Encuentre el rectángulo más grande que contenga solo ceros en una matriz binaria N×N
Dada una matriz binaria NxN (que contiene solo ceros o unos), ¿cómo podemos encontrar el rectángulo más grande que contenga todos ceros?
Ejemplo:
I
0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1
II->0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 <--IV
0 0 1 0 0 0
IV
Para el ejemplo anterior, es una matriz binaria de 6×6. el valor de retorno en este caso será la Celda 1:(2, 1) y la Celda 2:(4, 4). La submatriz resultante puede ser cuadrada o rectangular. El valor de retorno también puede ser el tamaño de la submatriz más grande de todos los ceros, en este ejemplo 3 × 4.
Aquí hay una solución basada en el problema del "Rectángulo más grande en un histograma" sugerido por @j_random_hacker en los comentarios:
[Algoritmo] funciona iterando a través de filas de arriba a abajo, para cada fila que resuelve este problema , donde las "barras" en el "histograma" consisten en todos los rastros ascendentes ininterrumpidos de ceros que comienzan en la fila actual (una columna tiene altura 0 si tiene un 1 en la fila actual).
La matriz de entrada matpuede ser un iterable arbitrario, por ejemplo, un archivo o un flujo de red. Sólo es necesario que haya una fila disponible a la vez.
#!/usr/bin/env python
from collections import namedtuple
from operator import mul
Info = namedtuple('Info', 'start height')
def max_size(mat, value=0):
"""Find height, width of the largest rectangle containing all `value`'s."""
it = iter(mat)
hist = [(el==value) for el in next(it, [])]
max_size = max_rectangle_size(hist)
for row in it:
hist = [(1+h) if el == value else 0 for h, el in zip(hist, row)]
max_size = max(max_size, max_rectangle_size(hist), key=area)
return max_size
def max_rectangle_size(histogram):
"""Find height, width of the largest rectangle that fits entirely under
the histogram.
"""
stack = []
top = lambda: stack[-1]
max_size = (0, 0) # height, width of the largest rectangle
pos = 0 # current position in the histogram
for pos, height in enumerate(histogram):
start = pos # position where rectangle starts
while True:
if not stack or height > top().height:
stack.append(Info(start, height)) # push
elif stack and height < top().height:
max_size = max(max_size, (top().height, (pos - top().start)),
key=area)
start, _ = stack.pop()
continue
break # height == top().height goes here
pos += 1
for start, height in stack:
max_size = max(max_size, (height, (pos - start)), key=area)
return max_size
def area(size):
return reduce(mul, size)
La solución es O(N), donde Nestá el número de elementos de una matriz. Requiere O(ncols)memoria adicional, donde ncolses el número de columnas de una matriz.
La última versión con pruebas está en https://gist.github.com/776423
Eche un vistazo a Maximizar el área rectangular en Histograma y luego continúe leyendo la solución a continuación.
Traverse the matrix once and store the following;
For x=1 to N and y=1 to N
F[x][y] = 1 + F[x][y-1] if A[x][y] is 0 , else 0
Then for each row for x=N to 1
We have F[x] -> array with heights of the histograms with base at x.
Use O(N) algorithm to find the largest area of rectangle in this histogram = H[x]
From all areas computed, report the largest.
