]> git.donarmstrong.com Git - lilypond.git/blobdiff - lily/constrained-breaking.cc
Merge branch 'master' of git+ssh://jneem@git.sv.gnu.org/srv/git/lilypond
[lilypond.git] / lily / constrained-breaking.cc
index 1f3171803bc025efd34f41a4eef067423f4e069b..a4f3ac4b57a286d514518cb62bbe448f723fc80e 100644 (file)
@@ -4,39 +4,9 @@
 
   source file of the GNU LilyPond music typesetter
 
-  (c) 2006 Han-Wen Nienhuys <hanwen@xs4all.nl>
+  (c) 2006--2007 Joe Neeman <joeneeman@gmail.com>
 */
 
-/*
-  TODO:
-
-  * vsize vs. int: casts should not be necessary. Use VPOS iso -1 as
-  magic signaling value?
-
-  * The specification uses A j, k, n and m as variables.
-  
-  Functions use start,end,sys_count,calc_subproblem as variables. Use the same naming
-  for the specification as for the code.
-  
-
-  FURTHER REMARKS:
-
-  *
-  
-   int a;
-   int b;
-
-  iso.
-
-   int a, b;
-
-
-   * no spurious * in <slash><star> <star><slash> comments.
-
-
- */
-
-
 #include "constrained-breaking.hh"
 
 #include "international.hh"
 #include "system.hh"
 #include "warn.hh"
 
-void
-print_constrained_break_nodes (vector<Constrained_break_node> const &arr)
-{
-  for (vsize i = 0; i < arr.size (); i++)
-    {
-      printf ("node %d: ", (int)i);
-      arr[i].print ();
-    }
-}
-
-/**
-   We use the following optimal substructure. Let W(A) be our weight function.
-
-   Let A_{k,n} = (a_{k,n,1}, ... a_{k,n,k}) be the optimal set of line breaks
-   for k systems and n potential breakpoints. a_{k,n,k} = n (it is the end of
-   the piece)
-
-   Then A_{k+1, m} is contructed from
-   min_ {k < j < m} ( W(A_{k,j} :: m) )
-   where by A::m we denote appending m to the list A
-
+/*
+  We use the following optimal substructure. Let W(A) be our weight function.
+
+  Let A_{k,n} = (a_{k,n,1}, ... a_{k,n,k}) be the optimal set of line breaks
+  for k systems and n potential breakpoints. a_{k,n,k} = n (it is the end of
+  the piece)
+
+  Then A_{k+1, m} is contructed from
+  min_ {k < j < m} ( W(A_{k,j} :: m) )
+  where by A::m we denote appending m to the list A
+
+  Indices in the code:
+
+  The above algorithm makes it easy to end at a point before the end of the
+  score (just find A_{k,m} for some m < breaks_.size () - 1). However, we must
+  add information for starting at a point after the beginning. One constructor
+  allows the specification of a list of starting columns, start_. We then have
+  start_.size () different solution arrays. state_[i] is the array for the
+  solution starting at column number start_[i].
+
+  The indices "start" and "end" refer to the index in the start_ array of the
+  desired starting and ending columns.
+
+  each solution array looks like
+   a_{1,1,1} a_{2,1,2} a_{3,1,3} . . .
+       X     a_{2,2,2} a_{3,2,3} . . .
+       X         X     a_{3,3,3} . . .
+       .         .         .     .
+       .         .         .       .
+  where the X's mark invalid solutions (can't have more systems than
+  breakpoints). Note that each value is of the form a_{x,n,x}. This is because
+  a breakpoint of the form a_{x,n,x-1} will also be called a_{x-1,m,x-1} for
+  some m < n. Each cell in the array stores the value of its m (ie. the
+  ending breakpoint of the previous line) as "prev_".
+
+  For finding A_{sys, brk}, let "me" be the (sys_count,brk) cell in our
+  solution array (state_[start][sys * rank + brk]).
+
+  Then A_{sys, brk} = A_{sys - 1, me.prev_} :: me
 */
 
