Suchen Sie das größte Rechteck, das nur Nullen enthält, in einer N × N-Binärmatrix

Wie können wir bei einer NxN-Binärmatrix (die nur Nullen oder Einsen enthält) das größte Rechteck finden, das alle Nullen enthält?

Beispiel:

      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 

Für das obige Beispiel ist es eine 6 × 6-Binärmatrix. Der Rückgabewert ist in diesem Fall Zelle 1: (2, 1) und Zelle 2: (4, 4). Die resultierende Untermatrix kann quadratisch oder rechteckig sein. Der Rückgabewert kann auch die Größe der größten Untermatrix aller Nullen sein, in diesem Beispiel 3 × 4.

Hier ist eine Lösung, die auf dem von @j_random_hacker in den Kommentaren vorgeschlagenen Problem "Größtes Rechteck in einem Histogramm" basiert:

[Algorithmus] iteriert für jede Zeile, die dieses Problem löst , durch Zeilen von oben nach unten, wobei die "Balken" im "Histogramm" aus allen ungebrochenen Aufwärtsspuren von Nullen bestehen, die in der aktuellen Zeile beginnen (eine Spalte hat die Höhe 0) wenn es eine 1 in der aktuellen Zeile hat).

Die Eingabematrix matkann eine beliebige iterierbare sein, z. B. eine Datei oder ein Netzwerkstrom. Es muss immer nur eine Zeile verfügbar sein.

#!/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)

Die Lösung ist O(N), wo Nist die Anzahl der Elemente in einer Matrix. Es erfordert O(ncols)zusätzlichen Speicher, wobei ncolsdie Anzahl der Spalten in einer Matrix angegeben ist.

Die neueste Version mit Tests finden Sie unter https://gist.github.com/776423

Bitte werfen Sie einen Blick auf Maximieren Sie den rechteckigen Bereich unter Histogramm und lesen Sie dann die folgende Lösung weiter.

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.

Die Zeitkomplexität ist O (N * N) = O (N²) (für eine NxN-Binärmatrix)

Beispiel:

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

Hier ist eine Python3-Lösung, die die Position zusätzlich zum Bereich des größten Rechtecks ​​zurückgibt:

#!/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))

Ausgabe:

area 12
Cell 1:(2, 1) and Cell 2:(4, 4)

Hier ist die Methode von JF Sebastians, die in C # übersetzt wurde:

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;            
    }

Ein paar Dinge zu beachten:

1. Diese Version ist für die Verwendung mit der Unity-API vorgesehen. Sie können dies ganz einfach allgemeiner gestalten, indem Sie Instanzen von Vector2 durch KeyValuePair ersetzen. Vector2 wird nur zum bequemen Speichern von zwei Werten verwendet.
2. invalidPoints [] ist ein Array von bool, wobei true bedeutet, dass der Gitterpunkt "verwendet" wird, und false bedeutet, dass dies nicht der Fall ist.

Lösung mit Raumkomplexität O (Spalten) [Kann auch in O (Zeilen) geändert werden] und Zeitkomplexität O (Zeilen * Spalten)

public int maximalRectangle(char[][] matrix) {
    int m = matrix.length;
    if (m == 0)
        return 0;
    int n = matrix[0].length;
    int maxArea = 0;
    int[] aux = new int[n];
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        aux[i] = 0;
    }
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        for (int j = 0; j < n; j++) {
            aux[j] = matrix[i][j] - '0' + aux[j];
            maxArea = Math.max(maxArea, maxAreaHist(aux));
        }
    }
    return maxArea;
}