La complejidad del tiempo es O(N*N) = O(N²) (para una matriz binaria NxN)
Ejemplo:
Initial array F[x][y] array
0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1
0 0 1 0 0 1 2 2 0 2 1 0
0 0 0 0 0 0 3 3 1 3 2 1
1 0 0 0 0 0 0 4 2 4 3 2
0 0 0 0 0 1 1 5 3 5 4 0
0 0 1 0 0 0 2 6 0 6 5 1
For x = N to 1
H[6] = 2 6 0 6 5 1 -> 10 (5*2)
H[5] = 1 5 3 5 4 0 -> 12 (3*4)
H[4] = 0 4 2 4 3 2 -> 10 (2*5)
H[3] = 3 3 1 3 2 1 -> 6 (3*2)
H[2] = 2 2 0 2 1 0 -> 4 (2*2)
H[1] = 1 1 1 1 0 1 -> 4 (1*4)
The largest area is thus H[5] = 12
Aquí hay una solución Python3, que devuelve la posición además del área del rectángulo más grande:
#!/usr/bin/env python3
import numpy
s = '''0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0'''
nrows = 6
ncols = 6
skip = 1
area_max = (0, [])
a = numpy.fromstring(s, dtype=int, sep=' ').reshape(nrows, ncols)
w = numpy.zeros(dtype=int, shape=a.shape)
h = numpy.zeros(dtype=int, shape=a.shape)
for r in range(nrows):
for c in range(ncols):
if a[r][c] == skip:
continue
if r == 0:
h[r][c] = 1
else:
h[r][c] = h[r-1][c]+1
if c == 0:
w[r][c] = 1
else:
w[r][c] = w[r][c-1]+1
minw = w[r][c]
for dh in range(h[r][c]):
minw = min(minw, w[r-dh][c])
area = (dh+1)*minw
if area > area_max[0]:
area_max = (area, [(r-dh, c-minw+1, r, c)])
print('area', area_max[0])
for t in area_max[1]:
print('Cell 1:({}, {}) and Cell 2:({}, {})'.format(*t))
Producción:
area 12
Cell 1:(2, 1) and Cell 2:(4, 4)
Aquí está el método de JF Sebastian traducido a C#:
private Vector2 MaxRectSize(int[] histogram) {
Vector2 maxSize = Vector2.zero;
int maxArea = 0;
Stack<Vector2> stack = new Stack<Vector2>();
int x = 0;
for (x = 0; x < histogram.Length; x++) {
int start = x;
int height = histogram[x];
while (true) {
if (stack.Count == 0 || height > stack.Peek().y) {
stack.Push(new Vector2(start, height));
} else if(height < stack.Peek().y) {
int tempArea = (int)(stack.Peek().y * (x - stack.Peek().x));
if(tempArea > maxArea) {
maxSize = new Vector2(stack.Peek().y, (x - stack.Peek().x));
maxArea = tempArea;
}
Vector2 popped = stack.Pop();
start = (int)popped.x;
continue;
}
break;
}
}
foreach (Vector2 data in stack) {
int tempArea = (int)(data.y * (x - data.x));
if(tempArea > maxArea) {
maxSize = new Vector2(data.y, (x - data.x));
maxArea = tempArea;
}
}
return maxSize;
}
public Vector2 GetMaximumFreeSpace() {
// STEP 1:
// build a seed histogram using the first row of grid points
// example: [true, true, false, true] = [1,1,0,1]
int[] hist = new int[gridSizeY];
for (int y = 0; y < gridSizeY; y++) {
if(!invalidPoints[0, y]) {
hist[y] = 1;
}
}
// STEP 2:
// get a starting max area from the seed histogram we created above.
// using the example from above, this value would be [1, 1], as the only valid area is a single point.
// another example for [0,0,0,1,0,0] would be [1, 3], because the largest area of contiguous free space is 3.
// Note that at this step, the heigh fo the found rectangle will always be 1 because we are operating on
// a single row of data.
Vector2 maxSize = MaxRectSize(hist);
int maxArea = (int)(maxSize.x * maxSize.y);
// STEP 3:
// build histograms for each additional row, re-testing for new possible max rectangluar areas
for (int x = 1; x < gridSizeX; x++) {
// build a new histogram for this row. the values of this row are
// 0 if the current grid point is occupied; otherwise, it is 1 + the value
// of the previously found historgram value for the previous position.
// What this does is effectly keep track of the height of continous avilable spaces.
// EXAMPLE:
// Given the following grid data (where 1 means occupied, and 0 means free; for clairty):
// INPUT: OUTPUT:
// 1.) [0,0,1,0] = [1,1,0,1]
// 2.) [0,0,1,0] = [2,2,0,2]
// 3.) [1,1,0,1] = [0,0,1,0]
//
// As such, you'll notice position 1,0 (row 1, column 0) is 2, because this is the height of contiguous
// free space.
for (int y = 0; y < gridSizeY; y++) {
if(!invalidPoints[x, y]) {
hist[y] = 1 + hist[y];
} else {
hist[y] = 0;
}
}
// find the maximum size of the current histogram. If it happens to be larger
// that the currently recorded max size, then it is the new max size.
Vector2 maxSizeTemp = MaxRectSize(hist);
int tempArea = (int)(maxSizeTemp.x * maxSizeTemp.y);
if (tempArea > maxArea) {
maxSize = maxSizeTemp;
maxArea = tempArea;
}
}
// at this point, we know the max size
return maxSize;
}
Algunas cosas a tener en cuenta sobre esto:
- Esta versión está diseñada para usarse con la API de Unity. Puedes hacer esto más genérico fácilmente reemplazando instancias de Vector2 con KeyValuePair. Vector2 solo se usa como una forma conveniente de almacenar dos valores.
- invalidPoints[] es una matriz de bool, donde verdadero significa que el punto de la cuadrícula está "en uso" y falso significa que no.
