Чёкотов Алексей. Технология SEQ-MPI. Построение выпуклой оболочки для компонент бинарного изображения. Вариант 32 (#281)

<!--
Требования к названию pull request:

"<Фамилия> <Имя>. Технология <TECHNOLOGY_NAME:SEQ|OMP|TBB|STL|MPI>.
<Полное название задачи>. Вариант <Номер>"
-->

## Описание
<!--
Пожалуйста, предоставьте подробное описание вашей реализации, включая:
 - основные детали решения (описание выбранного алгоритма)
 - применение технологии параллелизма (если применимо)
-->

- **Задача**: Построение выпуклой оболочки для компонент бинарного
изображения
- **Вариант**: 32
- **Технология**: SEQ, MPI
- **Описание** 
Для поиска связных компонент в бинарном изображении применяется обход в
ширину (BFS), который проверяет соседние пиксели сверху, снизу, слева и
справа. После нахождения всех точек компоненты для построения её
выпуклой оболочки используется алгоритм Эндрю. Он сортирует точки, затем
строит нижнюю и верхнюю части оболочки для каждой компоненты с помощью
скалярного произведения.
Технологии параллелизма: Изображение распределяется построчно между
процессами. Чтобы правильно обрабатывать компоненты на границах этих
полос, процессы обмениваются своими крайними строками с соседями. После
все процессы вычисляют выпуклые оболочки в своих зонах и результаты
синхронизируются между процессами.
## Чек-лист
<!--
Пожалуйста, убедитесь, что следующие пункты выполнены **до** отправки
pull request'а и запроса его ревью:
-->

- [x] **Статус CI**: Все CI-задачи (сборка, тесты, генерация отчёта)
успешно проходят на моей ветке в моем форке
- [x] **Директория и именование задачи**: Я создал директорию с именем
`<фамилия>_<первая_буква_имени>_<короткое_название_задачи>`
- [x] **Полное описание задачи**: Я предоставил полное описание задачи в
теле pull request
- [x] **clang-format**: Мои изменения успешно проходят `clang-format`
локально в моем форке (нет ошибок форматирования)
- [x] **clang-tidy**: Мои изменения успешно проходят `clang-tidy`
локально в моем форке (нет предупреждений/ошибок)
- [x] **Функциональные тесты**: Все функциональные тесты успешно
проходят локально на моей машине
- [x] **Тесты производительности**: Все тесты производительности успешно
проходят локально на моей машине
- [x] **Ветка**: Я работаю в ветке, названной точно так же, как
директория моей задачи (например, `nesterov_a_vector_sum`), а не в
`master`
- [x] **Правдивое содержание**: Я подтверждаю, что все сведения,
указанные в этом pull request, являются точными и достоверными

<!--
ПРИМЕЧАНИЕ: Ложные сведения в этом чек-листе могут привести к отклонению
PR и получению нулевого балла за соответствующую задачу.
-->

---------

Co-authored-by: Alexey_chekotov <alexche2509.@gmail.com>

Author: chekalexey

tasks/chyokotov_a_convex_hull_finding/common/include/common.hpp

@@ -0,0 +1,16 @@
+#pragma once
+
+#include <tuple>
+#include <utility>
+#include <vector>
+
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace chyokotov_a_convex_hull_finding {
+
+using InType = std::vector<std::vector<int>>;
+using OutType = std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>>;
+using TestType = std::tuple<std::vector<std::vector<int>>, std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>>>;
+using BaseTask = ppc::task::Task<InType, OutType>;
+
+}  // namespace chyokotov_a_convex_hull_finding

tasks/chyokotov_a_convex_hull_finding/info.json

@@ -0,0 +1,9 @@
+{
+  "student": {
+    "first_name": "Алексей",
+    "last_name": "Чёкотов",
+    "middle_name": "Павлович",
+    "group_number": "3823Б1ФИ2",
+    "task_number": "3"
+  }
+}

tasks/chyokotov_a_convex_hull_finding/mpi/include/ops_mpi.hpp

@@ -0,0 +1,62 @@
+#pragma once
+
+#include <cstdint>
+#include <utility>
+#include <vector>
+
+#include "chyokotov_a_convex_hull_finding/common/include/common.hpp"
+#include "task/include/task.hpp"
+
+namespace chyokotov_a_convex_hull_finding {
+
+class ChyokotovConvexHullFindingMPI : public BaseTask {
+ public:
+  static constexpr ppc::task::TypeOfTask GetStaticTypeOfTask() {
+    return ppc::task::TypeOfTask::kMPI;
+  }
+  explicit ChyokotovConvexHullFindingMPI(const InType &in);
+
+ private:
+  bool ValidationImpl() override;
+  bool PreProcessingImpl() override;
+  bool RunImpl() override;
+  bool PostProcessingImpl() override;
+
+  static bool Check(const std::vector<std::vector<int>> &input);
+  std::pair<std::vector<int>, int> DistributeImageData(int rank, int size, int width, int height);
+  static std::pair<int, int> CalculateRowDistribution(int rank, int size, int height);
+  static int64_t Cross(const std::pair<int, int> &a, const std::pair<int, int> &b, const std::pair<int, int> &c);
+  static std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> FindConnectedComponentsMPI(int rank, int size, int start_row,
+                                                                                  int end_row, int width, int height,
+                                                                                  const std::vector<int> &local_data);
+
+  static std::vector<std::pair<int, int>> ConvexHullAndrew(const std::vector<std::pair<int, int>> &points);
+
+  static void ExchangeBoundaryRows(bool has_top, bool has_bottom, int rank, int size, int width,
+                                   const std::vector<int> &local_pixels, std::vector<int> &extended_pixels);
+
+  static std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> ProcessExtendedRegion(const std::vector<int> &extended_pixels,
+                                                                             int extended_rows, int width,
+                                                                             int global_y_offset);
+
+  static std::vector<std::pair<int, int>> ExtractComponent(int start_x, int start_y,
+                                                           const std::vector<int> &extended_pixels,
+                                                           std::vector<std::vector<bool>> &visited, int width,
+                                                           int extended_rows, int global_y_offset);
+
+  static std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> FilterLocalComponents(
+      const std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> &all_components, int start_row, int end_row);
+
+  static void SendHullsToRank0(const std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> &local_hulls);
+  static void ReceiveHullsFromRank(int src_rank, std::vector<int> &all_sizes, std::vector<int> &global_flat);
+
+  static std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> GatherHullsOnRank0(
+      int rank, int size, const std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> &local_hulls);
+
+  static std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> ReconstructHulls(const std::vector<int> &hull_sizes,
+                                                                        const std::vector<int> &flat_points);
+  static std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> BroadcastResultToAllRanks(
+      int rank, const std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> &global_hulls_on_rank0);
+};
+
+}  // namespace chyokotov_a_convex_hull_finding