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;
  60
  61   Edge *root_edge;
  62   scalar_t distance_from_source;
  63
  64   Vertex *pred_vertex;
  65   Edge *pred_edge;
  66
  67   Vertex() { root_edge = 0; }
  68
  69   inline void add_edge(Edge *e) {
  70     e->next = root_edge;
  71     e->pred = 0;
  72     if(root_edge) { root_edge->pred = e; }
  73     root_edge = e;
  74   }
  75
  76   inline void del_edge(Edge *e) {
  77     if(e == root_edge) { root_edge = e->next; }
  78     if(e->pred) { e->pred->next = e->next; }
  79     if(e->next) { e->next->pred = e->pred; }
  80   }
  81 };
  82
  83 class Graph {
  84   void initialize_work_lengths();
  85   void update_work_length();
  86   void find_shortest_path(Vertex **front, Vertex **new_front);
  87
  88   int nb_vertices;
  89   Edge *edge_heap;
  90   Vertex *vertices;
  91   Vertex *source, *sink;
  92
  93 public:
  94   Graph(int nb_vertices, int nb_edges, int *from, int *to, scalar_t *lengths,
  95         int source, int sink);
  96
  97   ~Graph();
  98
  99   void find_best_paths(int *result_edge_occupation);
 100   void print();
 101 };
 102
 103 void Graph::print() {
 104   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 105     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 106       cout << n << " -> " << e->terminal_vertex->id << " " << e->length;
 107       if(e->occupied) {
 108         cout << " *";
 109       }
 110       cout << endl;
 111     }
 112   }
 113 }
 114
 115 Graph::Graph(int nb_vrt, int nb_edges,
 116              int *from, int *to, scalar_t *lengths,
 117              int src, int snk) {
 118   nb_vertices = nb_vrt;
 119
 120   edge_heap = new Edge[nb_edges];
 121   vertices = new Vertex[nb_vertices];
 122
 123   source = &vertices[src];
 124   sink = &vertices[snk];
 125
 126   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 127     vertices[v].id = v;
 128   }
 129
 130   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 131     vertices[from[e]].add_edge(&edge_heap[e]);
 132     edge_heap[e].occupied = 0;
 133     edge_heap[e].id = e;
 134     edge_heap[e].length = lengths[e];
 135     edge_heap[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 136   }
 137 }
 138
 139 Graph::~Graph() {
 140   delete[] vertices;
 141   delete[] edge_heap;
 142 }
 143
 144 void Graph::initialize_work_lengths() {
 145   scalar_t length_min = 0;
 146   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 147     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 148       length_min = min(e->length, length_min);
 149     }
 150   }
 151   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 152     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 153       e->work_length = e->length - length_min;
 154     }
 155   }
 156 }
 157
 158 void Graph::update_work_length() {
 159   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 160     scalar_t d = vertices[n].distance_from_source;
 161     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 162       e->work_length += d - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 163     }
 164   }
 165 }
 166
 167 void Graph::find_shortest_path(Vertex **front, Vertex **new_front) {
 168   Vertex **tmp_front;
 169   int tmp_front_size;
 170   Vertex *v, *tv;
 171   scalar_t d;
 172
 173 #ifdef DEBUG
 174   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 175     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 176       if(e->work_length < 0) {
 177         cerr << "DEBUG error in find_shortest_path: Edge fixed lengths have to be positive."
