mtp_graph.cc

   1
   2 /*
   3  *  mtp is the ``Multi Tracked Paths'', an implementation of the
   4  *  k-shortest paths algorithm for multi-target tracking.
   5  *
   6  *  Copyright (c) 2012 Idiap Research Institute, http://www.idiap.ch/
   7  *  Written by Francois Fleuret <francois.fleuret@idiap.ch>
   8  *
   9  *  This file is part of mtp.
  10  *
  11  *  mtp is free software: you can redistribute it and/or modify it
  12  *  under the terms of the GNU General Public License version 3 as
  13  *  published by the Free Software Foundation.
  14  *
  15  *  mtp is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  16  *  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY
  17  *  or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public
  18  *  License for more details.
  19  *
  20  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
  21  *  along with selector.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  22  *
  23  */
  24
  25 #include "mtp_graph.h"
  26
  27 #include <float.h>
  28
  29 using namespace std;
  30
  31 class Edge {
  32 public:
  33   int occupied;
  34   scalar_t length, positivized_length;
  35   Vertex *origin_vertex, *terminal_vertex;
  36
  37   // These fields are used for the linked list of a vertex's leaving
  38   // edge list. We have to do insertions / deletions.
  39   Edge *next_leaving_edge, *pred_leaving_edge;
  40
  41   inline void invert();
  42 };
  43
  44 class Vertex {
  45 public:
  46   Edge *leaving_edges;
  47   scalar_t distance_from_source;
  48   Edge *pred_edge_toward_source;
  49   Vertex **heap_slot;
  50
  51   Vertex();
  52
  53   inline void add_leaving_edge(Edge *e);
  54   inline void del_leaving_edge(Edge *e);
  55   inline void decrease_distance_in_heap(Vertex **heap);
  56   inline void increase_distance_in_heap(Vertex **heap, Vertex **heap_bottom);
  57 };
  58
  59 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  60
  61 void Edge::invert() {
  62   length = - length;
  63   positivized_length = - positivized_length;
  64   origin_vertex->del_leaving_edge(this);
  65   terminal_vertex->add_leaving_edge(this);
  66   swap(terminal_vertex, origin_vertex);
  67 }
  68
  69 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  70
  71 Vertex::Vertex() {
  72   leaving_edges = 0;
  73 }
  74
  75 void Vertex::add_leaving_edge(Edge *e) {
  76   e->next_leaving_edge = leaving_edges;
  77   e->pred_leaving_edge = 0;
  78   if(leaving_edges) { leaving_edges->pred_leaving_edge = e; }
  79   leaving_edges = e;
  80 }
  81
  82 void Vertex::del_leaving_edge(Edge *e) {
  83   if(e == leaving_edges) {
  84     leaving_edges = e->next_leaving_edge;
  85   }
  86   if(e->pred_leaving_edge) {
  87     e->pred_leaving_edge->next_leaving_edge = e->next_leaving_edge;
  88   }
  89   if(e->next_leaving_edge) {
  90     e->next_leaving_edge->pred_leaving_edge = e->pred_leaving_edge;
  91   }
  92 }
  93
  94 void Vertex::decrease_distance_in_heap(Vertex **heap) {
  95   Vertex **p, **h;
  96   // There is some beauty in that
  97   h = heap_slot;
  98   while(h > heap &&
  99         (p = heap + (h - heap + 1) / 2 - 1,
 100          (*p)->distance_from_source > (*h)->distance_from_source)) {
 101     swap(*p, *h);
 102     swap((*p)->heap_slot, (*h)->heap_slot);
 103     h = p;
 104   }
 105 }
 106
 107 void Vertex::increase_distance_in_heap(Vertex **heap, Vertex **heap_bottom) {
 108   Vertex **c1, **c2, **h;
 109   // omg, that's beautiful
 110   h = heap_slot;
 111   while(c1 = heap + 2 * (h - heap) + 1,
 112         c1 < heap_bottom &&
 113         (c2 = c1 + 1,
 114          (*c1)->distance_from_source < (*h)->distance_from_source
 115          ||
 116          (c2 < heap_bottom && (*c2)->distance_from_source < (*h)->distance_from_source)
 117          )) {
 118     if(c2 < heap_bottom && (*c2)->distance_from_source <= (*c1)->distance_from_source) {
 119       swap(*c2, *h);
 120       swap((*c2)->heap_slot, (*h)->heap_slot);
 121       h = c2;
 122     } else {
 123       swap(*c1, *h);
 124       swap((*c1)->heap_slot, (*h)->heap_slot);
 125       h = c1;
 126     }
 127   }
 128 }
 129
 130 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 131
 132 static int compare_vertex(const void *v1, const void *v2) {
 133   scalar_t delta =
 134     (*((Vertex **) v1))->distance_from_source -
 135     (*((Vertex **) v2))->distance_from_source;
 136   if(delta < 0) return -1;
 137   else if(delta > 0) return 1;
 138   else return 0;
 139 }
 140
 141 MTPGraph::MTPGraph(int nb_vertices, int nb_edges,
 142                    int *vertex_from, int *vertex_to,