public int maxAreaHist(int[] heights) {
    int n = heights.length;
    Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();
    stack.push(0);
    int maxRect = heights[0];
    int top = 0;
    int leftSideArea = 0;
    int rightSideArea = heights[0];
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        if (stack.isEmpty() || heights[i] >= heights[stack.peek()]) {
            stack.push(i);
        } else {
            while (!stack.isEmpty() && heights[stack.peek()] > heights[i]) {
                top = stack.pop();
                rightSideArea = heights[top] * (i - top);
                leftSideArea = 0;
                if (!stack.isEmpty()) {
                    leftSideArea = heights[top] * (top - stack.peek() - 1);
                } else {
                    leftSideArea = heights[top] * top;
                }
                maxRect = Math.max(maxRect, leftSideArea + rightSideArea);
            }
            stack.push(i);
        }
    }
    while (!stack.isEmpty()) {
        top = stack.pop();
        rightSideArea = heights[top] * (n - top);
        leftSideArea = 0;
        if (!stack.isEmpty()) {
            leftSideArea = heights[top] * (top - stack.peek() - 1);
        } else {
            leftSideArea = heights[top] * top;
        }
        maxRect = Math.max(maxRect, leftSideArea + rightSideArea);
    }
    return maxRect;
}

Aber ich bekomme Zeitlimit überschritten, wenn ich dies auf LeetCode versuche. Gibt es eine weniger komplexe Lösung?

Ich schlage eine O (nxn) -Methode vor.

Zunächst können Sie alle maximal leeren Rechtecke auflisten. Leer bedeutet, dass es nur 0s abdeckt. Ein maximal leeres Rechteck ist so beschaffen, dass es nicht in eine Richtung erweitert werden kann, ohne (mindestens) eine 1 abzudecken.

Ein Artikel mit einem O (nxn) -Algorithmus zum Erstellen einer solchen Liste finden Sie unter www.ulg.ac.be/telecom/rectangles sowie im Quellcode (nicht optimiert). Es ist nicht erforderlich, die Liste zu speichern. Es reicht aus, jedes Mal, wenn ein Algorithmus vom Algorithmus gefunden wird, eine Rückruffunktion aufzurufen und nur das größte zu speichern (oder ein anderes Kriterium zu wählen, wenn Sie möchten).

Beachten Sie, dass ein Beweis vorliegt (siehe Papier), dass die Anzahl der größten leeren Rechtecke durch die Anzahl der Pixel des Bildes begrenzt ist (in diesem Fall nxn).

Daher kann die Auswahl des optimalen Rechtecks ​​in O (nxn) erfolgen, und die Gesamtmethode ist auch O (nxn).

In der Praxis ist diese Methode sehr schnell und wird für die Echtzeit-Videostream-Analyse verwendet.

Hier ist eine Version der jfs-Lösung, die auch die Position des größten Rechtecks ​​liefert:

from collections import namedtuple
from operator import mul

Info = namedtuple('Info', 'start height')

def max_rect(mat, value=0):
    """returns (height, width, left_column, bottom_row) of the largest rectangle 
    containing all `value`'s.

    Example:
    [[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 3, 2],
     [0, 4, 0, 2, 4, 0, 0, 1, 0, 0],
     [1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 0, 4],
     [0, 0, 0, 0, 4, 2, 0, 0, 0, 0],
     [0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
     [4, 3, 0, 0, 1, 2, 0, 0, 0, 0],
     [3, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 4],
     [0, 0, 0, 1, 0, 3, 2, 4, 3, 2],
     [0, 3, 0, 0, 0, 2, 0, 1, 0, 0]]
     gives: (3, 4, 6, 5)
    """
    it = iter(mat)
    hist = [(el==value) for el in next(it, [])]
    max_rect = max_rectangle_size(hist) + (0,)
    for irow,row in enumerate(it):
        hist = [(1+h) if el == value else 0 for h, el in zip(hist, row)]
        max_rect = max(max_rect, max_rectangle_size(hist) + (irow+1,), key=area)
        # irow+1, because we already used one row for initializing max_rect
    return max_rect

def max_rectangle_size(histogram):
    stack = []
    top = lambda: stack[-1]
    max_size = (0, 0, 0) # height, width and start position 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), 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), start), key=area)

    return max_size

def area(size):
    return size[0] * size[1]

Um vollständig zu sein, hier ist die C # -Version, die die Rechteckkoordinaten ausgibt. Es basiert auf der Antwort von dmarra, jedoch ohne weitere Abhängigkeiten. Es gibt nur die Funktion bool GetPixel (int x, int y) , die true zurückgibt, wenn ein Pixel an den Koordinaten x, y gesetzt wird.

