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 void MTPGraph::print_dot() {
  71   cout << "digraph {" << endl;
  72   cout << "  node[shape=circle];" << endl;
  73   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
  74     int a = vertices[n].id;
  75     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
  76       int b = e->terminal_vertex->id;
  77       if(e->occupied) {
  78         cout << "  " << b << " -> " << a << " [style=bold,color=black,label=\"" << -e->length << "\"];" << endl;
  79       } else {
  80         cout << "  " << a << " -> " << b << " [color=gray,label=\"" << e->length << "\"];" << endl;
  81       }
  82     }
  83   }
  84   cout << "}" << endl;
  85 }
  86
  87 MTPGraph::MTPGraph(int nb_vertices, int nb_edges,
  88                    int *from, int *to,
  89                    int src, int snk) {
  90   _nb_vertices = nb_vertices;
  91   _nb_edges = nb_edges;
  92
  93   edges = new Edge[_nb_edges];
  94   vertices = new Vertex[_nb_vertices];
  95   _front = new Vertex *[_nb_vertices];
  96   _new_front = new Vertex *[_nb_vertices];
  97
  98   _source = &vertices[src];
  99   _sink = &vertices[snk];
 100
 101   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 102     vertices[v].id = v;
 103   }
 104
 105   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 106     vertices[from[e]].add_edge(&edges[e]);
 107     edges[e].occupied = 0;
 108     edges[e].id = e;
 109     edges[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 110   }
 111
 112 }
 113
 114 MTPGraph::~MTPGraph() {
 115   delete[] vertices;
 116   delete[] edges;
 117   delete[] _front;
 118   delete[] _new_front;
 119 }
 120
 121 void MTPGraph::initialize_work_lengths() {
 122   scalar_t length_min = 0;
 123   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 124     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 125       length_min = min(e->length, length_min);
 126     }
 127   }
 128   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 129     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 130       e->work_length = e->length - length_min;
 131     }
 132   }
 133 }
 134
 135 void MTPGraph::update_work_lengths() {
 136   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 137     scalar_t d = vertices[n].distance_from_source;
 138     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 139       e->work_length += d - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 140     }
 141   }
 142 }
 143
 144 void MTPGraph::force_positive_work_lengths() {
 145 #ifdef VERBOSE
 146   scalar_t residual_error = 0.0;
 147 #endif
 148   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 149     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 150       if(e->work_length < 0) {
 151 #ifdef VERBOSE
 152         residual_error -= e->work_length;
 153 #endif
 154         e->work_length = 0.0;
 155       }
 156     }
 157   }
 158 #ifdef VERBOSE
 159   cerr << "residual_error " << residual_error << endl;
 160 #endif
 161 }
 162
 163 void MTPGraph::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   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 170     vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 171     vertices[v].pred_vertex = 0;
 172     vertices[v].pred_edge = 0;
 173     vertices[v].iteration = 0;
 174   }
 175
 176   int iteration = 0;
 177
 178   int _front_size = 0, _new_front_size;
 179   _front[_front_size++] = _source;
 180   _source->distance_from_source = 0;
 181
 182   do {
 183     _new_front_size = 0;
 184     iteration++;
 185     for(int f = 0; f < _front_size; f++) {
 186       v = _front[f];
 187       for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 188         d = v->distance_from_source + e->work_length;
 189         tv = e->terminal_vertex;
 190         if(d < tv->distance_from_source) {
 191           tv->distance_from_source = d;
 192           tv->pred_vertex = v;
 193           tv->pred_edge = e;
 194           if(tv->iteration < iteration) {
 195             _new_front[_new_front_size++] = tv;
 196             tv->iteration = iteration;
 197           }
 198         }
 199       }
 200     }
 201
 202     tmp_front = _new_front;
 203     _new_front = _front;
 204     _front = tmp_front;
 205
 206     tmp_front_size = _new_front_size;
 207     _new_front_size = _front_size;
 208     _front_size = tmp_front_size;
 209   } while(_front_size > 0);
 210 }
 211
 212 void MTPGraph::find_best_paths(scalar_t *lengths, int *result_edge_occupation) {
 213   scalar_t total_length;
 214
 215   for(int e = 0; e < _nb_edges; e++) {
 216     edges[e].length = lengths[e];
 217     edges[e].work_length = edges[e].length;
 218   }
 219
 220   find_shortest_path(_front, _new_front);
 221   update_work_lengths();
 222
 223   // initialize_work_lengths();
 224
 225   do {
 226     force_positive_work_lengths();
 227     find_shortest_path(_front, _new_front);
 228     update_work_lengths();
 229
 230     total_length = 0.0;
 231
 232     // Do we reach the _sink?
 233     if(_sink->pred_edge) {
 234
 235       // If yes, compute the length of the best path
 236       for(Vertex *v = _sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 237         total_length += v->pred_edge->length;
 238       }
 239
 240       // If that length is negative
 241       if(total_length < 0.0) {
 242         // Invert all the edges along the best path
 243         for(Vertex *v = _sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 244           Edge *e = v->pred_edge;
 245           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 246           e->occupied = 1 - e->occupied;
 247           e->length = - e->length;
 248           e->work_length = - e->work_length;
 249           v->pred_vertex->del_edge(e);
 250           v->add_edge(e);
 251         }
 252       }
 253     }
 254
 255   } while(total_length < 0.0);
 256
 257   for(Edge *e = _sink->root_edge; e; e = e->next) {
 258     if(e->occupied) {
 259       Edge *f = e;
 260       cout << "PATH " << _sink->id;
 261       while(f) {
 262         cout << " " << f->terminal_vertex->id;
 263         for(f = f->terminal_vertex->root_edge; f && !f->occupied; f = f->next);
 264       }
 265       cout << endl;
 266     }
 267   }
 268
 269   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 270     Vertex *v = &vertices[n];
 271     for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 272       result_edge_occupation[e->id] = e->occupied;
 273     }
 274   }
 275 }