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 id, 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
  57   Edge *root_edge;
  58   scalar_t distance_from_source;
  59
  60   Vertex *pred_vertex;
  61   Edge *pred_edge;
  62
  63   Vertex() { root_edge = 0; }
  64
  65   inline void add_edge(Edge *e) {
  66     e->next = root_edge;
  67     e->pred = 0;
  68     if(root_edge) { root_edge->pred = e; }
  69     root_edge = e;
  70   }
  71
  72   inline void del_edge(Edge *e) {
  73     if(e == root_edge) { root_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   void initialize_work_lengths();
  81   void update_work_length();
  82   void find_shortest_path(Vertex **front, Vertex **new_front);
  83
  84   int nb_vertices;
  85   Edge *edge_heap;
  86   Vertex *vertices;
  87   Vertex *source, *sink;
  88
  89 public:
  90   Graph(int nb_vertices, int nb_edges, int *from, int *to, scalar_t *lengths,
  91         int source, int sink);
  92
  93   ~Graph();
  94
  95   void find_best_paths(int *result_edge_occupation);
  96   void print();
  97 };
  98
  99 void Graph::print() {
 100   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 101     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 102       cout << n << " -> " << e->terminal_vertex->id << " " << e->length;
 103       if(e->occupied) {
 104         cout << " *";
 105       }
 106       cout << endl;
 107     }
 108   }
 109 }
 110
 111 Graph::Graph(int nb_vrt, int nb_edges,
 112              int *from, int *to, scalar_t *lengths,
 113              int src, int snk) {
 114   nb_vertices = nb_vrt;
 115
 116   edge_heap = new Edge[nb_edges];
 117   vertices = new Vertex[nb_vertices];
 118
 119   source = &vertices[src];
 120   sink = &vertices[snk];
 121
 122   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 123     vertices[v].id = v;
 124   }
 125
 126   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 127     vertices[from[e]].add_edge(&edge_heap[e]);
 128     edge_heap[e].occupied = 0;
 129     edge_heap[e].id = e;
 130     edge_heap[e].length = lengths[e];
 131     edge_heap[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 132   }
 133 }
 134
 135 Graph::~Graph() {
 136   delete[] vertices;
 137   delete[] edge_heap;
 138 }
 139
 140 void Graph::initialize_work_lengths() {
 141   scalar_t length_min = 0;
 142   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 143     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 144       length_min = min(e->length, length_min);
 145     }
 146   }
 147   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 148     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 149       e->work_length = e->length - length_min;
 150     }
 151   }
 152 }
 153
 154 void Graph::update_work_length() {
 155   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 156     scalar_t d = vertices[n].distance_from_source;
 157     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 158       e->work_length += d - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 159     }
 160   }
 161 }
 162
 163 void Graph::find_shortest_path(Vertex **front, Vertex **new_front) {
 164   Vertex **tmp_front;
 165   int tmp_front_size;
 166   Vertex *v, *tv;
 167   scalar_t d;
 168
 169 #ifdef DEBUG
 170   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 171     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 172       if(e->work_length < 0) {
 173         cerr << "DEBUG error in find_shortest_path: Edge fixed lengths have to be positive."
 174              << endl;
 175         abort();
 176       }
 177     }
 178   }
 179 #endif
 180
 181   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 182     vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 183     vertices[v].pred_vertex = 0;
 184     vertices[v].pred_edge = 0;
 185   }
 186
 187   int front_size = 0, new_front_size;
 188   front[front_size++] = source;
 189   source->distance_from_source = 0;
 190
 191   do {
 192     new_front_size = 0;
 193     for(int f = 0; f < front_size; f++) {
 194       v = front[f];
 195       for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 196         d = v->distance_from_source + e->work_length;
 197         tv = e->terminal_vertex;
 198         if(d < tv->distance_from_source) {
 199           tv->distance_from_source = d;
 200           tv->pred_vertex = v;
 201           tv->pred_edge = e;
 202           new_front[new_front_size++] = tv;
 203         }
 204       }
 205     }
 206
 207     tmp_front = new_front;
 208     new_front = front;
 209     front = tmp_front;
 210
 211     tmp_front_size = new_front_size;
 212     new_front_size = front_size;
 213     front_size = tmp_front_size;
 214   } while(front_size > 0);
 215 }
 216
 217 void Graph::find_best_paths(int *result_edge_occupation) {
 218   Vertex **front = new Vertex *[nb_vertices];
 219   Vertex **new_front = new Vertex *[nb_vertices];
 220
 221   scalar_t total_length;
 222
 223   initialize_work_lengths();
 224
 225   do {
 226     total_length = 0.0;
 227     find_shortest_path(front, new_front);
 228     update_work_length();
 229
 230     // Do we reach the sink?