 143                    int source, int sink) {
 144   _nb_vertices = nb_vertices;
 145   _nb_edges = nb_edges;
 146
 147   _edges = new Edge[_nb_edges];
 148   _vertices = new Vertex[_nb_vertices];
 149   _heap = new Vertex *[_nb_vertices];
 150   _dp_order = new Vertex *[_nb_vertices];
 151
 152   _source = &_vertices[source];
 153   _sink = &_vertices[sink];
 154
 155   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 156     _vertices[vertex_from[e]].add_leaving_edge(_edges + e);
 157     _edges[e].occupied = 0;
 158     _edges[e].origin_vertex = _vertices + vertex_from[e];
 159     _edges[e].terminal_vertex = _vertices + vertex_to[e];
 160   }
 161
 162   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 163     _heap[v] = &_vertices[v];
 164     _vertices[v].heap_slot = &_heap[v];
 165   }
 166
 167   paths = 0;
 168   nb_paths = 0;
 169
 170   if(compute_dp_ranks()) {
 171     // Here the distance_from_source field of every vertex is the
 172     // number of DP iterations needed to update it. Hence we only have
 173     // to process the vertex in that order.
 174     for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) { _dp_order[v] = &_vertices[v]; }
 175     qsort(_dp_order, _nb_vertices, sizeof(Vertex *), compare_vertex);
 176   } else {
 177     cerr << __FILE__ << ": This graph is not a DAG." << endl;
 178     abort();
 179   }
 180 }
 181
 182 MTPGraph::~MTPGraph() {
 183   delete[] _vertices;
 184   delete[] _dp_order;
 185   delete[] _heap;
 186   delete[] _edges;
 187   for(int p = 0; p < nb_paths; p++) delete paths[p];
 188   delete[] paths;
 189 }
 190
 191 int MTPGraph::compute_dp_ranks() {
 192   Vertex *v;
 193   Edge *e;
 194
 195   // This procedure computes for each node the longest link from the
 196   // source and abort if the graph is not a DAG. It works by removing
 197   // successively nodes without predecessor: At the first iteration it
 198   // removes the source, then the nodes with incoming edge only from
 199   // the source, etc. If it can remove all the nodes that way, the
 200   // graph is a DAG. If at some point it can not remove node anymore
 201   // and there are some remaining nodes, the graph is not a DAG. The
 202   // rank of a node is the iteration at which is it removed, and we
 203   // set the distance_from_source fields to this value.
 204
 205   Vertex **unreached = new Vertex *[_nb_vertices];
 206
 207   // All the nodes are unreached at first
 208   for(int k = 0; k < _nb_vertices; k++) {
 209     _vertices[k].distance_from_source = 0;
 210     unreached[k] = &_vertices[k];
 211   }
 212
 213   scalar_t rank = 1;
 214   int nb_unreached = _nb_vertices, pred_nb_unreached;
 215
 216   do {
 217     // We set the distance_from_source field of all the vertices with incoming
 218     // edges to the current rank value
 219     for(int f = 0; f < nb_unreached; f++) {
 220       v = unreached[f];
 221       for(e = v->leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 222         e->terminal_vertex->distance_from_source = rank;
 223       }
 224     }
 225
 226     pred_nb_unreached = nb_unreached;
 227     nb_unreached = 0;
 228
 229     // We keep all the vertices with incoming nodes
 230     for(int f = 0; f < pred_nb_unreached; f++) {
 231       v = unreached[f];
 232       if(v->distance_from_source == rank) {
 233         unreached[nb_unreached++] = v;
 234       }
 235     }
 236
 237     rank++;
 238   } while(nb_unreached < pred_nb_unreached);
 239
 240   delete[] unreached;
 241
 242   return nb_unreached == 0;
 243 }
 244
 245 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 246
 247 void MTPGraph::print(ostream *os) {
 248   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 249     Edge *e = _edges + k;
 250     (*os) << e->origin_vertex - _vertices
 251          << " -> "
 252          << e->terminal_vertex - _vertices
 253          << " "
 254          << e->length;
 255     if(e->occupied) {
 256       (*os) << " *";
 257     }
 258     (*os) << endl;
 259   }
 260 }
 261
 262 void MTPGraph::print_dot(ostream *os) {
 263   (*os) << "digraph {" << endl;
 264   (*os) << "        rankdir=\"LR\";" << endl;
 265   (*os) << "        node [shape=circle,width=0.75,fixedsize=true];" << endl;
 266   (*os) << "        edge [color=gray,arrowhead=open]" << endl;
 267   (*os) << "        " << _source - _vertices << " [peripheries=2];" << endl;
 268   (*os) << "        " << _sink - _vertices << " [peripheries=2];" << endl;
 269   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 270     Edge *e = _edges + k;
 271     (*os) << "        "