-/* start and sys here are indexed from 0.
-
-max_break is indexed from starting_breakpoints_[start] (for
- max_break, starting_breakpoints_[start] is the beginning of the
- piece; the smallest value we should ever see here is
- starting_breakpoints_[start] + 1) */
+/*
+  start and sys here are indexed from 0.
+  brk is indexed from starting_breakpoints_[start]
+  (for brk, starting_breakpoints_[start] is the beginning
 of the piece; the smallest value we should ever see here is
 starting_breakpoints_[start] + 1) */
 bool
-Constrained_breaking::calc_subproblem (int start, int sys, int max_break)
+Constrained_breaking::calc_subproblem (vsize start, vsize sys, vsize brk)
 {
   assert (sys < systems_);
-  assert (start < (int)start_.size ());
-  assert (max_break < (int)breaks_.size ());
+  assert (start < start_.size ());
+  assert (brk < breaks_.size ());
 
   bool found_something = false;
-  int start_col = starting_breakpoints_[start];
-  vector<Constrained_break_node> &st = state_[start];
-  int rank = breaks_.size () - start_col;
-  int max_index = max_break - start_col;
-  for (int j = sys; j < max_index; j++)
+  vsize start_col = starting_breakpoints_[start];
+  Matrix<Constrained_break_node> &st = state_[start];
+  vsize max_index = brk - start_col;
+  for (vsize j=max_index; j-- > sys;)
     {
       if (0 == sys && j > 0)
-        break; /* the first line cannot have its first break after the beginning */
+        continue; /* the first line cannot have its first break after the beginning */
 
-      Column_x_positions const &cur = cols_[(j + start_col)*cols_rank_ + max_break];
-      Column_x_positions prev;
+      Line_details const &cur = lines_.at (brk, j + start_col);
+      if (isinf (cur.force_))
+       break;
+
+      Real prev_f = 0;
       Real prev_dem = 0;
 
       if (sys > 0)
         {
-          prev = st[(sys-1) * rank + j].line_config_;
-          prev_dem = st[(sys-1) * rank + j].demerits_;
+          prev_f = st.at (j, sys-1).details_.force_;
+          prev_dem = st.at (j, sys-1).demerits_;
         }
       if (isinf (prev_dem))
-        break;
-
-      Real dem, force, pen;
-      combine_demerits(prev, cur, &force, &pen, &dem);
-      dem += prev_dem;
-      if (isinf (dem))
         continue;
 
-      int k = sys*rank + max_index;
-      if (isinf (st[k].demerits_)
-          || dem < st[k].demerits_)
+      Real dem = combine_demerits (cur.force_, prev_f) + prev_dem + cur.break_penalty_;
+      Constrained_break_node &n = st.at (max_index, sys);
+      if (dem < n.demerits_)
         {
           found_something = true;
-
-         /*
-           TODO:  maybe just copy a Constrained_break_node ? 
-          */
-          st[k].demerits_ = dem;
-          st[k].force_ = force;
-          st[k].penalty_ = pen;
-          st[k].prev_ = j;
-          st[k].line_config_ = cur;
+          n.demerits_ = dem;
+          n.details_ = cur;
+          n.prev_ = j;
         }
     }
   return found_something;
@@ -135,252 +113,283 @@ vector<Column_x_positions>
 Constrained_breaking::solve ()
 {
   if (!systems_)
-    {
-      programming_error (_f ("no system number set in constrained-breaking"));
-      systems_ = start_.size () / 2;
-    }
+    return get_best_solution (0, VPOS);
+
+  resize (systems_);
+  return get_solution(0, VPOS, systems_);
+}
+
+Column_x_positions
+Constrained_breaking::space_line (vsize i, vsize j)
+{
+  bool ragged_right = to_boolean (pscore_->layout ()->c_variable ("ragged-right"));
+  bool ragged_last = to_boolean (pscore_->layout ()->c_variable ("ragged-last"));
+  Column_x_positions col;
+
+  vector<Grob*> line (all_.begin () + breaks_[i],
+                     all_.begin() + breaks_[j] + 1);
+  Interval line_dims = line_dimensions_int (pscore_->layout (), i);
+  bool last = j == breaks_.size () - 1;
+  bool ragged = ragged_right || (last && ragged_last);
 
