mtp_graph.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 #include "mtp_graph.h"
  20
  21 #include <iostream>
  22 #include <float.h>
  23
  24 using namespace std;
  25
  26 class Edge {
  27 public:
  28   int id, occupied;
  29   scalar_t length, work_length;
  30   Vertex *terminal_vertex;
  31   Edge *next, *pred;
  32 };
  33
  34 class Vertex {
  35 public:
  36   int id, iteration;
  37   Edge *root_edge;
  38   scalar_t distance_from_source;
  39   Vertex *pred_vertex;
  40   Edge *pred_edge;
  41
  42   Vertex() { root_edge = 0; }
  43
  44   inline void add_edge(Edge *e) {
  45     e->next = root_edge;
  46     e->pred = 0;
  47     if(root_edge) { root_edge->pred = e; }
  48     root_edge = e;
  49   }
  50
  51   inline void del_edge(Edge *e) {
  52     if(e == root_edge) { root_edge = e->next; }
  53     if(e->pred) { e->pred->next = e->next; }
  54     if(e->next) { e->next->pred = e->pred; }
  55   }
  56 };
  57
  58 void MTPGraph::print() {
  59   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
  60     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
  61       cout << n << " -> " << e->terminal_vertex->id << " " << e->length;
  62       if(e->occupied) {
  63         cout << " *";
  64       }
  65       cout << endl;
  66     }
  67   }
  68 }
  69
  70 MTPGraph::MTPGraph(int nb_vertices, int nb_edges,
  71                    int *from, int *to,
  72                    int src, int snk) {
  73   _nb_vertices = nb_vertices;
  74   _nb_edges = nb_edges;
  75
  76   edge_heap = new Edge[_nb_edges];
  77   vertices = new Vertex[_nb_vertices];
  78
  79   source = &vertices[src];
  80   sink = &vertices[snk];
  81
  82   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
  83     vertices[v].id = v;
  84   }
  85
  86   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
  87     vertices[from[e]].add_edge(&edge_heap[e]);
  88     edge_heap[e].occupied = 0;
  89     edge_heap[e].id = e;
  90     edge_heap[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
  91   }
  92 }
  93
  94 MTPGraph::~MTPGraph() {
  95   delete[] vertices;
  96   delete[] edge_heap;
  97 }
  98
  99 void MTPGraph::initialize_work_lengths() {
 100   scalar_t length_min = 0;
 101   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 102     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 103       length_min = min(e->length, length_min);
 104     }
 105   }
 106   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 107     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 108       e->work_length = e->length - length_min;
 109     }
 110   }
 111 }
 112
 113 void MTPGraph::update_work_length() {
 114   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 115     scalar_t d = vertices[n].distance_from_source;
 116     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 117       e->work_length += d - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 118     }
 119   }
 120 }
 121
 122 void MTPGraph::find_shortest_path(Vertex **front, Vertex **new_front) {
 123   Vertex **tmp_front;
 124   int tmp_front_size;
 125   Vertex *v, *tv;
 126   scalar_t d;
 127
 128 #ifdef VERBOSE
 129   scalar_t residual_error = 0.0;
 130 #endif
 131   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 132     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 133       if(e->work_length < 0) {
 134 #ifdef VERBOSE
 135         residual_error -= e->work_length;
 136 #endif
 137         e->work_length = 0.0;
 138       }
 139     }
 140   }
 141 #ifdef VERBOSE
 142   cerr << "residual_error " << residual_error << endl;
 143 #endif
 144
 145   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 146     vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 147     vertices[v].pred_vertex = 0;
 148     vertices[v].pred_edge = 0;
 149     vertices[v].iteration = 0;
 150   }
 151
 152   int iteration = 0;
 153
 154   int front_size = 0, new_front_size;
 155   front[front_size++] = source;
 156   source->distance_from_source = 0;
 157
 158   do {
 159     new_front_size = 0;
 160     iteration++;
 161     for(int f = 0; f < front_size; f++) {
 162       v = front[f];
 163       for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 164         d = v->distance_from_source + e->work_length;
 165         tv = e->terminal_vertex;
 166         if(d < tv->distance_from_source) {
 167           tv->distance_from_source = d;
 168           tv->pred_vertex = v;
 169           tv->pred_edge = e;
 170           if(tv->iteration < iteration) {
 171             new_front[new_front_size++] = tv;
 172             tv->iteration = iteration;
 173           }
 174         }
 175       }
 176     }
 177
 178     tmp_front = new_front;
 179     new_front = front;
 180     front = tmp_front;
 181
 182     tmp_front_size = new_front_size;
 183     new_front_size = front_size;
 184     front_size = tmp_front_size;
 185   } while(front_size > 0);
 186 }
 187
 188 void MTPGraph::find_best_paths(scalar_t *lengths, int *result_edge_occupation) {
 189   Vertex **front = new Vertex *[_nb_vertices];
 190   Vertex **new_front = new Vertex *[_nb_vertices];
 191
 192   scalar_t total_length;
 193
 194   for(int e = 0; e < _nb_edges; e++) {
 195     edge_heap[e].length = lengths[e];
 196   }
 197
 198   initialize_work_lengths();
 199
 200   do {
 201     total_length = 0.0;
 202     find_shortest_path(front, new_front);
 203     update_work_length();
 204
 205     // Do we reach the sink?
 206     if(sink->pred_edge) {
 207
 208       // If yes, compute the length of the best path
 209       for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 210         total_length += v->pred_edge->length;
 211       }
 212
 213       // If that length is negative
 214       if(total_length < 0.0) {
 215         // Invert all the edges along the best path
 216         for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 217           Edge *e = v->pred_edge;
 218           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 219           e->occupied = 1 - e->occupied;
 220           e->length = - e->length;
 221           e->work_length = - e->work_length;
 222           v->pred_vertex->del_edge(e);
 223           v->add_edge(e);
 224         }
 225       }
 226     }
 227   } while(total_length < 0.0);
 228
 229   delete[] front;
 230   delete[] new_front;
 231
 232   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 233     Vertex *v = &vertices[n];
 234     for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 235       result_edge_occupation[e->id] = e->occupied;
 236     }
 237   }
 238 }
 239
 240 void dot_print(int nb_vertices,
 241                int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
 242                int source, int sink,
 243                int *edge_occupation) {
 244   cout << "digraph {" << endl;
 245   cout << "  node[shape=circle];" << endl;
 246   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 247     if(edge_occupation[e]) {
 248       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [style=bold,color=black,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 249     } else {
 250       cout << "  " << ea[e] << " -> " << eb[e] << " [color=gray,label=\"" << el[e] << "\"];" << endl;
 251     }
 252   }
 253   cout << "}" << endl;
 254 }