    public struct INTRECT
    {
        public int Left, Right, Top, Bottom;

        public INTRECT(int aLeft, int aTop, int aRight, int aBottom)
        {
            Left = aLeft;
            Top = aTop;
            Right = aRight;
            Bottom = aBottom;
        }

        public int Width { get { return (Right - Left + 1); } }

        public int Height { get { return (Bottom - Top + 1); } }

        public bool IsEmpty { get { return Left == 0 && Right == 0 && Top == 0 && Bottom == 0; } }

        public static bool operator ==(INTRECT lhs, INTRECT rhs)
        {
            return lhs.Left == rhs.Left && lhs.Top == rhs.Top && lhs.Right == rhs.Right && lhs.Bottom == rhs.Bottom;
        }

        public static bool operator !=(INTRECT lhs, INTRECT rhs)
        {
            return !(lhs == rhs);
        }

        public override bool Equals(Object obj)
        {
            return obj is INTRECT && this == (INTRECT)obj;
        }

        public bool Equals(INTRECT obj)
        {
            return this == obj;
        }

        public override int GetHashCode()
        {
            return Left.GetHashCode() ^ Right.GetHashCode() ^ Top.GetHashCode() ^ Bottom.GetHashCode();
        }
    }

    public INTRECT GetMaximumFreeRectangle()
    {
        int XEnd = 0;
        int YStart = 0;
        int MaxRectTop = 0;
        INTRECT MaxRect = new INTRECT();
        // 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[Height];
        for (int y = 0; y < Height; y++)
        {
            if (!GetPixel(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.
        Tuple<int, int> maxSize = MaxRectSize(hist, out YStart);
        int maxArea = (int)(maxSize.Item1 * maxSize.Item2);
        MaxRectTop = YStart;
        // STEP 3:
        // build histograms for each additional row, re-testing for new possible max rectangluar areas
        for (int x = 1; x < Width; 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 < Height; y++)
            {
                if (!GetPixel(x, y))
                {
                    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.
            Tuple<int, int> maxSizeTemp = MaxRectSize(hist, out YStart);
            int tempArea = (int)(maxSizeTemp.Item1 * maxSizeTemp.Item2);
            if (tempArea > maxArea)
            {
                maxSize = maxSizeTemp;
                maxArea = tempArea;
                MaxRectTop = YStart;
                XEnd = x;
            }
        }
        MaxRect.Left = XEnd - maxSize.Item1 + 1;
        MaxRect.Top = MaxRectTop;
        MaxRect.Right = XEnd;
        MaxRect.Bottom = MaxRectTop + maxSize.Item2 - 1;

        // at this point, we know the max size
        return MaxRect;
    }

    private Tuple<int, int> MaxRectSize(int[] histogram, out int YStart)
    {
        Tuple<int, int> maxSize = new Tuple<int, int>(0, 0);
        int maxArea = 0;
        Stack<Tuple<int, int>> stack = new Stack<Tuple<int, int>>();
        int x = 0;
        YStart = 0;
        for (x = 0; x < histogram.Length; x++)
        {
            int start = x;
            int height = histogram[x];
            while (true)
            {
                if (stack.Count == 0 || height > stack.Peek().Item2)
                {
                    stack.Push(new Tuple<int, int>(start, height));
                }
                else if (height < stack.Peek().Item2)
                {
                    int tempArea = (int)(stack.Peek().Item2 * (x - stack.Peek().Item1));
                    if (tempArea > maxArea)
                    {
                        YStart = stack.Peek().Item1;
                        maxSize = new Tuple<int, int>(stack.Peek().Item2, (x - stack.Peek().Item1));
                        maxArea = tempArea;
                    }
                    Tuple<int, int> popped = stack.Pop();
                    start = (int)popped.Item1;
                    continue;
                }
                break;
            }
        }

        foreach (Tuple<int, int> data in stack)
        {
            int tempArea = (int)(data.Item2 * (x - data.Item1));
            if (tempArea > maxArea)
            {
                YStart = data.Item1;
                maxSize = new Tuple<int, int>(data.Item2, (x - data.Item1));
                maxArea = tempArea;
            }
        }

        return maxSize;
    }