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 *origin_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 k = 0; k < _nb_edges; k++) {
  60     Edge *e = edges + k;
  61     cout << e->origin_vertex->id
  62          << " -> "
  63          << e->terminal_vertex->id
  64          << " "
  65          << e->length;
  66     if(e->occupied) {
  67       cout << " *";
  68     }
  69     cout << endl;
  70   }
  71 }
  72
  73 void MTPGraph::print_dot() {
  74   cout << "digraph {" << endl;
  75   cout << "  node[shape=circle];" << endl;
  76   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
  77     Edge *e = edges + k;
  78     if(e->occupied) {
  79       cout << "  " << e->origin_vertex->id << " -> " << e->terminal_vertex->id
  80            << " [style=bold,color=black,label=\"" << -e->length << "\"];" << endl;
  81     } else {
  82       cout << "  " << e->origin_vertex->id << " -> " << e->terminal_vertex->id
  83            << " [color=gray,label=\"" << e->length << "\"];" << endl;
  84     }
  85   }
  86   cout << "}" << endl;
  87 }
  88
  89 MTPGraph::MTPGraph(int nb_vertices, int nb_edges,
  90                    int *from, int *to,
  91                    int src, int snk) {
  92   _nb_vertices = nb_vertices;
  93   _nb_edges = nb_edges;
  94
  95   edges = new Edge[_nb_edges];
  96   vertices = new Vertex[_nb_vertices];
  97   _front = new Vertex *[_nb_vertices];
  98   _new_front = new Vertex *[_nb_vertices];
  99
 100   _source = &vertices[src];
 101   _sink = &vertices[snk];
 102
 103   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 104     vertices[v].id = v;
 105   }
 106
 107   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 108     vertices[from[e]].add_edge(&edges[e]);
 109     edges[e].occupied = 0;
 110     edges[e].id = e;
 111     edges[e].origin_vertex = &vertices[from[e]];
 112     edges[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 113   }
 114
 115 }
 116
 117 MTPGraph::~MTPGraph() {
 118   delete[] vertices;
 119   delete[] edges;
 120   delete[] _front;
 121   delete[] _new_front;
 122 }
 123
 124 void MTPGraph::initialize_work_lengths() {
 125   scalar_t length_min = 0;
 126   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 127     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 128       length_min = min(e->length, length_min);
 129     }
 130   }
 131   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 132     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 133       e->work_length = e->length - length_min;
 134     }
 135   }
 136 }
 137
 138 void MTPGraph::update_work_lengths() {
 139   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 140     Edge *e = edges + k;
 141     e->work_length += e->terminal_vertex->distance_from_source - e->terminal_vertex->distance_from_source;
 142   }
 143 }
 144
 145 void MTPGraph::force_positive_work_lengths() {
 146 #ifdef VERBOSE
 147   scalar_t residual_error = 0.0;
 148 #endif
 149   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 150     for(Edge *e = vertices[n].root_edge; e; e = e->next) {
 151       if(e->work_length < 0) {
 152 #ifdef VERBOSE
 153         residual_error -= e->work_length;
 154 #endif
 155         e->work_length = 0.0;
 156       }
 157     }
 158   }
 159 #ifdef VERBOSE
 160   cerr << "residual_error " << residual_error << endl;
 161 #endif
 162 }
 163
 164 void MTPGraph::find_shortest_path(Vertex **_front, Vertex **_new_front) {
 165   Vertex **tmp_front;
 166   int tmp_front_size;
 167   Vertex *v, *tv;
 168   scalar_t d;
 169
 170   for(int v = 0; v < _nb_vertices; v++) {
 171     vertices[v].distance_from_source = FLT_MAX;
 172     vertices[v].pred_vertex = 0;
 173     vertices[v].pred_edge = 0;
 174     vertices[v].iteration = 0;
 175   }
 176
 177   int iteration = 0;
 178
 179   int _front_size = 0, _new_front_size;
 180   _front[_front_size++] = _source;
 181   _source->distance_from_source = 0;
 182
 183   do {