 272           << e->origin_vertex - _vertices
 273           << " -> "
 274           << e->terminal_vertex - _vertices
 275           << " [";
 276     if(e->occupied) {
 277       (*os) << "style=bold,color=black,";
 278     }
 279     (*os) << "label=\"" << e->length << "\"];" << endl;
 280   }
 281   (*os) << "}" << endl;
 282 }
 283
 284 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 285
 286 void MTPGraph::update_positivized_lengths() {
 287   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 288     Edge *e = _edges + k;
 289     e->positivized_length +=
 290       e->origin_vertex->distance_from_source - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 291   }
 292 }
 293
 294 void MTPGraph::force_positivized_lengths() {
 295 #ifdef VERBOSE
 296   scalar_t residual_error = 0.0;
 297   scalar_t max_error = 0.0;
 298 #endif
 299   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 300     Edge *e = _edges + k;
 301
 302     if(e->positivized_length < 0) {
 303
 304 #ifdef VERBOSE
 305       residual_error -= e->positivized_length;
 306       max_error = max(max_error, - e->positivized_length);
 307 #endif
 308       e->positivized_length = 0.0;
 309     }
 310   }
 311 #ifdef VERBOSE
 312   cerr << __FILE__ << ": residual_error " << residual_error << " max_error " << residual_error << endl;
 313 #endif
 314 }
 315
 316 void MTPGraph::dp_compute_distances() {
 317   Vertex *v, *tv;
 318   Edge *e;
 319   scalar_t d;
 320
 321   for(int k = 0; k < _nb_vertices; k++) {
 322     _vertices[k].distance_from_source = FLT_MAX;
 323     _vertices[k].pred_edge_toward_source = 0;
 324   }
 325
 326   _source->distance_from_source = 0;
 327
 328   for(int k = 0; k < _nb_vertices; k++) {
 329     v = _dp_order[k];
 330     for(e = v->leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 331       d = v->distance_from_source + e->positivized_length;
 332       tv = e->terminal_vertex;
 333       if(d < tv->distance_from_source) {
 334         tv->distance_from_source = d;
 335         tv->pred_edge_toward_source = e;
 336         tv->decrease_distance_in_heap(_heap);
 337       }
 338     }
 339   }
 340 }
 341
 342 // This method does not change the edge occupation. It only sets
 343 // properly, for every vertex, the fields distance_from_source and
 344 // pred_edge_toward_source.
 345
 346 void MTPGraph::find_shortest_path() {
 347   Vertex *v, *tv, **a, **b;
 348   Edge *e;
 349   scalar_t d;
 350
 351   for(int k = 0; k < _nb_vertices; k++) {
 352     _vertices[k].distance_from_source = FLT_MAX;
 353     _vertices[k].pred_edge_toward_source = 0;
 354   }
 355
 356   _heap_size = _nb_vertices;
 357   _source->distance_from_source = 0;
 358   _source->decrease_distance_in_heap(_heap);
 359
 360   do {
 361     // Get the closest to the source
 362     v = _heap[0];
 363
 364     // Remove it from the heap (swap it with the last in the heap, and
 365     // update the distance of that one)
 366     _heap_size--;
 367     a = _heap;
 368     b = _heap + _heap_size;
 369     swap(*a, *b); swap((*a)->heap_slot, (*b)->heap_slot);
 370     _heap[0]->increase_distance_in_heap(_heap, _heap + _heap_size);
 371
 372     // Now update the neighbors of the currently closest to the source
 373     for(e = v->leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 374       d = v->distance_from_source + e->positivized_length;
 375       tv = e->terminal_vertex;
 376       if(d < tv->distance_from_source) {
 377         ASSERT(tv->heap_slot - _heap < _heap_size);
 378         tv->distance_from_source = d;
 379         tv->pred_edge_toward_source = e;
 380         tv->decrease_distance_in_heap(_heap);
 381       }
 382     }
 383   } while(_heap_size > 0);
 384 }
 385
 386 void MTPGraph::find_best_paths(scalar_t *lengths) {
 387   scalar_t shortest_path_length;
 388   Vertex *v;
 389   Edge *e;
 390
 391   for(int e = 0; e < _nb_edges; e++) {
 392     _edges[e].length = lengths[e];
 393     _edges[e].occupied = 0;
 394     _edges[e].positivized_length = _edges[e].length;
 395   }
 396
 397   // Compute the distance of every node from the source by just
 398   // visiting them in the proper DAG ordering we computed when
 399   // building the graph
 400   dp_compute_distances();
 401
 402   do {
 403     // Use the current distance from the source to make all edge
 404     // lengths positive
 405     update_positivized_lengths();
 406     // Fix numerical errors
 407     force_positivized_lengths();
 408
 409     find_shortest_path();
 410
 411     shortest_path_length = 0.0;
 412
 413     // Do we reach the sink?
