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, positivized_length;
  30   Vertex *origin_vertex, *terminal_vertex;
  31
  32   // These are the links in the origin_vertex leaving edge list
  33   Edge *next_leaving_edge, *pred_leaving_edge;
  34
  35   inline void revert();
  36 };
  37
  38 class Vertex {
  39 public:
  40   int id;
  41   Edge *leaving_edges;
  42   scalar_t distance_from_source;
  43   Edge *best_pred_edge_to_source;
  44
  45   int iteration; // Used in find_shortest_path to know if we already
  46                  // added this vertex to the front
  47   Vertex();
  48   inline void add_edge(Edge *e);
  49   inline void del_edge(Edge *e);
  50 };
  51
  52 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  53
  54 void Edge::revert() {
  55   length = - length;
  56   positivized_length = 0;
  57   origin_vertex->del_edge(this);
  58   terminal_vertex->add_edge(this);
  59   Vertex *t = terminal_vertex;
  60   terminal_vertex = origin_vertex;
  61   origin_vertex = t;
  62 }
  63
  64 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  65
  66 Vertex::Vertex() {
  67   leaving_edges = 0;
  68 }
  69
  70 void Vertex::add_edge(Edge *e) {
  71   e->next_leaving_edge = leaving_edges;
  72   e->pred_leaving_edge = 0;
  73   if(leaving_edges) { leaving_edges->pred_leaving_edge = e; }
  74   leaving_edges = e;
  75 }
  76
  77 void Vertex::del_edge(Edge *e) {
  78   if(e == leaving_edges) { leaving_edges = e->next_leaving_edge; }
  79   if(e->pred_leaving_edge) { e->pred_leaving_edge->next_leaving_edge = e->next_leaving_edge; }
  80   if(e->next_leaving_edge) { e->next_leaving_edge->pred_leaving_edge = e->pred_leaving_edge; }
  81 }
  82
  83 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  84
  85 void MTPGraph::print() {
  86   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
  87     Edge *e = _edges + k;
  88     cout << e->origin_vertex->id
  89          << " -> "
  90          << e->terminal_vertex->id
  91          << " "
  92          << e->length;
  93     if(e->occupied) {
  94       cout << " *";
  95     }
  96     cout << endl;
  97   }
  98 }
  99
 100 void MTPGraph::print_dot() {
 101   cout << "digraph {" << endl;
 102   cout << "  node[shape=circle];" << endl;
 103   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 104     Edge *e = _edges + k;
 105     if(e->occupied) {
 106       cout << "  " << e->origin_vertex->id << " -> " << e->terminal_vertex->id
 107            << " [style=bold,color=black,label=\"" << -e->length << "\"];" << endl;
 108     } else {
 109       cout << "  " << e->origin_vertex->id << " -> " << e->terminal_vertex->id
 110            << " [color=gray,label=\"" << e->length << "\"];" << endl;
 111     }
 112   }
 113   cout << "}" << endl;
 114 }
 115
 116 MTPGraph::MTPGraph(int nb_vertices, int nb_edges,
 117                    int *from, int *to,
 118                    int source, int sink) {
 119   _nb_vertices = nb_vertices;
 120   _nb_edges = nb_edges;
 121
 122   _edges = new Edge[_nb_edges];
 123   _vertices = new Vertex[_nb_vertices];
 124   _front = new Vertex *[_nb_vertices];
 125   _new_front = new Vertex *[_nb_vertices];
 126
 127   _source = &_vertices[source];
 128   _sink = &_vertices[sink];
 129
 130   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 131     _vertices[v].id = v;
 132   }
 133
 134   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 135     _vertices[from[e]].add_edge(_edges + e);
 136     _edges[e].occupied = 0;
 137     _edges[e].id = e;
 138     _edges[e].origin_vertex = _vertices + from[e];
 139     _edges[e].terminal_vertex = _vertices + to[e];
 140   }
 141
 142 }
 143
 144 MTPGraph::~MTPGraph() {
 145   delete[] _vertices;
 146   delete[] _edges;
 147   delete[] _front;
 148   delete[] _new_front;
 149 }
 150
 151 void MTPGraph::initialize_positivized_lengths_with_min() {
 152   scalar_t length_min = 0;
 153   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 154     for(Edge *e = _vertices[n].leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 155       length_min = min(e->length, length_min);
 156     }
 157   }
 158   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 159     for(Edge *e = _vertices[n].leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 160       e->positivized_length = e->length - length_min;
 161     }
 162   }
 163 }
 164
 165 void MTPGraph::update_positivized_lengths() {
 166   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 167     Edge *e = _edges + k;
 168     e->positivized_length += e->terminal_vertex->distance_from_source - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 169   }
 170 }
 171
 172 void MTPGraph::force_positivized_lengths() {
 173 #ifdef VERBOSE
 174   scalar_t residual_error = 0.0;
 175 #endif
 176   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 177     for(Edge *e = _vertices[n].leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 178       if(e->positivized_length < 0) {
 179 #ifdef VERBOSE
 180         residual_error -= e->positivized_length;
 181 #endif
 182         e->positivized_length = 0.0;
 183       }
 184     }
 185   }
 186 #ifdef VERBOSE
 187   cerr << "residual_error " << residual_error << endl;
 188 #endif
 189 }
 190
 191 // This method does not change the edge occupation. It update
 192 // distance_from_source and best_pred_edge_to_source.
