300     int *ea = new int[nb_edges];
 301     int *eb = new int[nb_edges];
 302
 303     for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 304       (*file) >> ea[e] >> eb[e] >> el[e];
 305       cout << "INPUT_EDGE " << ea[e] << " " << eb[e] << " " << el[e] << endl;
 306     }
 307
 308     Graph graph(nb_vertices, nb_edges, ea, eb, el, source, sink);
 309
 310     graph.find_best_paths();
 311     graph.print_occupied_edges();
 312
 313     delete[] el;
 314     delete[] ea;
 315     delete[] eb;
 316
 317   } else {
 318
 319     cerr << "Can not open " << argv[1] << endl;
 320
 321     delete file;
 322     exit(EXIT_FAILURE);
 323
 324   }
 325
 326   delete file;
 327   exit(EXIT_SUCCESS);
 328 }