-  resize ();
-  return get_solution (0, systems_, -1);
+  return get_line_configuration (line, line_dims[RIGHT] - line_dims[LEFT], line_dims[LEFT], ragged);
 }
 
 void
-Constrained_breaking::resize ()
+Constrained_breaking::resize (vsize systems)
 {
-  if (!breaks_.size ())
+  systems_ = systems;
+
+  if (pscore_ && systems_ > valid_systems_)
     {
-      bool ragged_right = to_boolean (pscore_->layout ()->c_variable ("ragged-right"));
-      bool ragged_last = to_boolean (pscore_->layout ()->c_variable ("ragged-last"));
-
-      /* do all the rod/spring problems */
-      breaks_ = pscore_->find_break_indices ();
-      cols_rank_ = breaks_.size ();
-      all_ = pscore_->root_system ()->columns ();
-      cols_.resize (breaks_.size () * breaks_.size ());
-      for (vsize i = 0; i < breaks_.size () - 1; i++)
-       for (vsize j = i + 1; j < breaks_.size (); j++)
-         {
-           vector<Grob*> line (all_.begin () + breaks_[i],
-                               all_.begin() + breaks_[j] + 1);
-
-           line[0] = dynamic_cast<Item *> (line[0])->find_prebroken_piece (RIGHT);
-           line.back () = dynamic_cast<Item *> (line.back ())->find_prebroken_piece (LEFT);
-
-           cols_[i*cols_rank_ + j].cols_ = line;
-
-           /* we have no idea what line this will be -- only whether it is the first */
-           Interval line_dims = line_dimensions_int (pscore_->layout (), i);
-           Simple_spacer_wrapper *sp = generate_spacing_problem (line, line_dims);
-
-           bool last = j == breaks_.size () - 1;
-           bool ragged = ragged_right || (last && ragged_last);
-           sp->solve (&cols_[i*cols_rank_ + j], ragged);
-
-           if (!cols_[i*cols_rank_ + j].satisfies_constraints_)
-             break;
-           delete sp;
-         }
-
-      /* work out all the starting indices */
-      for (vsize i = 0; i < start_.size (); i++)
-        {
-          vsize j;
-          for (j = 0; j < breaks_.size () - 1 && breaks_[j] < start_[i]; j++)
-            ;
-          starting_breakpoints_.push_back (j);
-          start_[i] = breaks_[j];
-        }
-      state_.resize (start_.size ());
+      for (vsize i = 0; i < state_.size (); i++)
+        state_[i].resize (breaks_.size () - starting_breakpoints_[i], systems_, Constrained_break_node ());
+
+      /* fill out the matrices */
+      for (vsize i = 0; i < state_.size (); i++)
+        for (vsize j = valid_systems_; j < systems_; j++)
+          for (vsize k = starting_breakpoints_[i] + j + 1; k < breaks_.size (); k++)
+            if (!calc_subproblem (i, j, k))
+              break; /* if we couldn't break this, it is too cramped already */
+      valid_systems_ = systems_;
     }
-
-  for (vsize i = 0; i < state_.size (); i++)
-    state_[i].resize((breaks_.size () - starting_breakpoints_[i]) * systems_);
-
-  /* fill out the matrices */
-  for (vsize i = 0; i < state_.size (); i++)
-    for (int j = valid_systems_; j < systems_; j++)
-      for (vsize k = starting_breakpoints_[i] + j + 1; k < breaks_.size (); k++)
-        if (!calc_subproblem (i, j, k))
-          break; /* if we couldn't break this, it is too cramped already */
-  
-  valid_systems_ = systems_;
 }
 
 vector<Column_x_positions>
-Constrained_breaking::get_solution (int start, int end, int sys_count)
+Constrained_breaking::get_solution (vsize start, vsize end, vsize sys_count)
 {
-  int rank;
-  int brk;
-  prepare_solution (start, end, sys_count, &rank, &brk);
+  vsize start_brk = starting_breakpoints_[start];
+  vsize end_brk = prepare_solution (start, end, sys_count);
 
-  vector<Constrained_break_node> const &st = state_[start];
+  Matrix<Constrained_break_node> const &st = state_[start];
   vector<Column_x_positions> ret;
 