 193 void MTPGraph::find_shortest_path(Vertex **_front, Vertex **_new_front) {
 194   Vertex **tmp_front;
 195   int tmp_front_size;
 196   Vertex *v, *tv;
 197   Edge *e;
 198   scalar_t d;
 199
 200   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 201     _vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 202     _vertices[v].best_pred_edge_to_source = 0;
 203     _vertices[v].iteration = 0;
 204   }
 205
 206   int iteration = 0;
 207
 208   int _front_size = 0, _new_front_size;
 209   _front[_front_size++] = _source;
 210   _source->distance_from_source = 0;
 211
 212   do {
 213     _new_front_size = 0;
 214     iteration++;
 215     for(int f = 0; f < _front_size; f++) {
 216       v = _front[f];
 217       for(e = v->leaving_edges; e; e = e->next_leaving_edge) {
 218         d = v->distance_from_source + e->positivized_length;
 219         tv = e->terminal_vertex;
 220         if(d < tv->distance_from_source) {
 221           tv->distance_from_source = d;
 222           tv->best_pred_edge_to_source = e;
 223           if(tv->iteration < iteration) {
 224             _new_front[_new_front_size++] = tv;
 225             tv->iteration = iteration;
 226           }
 227         }
 228       }
 229     }
 230
 231     tmp_front = _new_front;
 232     _new_front = _front;
 233     _front = tmp_front;
 234
 235     tmp_front_size = _new_front_size;
 236     _new_front_size = _front_size;
 237     _front_size = tmp_front_size;
 238   } while(_front_size > 0);
 239 }
 240
 241 void MTPGraph::find_best_paths(scalar_t *lengths, int *result_edge_occupation) {
 242   scalar_t total_length;
 243   Vertex *v;
 244   Edge *e;
 245
 246   for(int e = 0; e < _nb_edges; e++) {
 247     _edges[e].length = lengths[e];
 248     _edges[e].positivized_length = _edges[e].length;
 249   }
 250
 251   // We use one iteration of find_shortest_path simply to propagate
 252   // the distance to make all the edge lengths positive.
 253   find_shortest_path(_front, _new_front);
 254   update_positivized_lengths();
 255
 256   // #warning
 257   // initialize_positivized_lengths_with_min();
 258
 259   do {
 260     force_positivized_lengths();
 261     find_shortest_path(_front, _new_front);
 262     update_positivized_lengths();
 263
 264     total_length = 0.0;
 265
 266     // Do we reach the _sink?
 267     if(_sink->best_pred_edge_to_source) {
 268       // If yes, compute the length of the best path
 269       v = _sink;
 270       while(v->best_pred_edge_to_source) {
 271         total_length += v->best_pred_edge_to_source->length;
 272         v = v->best_pred_edge_to_source->origin_vertex;
 273       }
 274       // If that length is negative
 275       if(total_length < 0.0) {
 276 #ifdef VERBOSE
 277         cout << "Found a path of length " << total_length << endl;
 278 #endif
 279         // Invert all the edges along the best path
 280         v = _sink;
 281         while(v->best_pred_edge_to_source) {
 282           e = v->best_pred_edge_to_source;
 283           v = e->origin_vertex;
 284           e->revert();
 285           // This is the only place where we change the occupations of
 286           // edges
 287           e->occupied = 1 - e->occupied;
 288         }
 289       }
 290     }
 291
 292   } while(total_length < 0.0);
 293
 294   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 295     Edge *e = _edges + k;
 296     if(e->occupied) { e->revert(); }
 297     result_edge_occupation[k] = e->occupied;
 298   }
 299 }