 184     _new_front_size = 0;
 185     iteration++;
 186     for(int f = 0; f < _front_size; f++) {
 187       v = _front[f];
 188       for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 189         d = v->distance_from_source + e->work_length;
 190         tv = e->terminal_vertex;
 191         if(d < tv->distance_from_source) {
 192           tv->distance_from_source = d;
 193           tv->pred_vertex = v;
 194           tv->pred_edge = e;
 195           if(tv->iteration < iteration) {
 196             _new_front[_new_front_size++] = tv;
 197             tv->iteration = iteration;
 198           }
 199         }
 200       }
 201     }
 202
 203     tmp_front = _new_front;
 204     _new_front = _front;
 205     _front = tmp_front;
 206
 207     tmp_front_size = _new_front_size;
 208     _new_front_size = _front_size;
 209     _front_size = tmp_front_size;
 210   } while(_front_size > 0);
 211 }
 212
 213 void MTPGraph::find_best_paths(scalar_t *lengths, int *result_edge_occupation) {
 214   scalar_t total_length;
 215
 216   for(int e = 0; e < _nb_edges; e++) {
 217     edges[e].length = lengths[e];
 218     edges[e].work_length = edges[e].length;
 219   }
 220
 221 #warning
 222   // find_shortest_path(_front, _new_front);
 223   // update_work_lengths();
 224
 225   initialize_work_lengths();
 226
 227   do {
 228     force_positive_work_lengths();
 229     find_shortest_path(_front, _new_front);
 230     update_work_lengths();
 231
 232     total_length = 0.0;
 233
 234     // Do we reach the _sink?
 235     if(_sink->pred_edge) {
 236
 237       // If yes, compute the length of the best path
 238       for(Vertex *v = _sink; v->pred_vertex; v = v->pred_vertex) {
 239         total_length += v->pred_edge->length;
 240       }
 241
 242       // If that length is negative
 243       if(total_length < 0.0) {
 244 #ifdef VERBOSE
 245         cout << "Found a path of length " << total_length << endl;
 246 #endif
 247         // Invert all the edges along the best path
 248         for(Vertex *v = _sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 249           Edge *e = v->pred_edge;
 250           e->occupied = 1 - e->occupied;
 251           e->length = - e->length;
 252           e->work_length = - e->work_length;
 253           e->origin_vertex->del_edge(e);
 254           e->terminal_vertex->add_edge(e);
 255           Vertex *t = e->terminal_vertex;
 256           e->terminal_vertex = e->origin_vertex;
 257           e->origin_vertex = t;
 258         }
 259       }
 260     }
 261
 262   } while(total_length < 0.0);
 263
 264   for(int k = 0; k < _nb_edges; k++) {
 265     Edge *e = edges + k;
 266     if(e->occupied) {
 267       e->length = - e->length;
 268       e->work_length = 0;
 269       e->origin_vertex->del_edge(e);
 270       e->terminal_vertex->add_edge(e);
 271       Vertex *t = e->terminal_vertex;
 272       e->terminal_vertex = e->origin_vertex;
 273       e->origin_vertex = t;
 274     }
 275   }
 276
 277   // for(Edge *e = _sink->root_edge; e; e = e->next) {
 278     // if(e->occupied) {
 279       // Edge *f = e;
 280       // cout << "PATH " << _sink->id;
 281       // while(f) {
 282         // cout << " " << f->terminal_vertex->id;
 283         // for(f = f->terminal_vertex->root_edge; f && !f->occupied; f = f->next);
 284       // }
 285       // cout << endl;
 286     // }
 287   // }
 288
 289   // int nb_occupied = 0;
 290   // for(int e = 0; e < _nb_edges; e++) {
 291     // for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 292       // Vertex *v = &vertices[n];
 293       // for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 294         // if(e->occupied) nb_occupied++;
 295       // }
 296     // }
 297   // }
 298
 299   for(int n = 0; n < _nb_vertices; n++) {
 300     Vertex *v = &vertices[n];
 301     for(Edge *e = v->root_edge; e; e = e->next) {
 302       result_edge_occupation[e->id] = e->occupied;
 303     }
 304   }
 305 }