-  for (int sys = sys_count-1; sys >= 0; sys--)
+  /* find the first solution that satisfies constraints */
+  for (vsize sys = sys_count-1; sys != VPOS; sys--)
     {
-      assert (brk > 0);
-      ret.push_back (st[sys*rank + brk].line_config_);
-      brk = st[sys*rank + brk].prev_;
+      for (vsize brk = end_brk; brk != VPOS; brk--)
+        {
+          if (!isinf (st.at (brk, sys).details_.force_))
+            {
+              if (brk != end_brk)
+                {
+                  warning (_ ("cannot find line breaking that satisfies constraints" ));
+                  ret.push_back (space_line (brk, end_brk));
+                }
+              /* build up the good solution */
+              for (vsize cur_sys = sys; cur_sys != VPOS; cur_sys--)
+                {
+                 vsize prev_brk = st.at (brk, cur_sys).prev_;
+                  assert (brk != VPOS);
+                  ret.push_back (space_line (prev_brk + start_brk, brk + start_brk));
+                  brk = prev_brk;
+                }
+              reverse (ret);
+              return ret;
+            }
+        }
     }
-  assert (brk == 0);
-
-  reverse (ret);
+  /* if we get to here, just put everything on one line */
+  warning (_ ("cannot find line breaking that satisfies constraints" ));
+  ret.push_back (space_line (0, end_brk));
   return ret;
 }
 
-Real
-Constrained_breaking::get_demerits (int start, int end, int sys_count)
-{
-  int rank;
-  int brk;
-  prepare_solution (start, end, sys_count, &rank, &brk);
-
-  return state_[start][(sys_count-1)*rank + brk].demerits_;
-}
-
-Real
-Constrained_breaking::get_force (int start, int end, int sys_count)
+vector<Column_x_positions>
+Constrained_breaking::get_best_solution (vsize start, vsize end)
 {
-  int rank;
-  int brk;
-  prepare_solution (start, end, sys_count, &rank, &brk);
-  vector<Constrained_break_node> const &st = state_[start];
-  Real f = 0;
+  vsize min_systems =  get_min_systems (start, end);
+  vsize max_systems = get_max_systems (start, end);
+  Real best_demerits = infinity_f;
+  vector<Column_x_positions> best_so_far;
 
-  for (int sys = sys_count-1; sys >= 0 && brk >= 0; sys--)
+  for (vsize i = min_systems; i <= max_systems; i++)
     {
-      f += fabs (st[sys*rank + brk].force_);
-      brk = st[sys*rank + brk].prev_;
+      vsize brk = prepare_solution (start, end, i);
+      Real dem = state_[start].at (brk, i-1).demerits_;
+
+      if (dem < best_demerits)
+       {
+         best_demerits = dem;
+         best_so_far = get_solution (start, end, i);
+       }
+      else
+       {
+         vector<Column_x_positions> cur = get_solution (start, end, i);
+         bool too_many_lines = true;
+         
+         for (vsize j = 0; j < cur.size (); j++)
+           if (cur[j].force_ < 0)
+             {
+               too_many_lines = false;
+               break;
+             }
+         if (too_many_lines)
+           return best_so_far;
+       }
     }
-  if (brk < 0)
-    f = infinity_f;
-
-  return f;
+  if (best_so_far.size ())
+    return best_so_far;
+  return get_solution (start, end, max_systems);
 }
 
-Real
-Constrained_breaking::get_penalty (int start, int end, int sys_count)
+std::vector<Line_details>
+Constrained_breaking::get_details (vsize start, vsize end, vsize sys_count)
 {
-  int rank;
-  int brk;
-  prepare_solution (start, end, sys_count, &rank, &brk);
+  vsize brk = prepare_solution (start, end, sys_count);
+  Matrix<Constrained_break_node> const &st = state_[start];
+  vector<Line_details> ret;
 
