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
  88 void dot_print(int nb_vertices,
  89                int nb_edges, int *ea, int *eb, scalar_t *el,
  90                int _source, int _sink,
  91                int *edge_occupation) {
  92   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
  93   }
  94   cout << "}" << endl;
  95 }
  96 MTPGraph::MTPGraph(int nb_vertices, int nb_edges,
  97                    int *from, int *to,
  98                    int src, int snk) {
  99   _nb_vertices = nb_vertices;
 100   _nb_edges = nb_edges;
 101
 102   edges = new Edge[_nb_edges];
 103   vertices = new Vertex[_nb_vertices];
 104
 105   _source = &vertices[src];
 106   _sink = &vertices[snk];
 107
 108   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 109     vertices[v].id = v;
 110   }
 111
 112   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 113     vertices[from[e]].add_edge(&edges[e]);
 114     edges[e].occupied = 0;
 115     edges[e].id = e;
 116     edges[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 117   }
 118
 119   _front = new Vertex *[_nb_vertices];
 120   _new_front = new Vertex *[_nb_vertices];
 121 }
 122
 123 MTPGraph::~MTPGraph() {
 124   delete[] vertices;
 125   delete[] edges;
 126   delete[] _front;
 127   delete[] _new_front;
 128 }
 129
 130 void MTPGraph::initialize_work_lengths() {
 131   scalar_t length_min = 0;
 132   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 133     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 134       length_min = min(e->length, length_min);
 135     }
 136   }
 137   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 138     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 139       e->work_length = e->length - length_min;
 140     }
 141   }
 142 }
 143
 144 void MTPGraph::update_work_length() {
 145   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 146     scalar_t d = vertices[n].distance_from_source;
 147     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 148       e->work_length += d - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 149     }
 150   }
 151 }
 152
 153 void MTPGraph::find_shortest_path(Vertex **_front, Vertex **_new_front) {
 154   Vertex **tmp_front;
 155   int tmp_front_size;
 156   Vertex *v, *tv;
 157   scalar_t d;
 158
 159 #ifdef VERBOSE
 160   scalar_t residual_error = 0.0;
 161 #endif
 162   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 163     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 164       if(e->work_length < 0) {
 165 #ifdef VERBOSE
 166         residual_error -= e->work_length;
 167 #endif
 168         e->work_length = 0.0;
 169       }
 170     }
 171   }
 172 #ifdef VERBOSE
 173   cerr << "residual_error " << residual_error << endl;
 174 #endif
 175
 176   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 177     vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 178     vertices[v].pred_vertex = 0;
 179     vertices[v].pred_edge = 0;
 180     vertices[v].iteration = 0;
 181   }
 182
 183   int iteration = 0;
 184
 185   int _front_size = 0, _new_front_size;
 186   _front[_front_size++] = _source;
 187   _source->distance_from_source = 0;
 188
 189   do {
 190     _new_front_size = 0;
 191     iteration++;
 192     for(int f = 0; f < _front_size; f++) {
 193       v = _front[f];
 194       for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 195         d = v->distance_from_source + e->work_length;
 196         tv = e->terminal_vertex;
 197         if(d < tv->distance_from_source) {
 198           tv->distance_from_source = d;
 199           tv->pred_vertex = v;
 200           tv->pred_edge = e;
 201           if(tv->iteration < iteration) {
 202             _new_front[_new_front_size++] = tv;
 203             tv->iteration = iteration;
 204           }
 205         }
 206       }
 207     }
 208
 209     tmp_front = _new_front;
 210     _new_front = _front;
 211     _front = tmp_front;
 212
 213     tmp_front_size = _new_front_size;
 214     _new_front_size = _front_size;
 215     _front_size = tmp_front_size;
 216   } while(_front_size > 0);
 217 }
 218
 219 void MTPGraph::find_best_paths(scalar_t *lengths, int *result_edge_occupation) {
 220   scalar_t total_length;
 221
 222   for(int e = 0; e < _nb_edges; e++) {
 223     edges[e].length = lengths[e];
 224   }
 225
 226   initialize_work_lengths();
 227
 228   do {
 229     total_length = 0.0;
 230     find_shortest_path(_front, _new_front);
 231     update_work_length();
 232
 233     // Do we reach the _sink?
 234     if(_sink->pred_edge) {
 235
 236       // If yes, compute the length of the best path
 237       for(Vertex *v = _sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 238         total_length += v->pred_edge->length;
 239       }
 240
 241       // If that length is negative
 242       if(total_length < 0.0) {
 243         // Invert all the edges along the best path
 244         for(Vertex *v = _sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 245           Edge *e = v->pred_edge;
 246           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 247           e->occupied = 1 - e->occupied;
 248           e->length = - e->length;
 249           e->work_length = - e->work_length;
 250           v->pred_vertex->del_edge(e);
 251           v->add_edge(e);
 252         }
 253       }
 254     }
 255   } while(total_length < 0.0);
 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 }