 414     if(_sink->pred_edge_toward_source) {
 415       // If yes, compute the length of the best path according to the
 416       // original edge lengths
 417       v = _sink;
 418       while(v->pred_edge_toward_source) {
 419         shortest_path_length += v->pred_edge_toward_source->length;
 420         v = v->pred_edge_toward_source->origin_vertex;
 421       }
 422       // If that length is negative
 423       if(shortest_path_length < 0.0) {
 424 #ifdef VERBOSE
 425         cerr << __FILE__ << ": Found a path of length " << shortest_path_length << endl;
 426 #endif
 427         // Invert all the edges along the best path
 428         v = _sink;
 429         while(v->pred_edge_toward_source) {
 430           e = v->pred_edge_toward_source;
 431           v = e->origin_vertex;
 432           e->invert();
 433           // This is the only place where we change the occupations of
 434           // edges
 435           e->occupied = 1 - e->occupied;
 436         }
 437       }
 438     }
 439
 440   } while(shortest_path_length < 0.0);
 441
 442   // Put back the graph in its original state (i.e. invert edges which
 443   // have been inverted in the process)
 444   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 445     e = _edges + k;
 446     if(e->occupied) { e->invert(); }
 447   }
 448 }
 449
 450 int MTPGraph::retrieve_one_path(Edge *e, Path *path) {
 451   Edge *f, *next = 0;
 452   int l = 0, nb_occupied_next;
 453
 454   if(path) {
 455     path->nodes[l++] = e->origin_vertex - _vertices;
 456     path->length = e->length;
 457   } else l++;
 458
 459   while(e->terminal_vertex != _sink) {
 460     if(path) {
 461       path->nodes[l++] = e->terminal_vertex - _vertices;
 462       path->length += e->length;
 463     } else l++;
 464
 465     nb_occupied_next = 0;
 466     for(f = e->terminal_vertex->leaving_edges; f; f = f->next_leaving_edge) {
 467       if(f->occupied) { nb_occupied_next++; next = f; }
 468     }
 469
 470 #ifdef DEBUG
 471     if(nb_occupied_next == 0) {
 472       cerr << __FILE__ << ": retrieve_one_path: Non-sink end point." << endl;
 473       abort();
 474     }
 475
 476     else if(nb_occupied_next > 1) {
 477       cerr << __FILE__ << ": retrieve_one_path: Non node-disjoint paths." << endl;
 478       abort();
 479     }
 480 #endif
 481
 482     e = next;
 483   }
 484
 485   if(path) {
 486     path->nodes[l++] = e->terminal_vertex - _vertices;
 487     path->length += e->length;
 488   } else l++;
 489
 490   return l;
 491 }
 492
 493 void MTPGraph::retrieve_disjoint_paths() {
 494   Edge *e;
 495   int p, l;
 496
 497   for(int p = 0; p < nb_paths; p++) delete paths[p];
 498   delete[] paths;
 499
 500   nb_paths = 0;
 501   for(e = _source->leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 502     if(e->occupied) { nb_paths++; }
 503   }
 504
 505   paths = new Path *[nb_paths];
 506
 507   p = 0;
 508   for(e = _source->leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 509     if(e->occupied) {
 510       l = retrieve_one_path(e, 0);
 511       paths[p] = new Path(l);
 512       retrieve_one_path(e, paths[p]);
 513       p++;
 514     }
 515   }
 516 }