-  return state_[start][(sys_count-1)*rank + brk].penalty_;
-}
-
-Real
-Constrained_breaking::get_page_penalty (int start, int end, int sys_count, int sys_num)
-{
-  int rank;
-  int brk;
-  prepare_solution (start, end, sys_count, &rank, &brk);
-
-  int sys;
-  for (sys = sys_count-1; sys > sys_num; sys--)
-    brk = state_[start][sys*rank + brk].prev_;
-
-  if (brk < 0) /* we didn't satisfy constraints */
-    return 0;
-  vector<Grob*> &cols = state_[start][sys*rank + brk].line_config_.cols_;
-  if (cols.empty ())
-    return 0;
-
-  Grob *pc = cols.back ();
-  if (pc->original ())
+  for (int sys = sys_count-1; sys >= 0 && brk != VPOS; sys--)
     {
-      SCM pen = pc->get_property ("page-penalty");
-      if (scm_is_number (pen) && fabs (scm_to_double (pen)) < 10000)
-       return scm_to_double (pen);
+      ret.push_back (st.at (brk, sys).details_);
+      brk = st.at (brk, sys).prev_;
     }
-  return 0;
+  reverse (ret);
+  return ret;
 }
 
 int
-Constrained_breaking::get_min_systems (int start, int end)
+Constrained_breaking::get_min_systems (vsize start, vsize end)
 {
-  int rank;
-  int brk;
-  prepare_solution (start, end, 1, &rank, &brk);
-  int sys_count;
-  vector<Constrained_break_node> const &st = state_[start];
+  vsize sys_count;
+  vsize brk = prepare_solution (start, end, 1);
+  vsize rank = breaks_.size () - starting_breakpoints_[start];
+  Matrix<Constrained_break_node> const &st = state_[start];
 
   /* sys_count < rank : rank is the # of breakpoints, we can't have more systems */
   for (sys_count = 0; sys_count < rank; sys_count++)
     {
       if (sys_count >= valid_systems_)
         {
-          systems_ = sys_count + 3;
-          resize ();
+          resize (sys_count + 3);
         }
-      if (!isinf (st[sys_count*rank + brk].force_))
+      if (!isinf (st.at (brk, sys_count).details_.force_))
         return sys_count + 1;
     }
   /* no possible breaks satisfy constraints */
-  return 0;
+  return 1;
 }
 
 int
-Constrained_breaking::get_max_systems (int start, int end)
+Constrained_breaking::get_max_systems (vsize start, vsize end)
 {
-  int brk = (end < 0 || end >= (int)start_.size ()) ? breaks_.size () - 1 : start_[end];
+  vsize brk = (end >= start_.size ()) ? breaks_.size () : starting_breakpoints_[end];
   return brk - starting_breakpoints_[start];
 }
 
-void
-Constrained_breaking::prepare_solution (vsize start, int end, int sys_count, int *rank, int *brk)
+vsize
+Constrained_breaking::prepare_solution (vsize start, vsize end, vsize sys_count)
 {
-  assert (start < start_.size () && end <= int (start_.size ()));
-  assert (end < 0 || int (start) < end);
-  assert (sys_count > 0);
+  assert (start < start_.size () && (end == VPOS || end <= start_.size ()));
+  assert (start < end);
 
-  if (sys_count >= valid_systems_)
-    {
-      systems_ = sys_count;
-      resize ();
-    }
-  if (end == (int)start_.size ())
-    end = -1;
+  resize (sys_count);
+  if (end == start_.size ())
+    end = VPOS;
 
-  *rank = breaks_.size () - starting_breakpoints_[start];
-  *brk = end < 0 ? breaks_.size () - 1 : starting_breakpoints_[end];
-  *brk -= starting_breakpoints_[start];
+  vsize brk;
+  brk = end == VPOS ? breaks_.size () - 1 : starting_breakpoints_[end];
+  brk -= starting_breakpoints_[start];
+  return brk;
 }
 
-Constrained_breaking::Constrained_breaking ()
+Constrained_breaking::Constrained_breaking (Paper_score *ps)
 {
   valid_systems_ = systems_ = 0;
   start_.push_back (0);
+  pscore_ = ps;
+  initialize ();
 }
 
-Constrained_breaking::Constrained_breaking (vector<int> const &start)
+Constrained_breaking::Constrained_breaking (Paper_score *ps, vector<vsize> const &start)
   : start_ (start)
 {
   valid_systems_ = systems_ = 0;
+  pscore_ = ps;
+  initialize ();
 }
 