 231     if(sink->pred_edge) {
 232
 233       // If yes, compute the length of the best path
 234       for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 235         total_length += v->pred_edge->length;
 236       }
 237
 238       // If that length is negative
 239       if(total_length < 0.0) {
 240         // Invert all the edges along the best path
 241         for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 242           Edge *e = v->pred_edge;
 243           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 244           e->occupied = 1 - e->occupied;
 245           e->length = - e->length;
 246           e->work_length = - e->work_length;
 247           v->pred_vertex->del_edge(e);
 248           v->add_edge(e);
 249         }
 250       }
 251     }
 252   } while(total_length < 0.0);
 253
 254   delete[] front;
 255   delete[] new_front;
 256
 257   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 258     Vertex *v = &vertices[n];
 259     for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 260       result_edge_occupation[e->id] = e->occupied;
 261     }
 262   }
 263 }
 264
 265 void find_best_paths(int nb_vertices,
 266                      int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
 267                      int source, int sink,
 268                      int *result_edge_occupation) {
 269   Graph graph(nb_vertices, nb_edges, ea, eb, el, source, sink);
 270   graph.find_best_paths(result_edge_occupation);
 271 }
 272
 273 void dot_print(int nb_vertices,
 274                int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
 275                int source, int sink,
 276                int *edge_occupation) {
 277   cout << "digraph {" << endl;
 278   cout << "  node[shape=circle];" << endl;
 279   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 280     if(edge_occupation[e]) {
 281       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [style=bold,color=black,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 282     } else {
 283       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [color=gray,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 284     }
 285   }
 286   cout << "}" << endl;
 287 }
 288
 289 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 290
 291 int main(int argc, char **argv) {
 292
 293   if(argc < 2) {
 294     cerr << argv[0] << " <graph file>" << endl;
 295     exit(EXIT_FAILURE);
 296   }
 297
 298   ifstream *file = new ifstream(argv[1]);
 299
 300   int nb_edges, nb_vertices;
 301   int source, sink;
 302
 303   if(file->good()) {
 304
 305     (*file) >> nb_vertices >> nb_edges;
 306     (*file) >> source >> sink;
 307
 308     scalar_t *edge_lengths = new scalar_t[nb_edges];
 309     int *vertex_from = new int[nb_edges];
 310     int *vertex_to = new int[nb_edges];
 311     int *result_edge_occupation = new int[nb_edges];
 312
 313     for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 314       (*file) >> vertex_from[e] >> vertex_to[e] >> edge_lengths[e];
 315     }
 316
 317     find_best_paths(nb_vertices, nb_edges,
 318                     vertex_from, vertex_to, edge_lengths,
 319                     source, sink,
 320                     result_edge_occupation);
 321
 322     dot_print(nb_vertices, nb_edges,
 323               vertex_from, vertex_to, edge_lengths,
 324               source, sink,
 325               result_edge_occupation);
 326
 327     delete[] result_edge_occupation;
 328     delete[] edge_lengths;
 329     delete[] vertex_from;
 330     delete[] vertex_to;
 331
 332   } else {
 333
 334     cerr << "Can not open " << argv[1] << endl;
 335
 336     delete file;
 337     exit(EXIT_FAILURE);
 338
 339   }
 340
 341   delete file;
 342   exit(EXIT_SUCCESS);
 343 }