 178              << endl;
 179         abort();
 180       }
 181     }
 182   }
 183 #endif
 184
 185   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 186     vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 187     vertices[v].pred_vertex = 0;
 188     vertices[v].pred_edge = 0;
 189   }
 190
 191   int front_size = 0, new_front_size;
 192   front[front_size++] = source;
 193   source->distance_from_source = 0;
 194
 195   do {
 196     new_front_size = 0;
 197     for(int f = 0; f < front_size; f++) {
 198       v = front[f];
 199       for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 200         d = v->distance_from_source + e->work_length;
 201         tv = e->terminal_vertex;
 202         if(d < tv->distance_from_source) {
 203           tv->distance_from_source = d;
 204           tv->pred_vertex = v;
 205           tv->pred_edge = e;
 206           new_front[new_front_size++] = tv;
 207         }
 208       }
 209     }
 210
 211     tmp_front = new_front;
 212     new_front = front;
 213     front = tmp_front;
 214
 215     tmp_front_size = new_front_size;
 216     new_front_size = front_size;
 217     front_size = tmp_front_size;
 218   } while(front_size > 0);
 219 }
 220
 221 void Graph::find_best_paths(int *result_edge_occupation) {
 222   Vertex **front = new Vertex *[nb_vertices];
 223   Vertex **new_front = new Vertex *[nb_vertices];
 224
 225   scalar_t total_length;
 226
 227   initialize_work_lengths();
 228
 229   do {
 230     total_length = 0.0;
 231     find_shortest_path(front, new_front);
 232     update_work_length();
 233
 234     // Do we reach the sink?
 235     if(sink->pred_edge) {
 236
 237       // If yes, compute the length of the best path
 238       for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 239         total_length += v->pred_edge->length;
 240       }
 241
 242       // If that length is negative
 243       if(total_length < 0.0) {
 244         // Invert all the edges along the best path
 245         for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 246           Edge *e = v->pred_edge;
 247           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 248           e->occupied = 1 - e->occupied;
 249           e->length = - e->length;
 250           e->work_length = - e->work_length;
 251           v->pred_vertex->del_edge(e);
 252           v->add_edge(e);
 253         }
 254       }
 255     }
 256   } while(total_length < 0.0);
 257
 258   delete[] front;
 259   delete[] new_front;
 260
 261   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 262     Vertex *v = &vertices[n];
 263     for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 264       result_edge_occupation[e->id] = e->occupied;
 265     }
 266   }
 267 }
 268
 269 void find_best_paths(int nb_vertices,
 270                      int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
 271                      int source, int sink,
 272                      int *result_edge_occupation) {
 273   Graph graph(nb_vertices, nb_edges, ea, eb, el, source, sink);
 274   graph.find_best_paths(result_edge_occupation);
 275 }
 276
 277 void dot_print(int nb_vertices,
 278                int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
 279                int source, int sink,
 280                int *edge_occupation) {
 281   cout << "digraph {" << endl;
 282   cout << "  node[shape=circle];" << endl;
 283   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 284     if(edge_occupation[e]) {
 285       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [style=bold,color=black,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 286     } else {
 287       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [color=gray,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 288     }
 289   }
 290   cout << "}" << endl;
 291 }
 292
 293 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 294
 295 int main(int argc, char **argv) {
 296
 297   if(argc < 2) {
 298     cerr << argv[0] << " <graph file>" << endl;
 299     exit(EXIT_FAILURE);
 300   }
 301
 302   ifstream *file = new ifstream(argv[1]);
 303
 304   int nb_edges, nb_vertices;
 305   int source, sink;
 306
 307   if(file->good()) {
 308
 309     (*file) >> nb_vertices >> nb_edges;
 310     (*file) >> source >> sink;
 311
 312     scalar_t *edge_lengths = new scalar_t[nb_edges];
 313     int *vertex_from = new int[nb_edges];
 314     int *vertex_to = new int[nb_edges];
 315     int *result_edge_occupation = new int[nb_edges];
 316
 317     for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 318       (*file) >> vertex_from[e] >> vertex_to[e] >> edge_lengths[e];
 319     }
 320
 321     find_best_paths(nb_vertices, nb_edges,
 322                     vertex_from, vertex_to, edge_lengths,
 323                     source, sink,
 324                     result_edge_occupation);
 325
 326     dot_print(nb_vertices, nb_edges,
 327               vertex_from, vertex_to, edge_lengths,
 328               source, sink,
 329               result_edge_occupation);
 330
 331     delete[] result_edge_occupation;
 332     delete[] edge_lengths;
 333     delete[] vertex_from;
 334     delete[] vertex_to;
 335
 336   } else {
 337
 338     cerr << "Can not open " << argv[1] << endl;
 339
 340     delete file;
 341     exit(EXIT_FAILURE);
 342
 343   }
 344
 345   delete file;
 346   exit(EXIT_SUCCESS);
 347 }