+/* find the forces for all possible lines and cache ragged_ and ragged_right_ */
 void
-Constrained_breaking::combine_demerits (Column_x_positions const &prev,
-                                        Column_x_positions const &col,
-                                        Real *force,
-                                        Real *penalty,
-                                        Real *demerits) const
+Constrained_breaking::initialize ()
 {
-  *penalty = 0;
-  if (col.cols_.empty () || !col.satisfies_constraints_)
-    *force = infinity_f;
-  else
+  if (!pscore_)
+    return;
+
+  ragged_right_ = to_boolean (pscore_->layout ()->c_variable ("ragged-right"));
+  ragged_last_ = to_boolean (pscore_->layout ()->c_variable ("ragged-last"));
+      
+  Output_def *l = pscore_->layout ();
+  System *sys = pscore_->root_system ();
+  Real space = robust_scm2double (l->c_variable ("ideal-system-space"), 0);
+  SCM padding_scm = l->c_variable ("page-breaking-between-system-padding");
+  if (!scm_is_number (padding_scm))
+    padding_scm = l->c_variable ("between-system-padding");
+  Real padding = robust_scm2double (padding_scm, 0.0);
+
+  Interval first_line = line_dimensions_int (pscore_->layout (), 0);
+  Interval other_lines = line_dimensions_int (pscore_->layout (), 1);
+  /* do all the rod/spring problems */
+  breaks_ = pscore_->find_break_indices ();
+  all_ = pscore_->root_system ()->used_columns ();
+  lines_.resize (breaks_.size (), breaks_.size (), Line_details ());
+  vector<Real> forces = get_line_forces (all_,
+                                        other_lines.length (),
+                                        other_lines.length () - first_line.length (),
+                                        ragged_right_);
+  for (vsize i = 0; i + 1 < breaks_.size (); i++)
     {
-      *force = col.force_;
+      Real max_ext = 0;
+      for (vsize j = i + 1; j < breaks_.size (); j++)
+       {
+         int start = Paper_column::get_rank (all_[breaks_[i]]);
+         int end = Paper_column::get_rank (all_[breaks_[j]]);
+         Interval extent = sys->pure_height (sys, start, end);
+         bool last = j == breaks_.size () - 1;
+         bool ragged = ragged_right_ || (last && ragged_last_);
+         Line_details &line = lines_.at (j, i);
+
+         line.force_ = forces[i*breaks_.size () + j];
+         if (ragged && last && !isinf (line.force_))
+           line.force_ = 0;
+         if (isinf (line.force_))
+           break;
+
+         Grob *c = all_[breaks_[j]];
+         line.break_penalty_ = robust_scm2double (c->get_property ("line-break-penalty"), 0);
+         line.page_penalty_ = robust_scm2double (c->get_property ("page-break-penalty"), 0);
+         line.turn_penalty_ = robust_scm2double (c->get_property ("page-turn-penalty"), 0);
+         line.break_permission_ = c->get_property ("line-break-permission");
+         line.page_permission_ = c->get_property ("page-break-permission");
+         line.turn_permission_ = c->get_property ("page-turn-permission");
+
+         max_ext = max (max_ext, extent.length ());
+         line.extent_ = extent;
+         line.padding_ = padding;
+         line.space_ = space;
+         line.inverse_hooke_ = extent.length () + space;
+       }
+    }
 
-      Grob *pc = col.cols_.back ();
-      if (pc->original ())
-        {
-          SCM pen = pc->get_property ("penalty");
-          if (scm_is_number (pen) && fabs (scm_to_double (pen)) < 10000)
-            *penalty += scm_to_double (pen);
-        }
+  /* work out all the starting indices */
+  for (vsize i = 0; i < start_.size (); i++)
+    {
+      vsize j;
+      for (j = 0; j + 1 < breaks_.size () && breaks_[j] < start_[i]; j++)
+       ;
+      starting_breakpoints_.push_back (j);
+      start_[i] = breaks_[j];
     }
+  state_.resize (start_.size ());
+}
+
+Real
+Constrained_breaking::combine_demerits (Real force, Real prev_force)
+{
+  if (ragged_right_)
+    return force * force;
 
-  *demerits = (*force) * (*force) + abs (prev.force_ - *force) + *penalty;
+  return force * force + (prev_force - force) * (prev_force - force);
 }