src/Geom.java

   1 import java.awt.*;
   2 import java.util.*;
   3 import java.awt.event.*;
   4 import javax.swing.*;
   5 import javax.media.opengl.*;
   6 import javax.media.opengl.glu.*;
   7 import edu.wlu.cs.levy.CG.KDTree;
   8
   9 public class Geom implements Iterable<Geom.T> {
  10
  11     private KDTree kd = new KDTree(3);
  12
  13     public static float EPSILON = (float)0.000001;
  14     public static Random random = new Random();
  15
  16     private HashMap<P,P> ps = new HashMap<P,P>();
  17     private HashSet<T>   ts = new HashSet<T>();
  18
  19     public Iterator<T> iterator() { return ts.iterator(); }
  20
  21     public P newP(double x, double y, double z) { return newP((float)x, (float)y, (float)z); }
  22     public P newP(float x, float y, float z) {
  23         P p = new P(x, y, z);
  24         P p2 = ps.get(p);
  25         if (p2 != null) return p2;
  26         ps.put(p,p);
  27         p.name = allname++;
  28         try { kd.insert(new double[]{p.x,p.y,p.z},p); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
  29         return p;
  30     }
  31
  32     public T newT(P p12, P p23, P p31, V norm) {
  33         V norm2 = p31.minus(p12).cross(p23.minus(p12));
  34         float dot = norm.dot(norm2);
  35         if (Math.abs(dot) < EPSILON) throw new Error("dot products within epsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
  36         if (dot < 0) { P p = p12; p12=p23; p23 = p; }
  37         return newT(p12, p23, p31);
  38     }
  39
  40     public T newT(P p1, P p2, P p3) {
  41         E e12 = p1.makeE(p2);
  42         E e23 = p2.makeE(p3);
  43         E e31 = p3.makeE(p1);
  44         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
  45             e12.makeAdjacent(e23);
  46             e23.makeAdjacent(e31);
  47             e31.makeAdjacent(e12);
  48         }
  49         T ret = e12.makeT();
  50         if (e12.t == null) throw new Error();
  51         if (e23.t == null) throw new Error();
  52         if (e31.t == null) throw new Error();
  53         return ret;
  54     }
  55
  56     private char allname = 'A';
  57
  58     /** [UNIQUE] point in 3-space */
  59     public final class P {
  60         char name;
  61
  62         float x, y, z;
  63
  64         private E e;                // some edge *leaving* this point
  65         private M binding = new M();
  66         private P bound_to = this;
  67
  68         public E makeE(P p2) {
  69             E e = getE(p2);
  70             if (e != null) return e;
  71             e = p2.getE(this);
  72             if (this.e == null && p2.e == null) return this.e = new E(this, p2);
  73             if (this.e == null && p2.e != null) return p2.makeE(this).pair;
  74             return new E(getFreeIncident(), p2);
  75         }
  76
  77         public E getFreeIncident() {
  78             E ret = getFreeIncident(e, e);
  79             if (ret != null) return ret;
  80             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
  81             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
  82             return ret;
  83         }
  84
  85         public E getFreeIncident(E start, E before) {
  86             E e = start;
  87             do {
  88                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
  89                 e = e.pair.next;
  90             } while(e != before);
  91             return null;
  92         }
  93
  94         public E getE(P p2) {
  95             E e = this.e;
  96             do {
  97                 if (e==null) return null;
  98                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
  99                 e = e.pair.next;
 100             } while (e!=this.e);
 101             return null;
 102         }
 103
 104         public boolean isBoundTo(P p) {
 105             P px = p;
 106             do {
 107                 if (px==this) return true;
 108                 px = px.bound_to;
 109             } while(px != p);
 110             return false;
 111         }
 112
 113         public void unbind() { bound_to = null; binding = null; }
 114         public void bind(P p) { bind(p, new M()); }
 115         public void bind(P p, M binding) {
 116             if (isBoundTo(p)) return;
 117             P temp_bound_to = p.bound_to;
 118             M temp_binding = p.binding;
 119             p.bound_to = this.bound_to;
 120             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 121             this.bound_to = temp_bound_to;
 122             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 123         }
 124
 125         public void move(V v) {
 126             P p = this;
 127             do {
 128                 p.x = p.x+v.x;
 129                 p.y = p.y+v.y;
 130                 p.z = p.z+v.z;
 131                 v = v.times(binding);
 132                 p = p.bound_to;
 133             } while (p != this);
 134         }
 135
 136         public P(float x, float y, float z) {
 137             this.x = x; this.y = y; this.z = z;
 138         }
 139
 140         public P nearest() {
 141             Object[] results;
 142             try { results = kd.nearest(new double[]{x,y,z},2); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
 143             if (results[0] != this) throw new Error();
 144             return (P)results[1];
 145         }
 146
 147         public V minus(P p) { return new V(x-p.x, y-p.y, z-p.z); }
 148         public P plus(V v) { return newP(x+v.x, y+v.y, z+v.z); }
 149         public P times(M m) { return m.apply(this); }
 150         public boolean equals(Object o) {
 151             if (o==null || !(o instanceof P)) return false;
 152             P p = (P)o;
 153             return p.x==x && p.y==y && p.z==z;
 154         }
 155         // FIXME: moving a point alters its hashCode
 156         public int hashCode() {
 157             return
 158                 Float.floatToIntBits(x) ^
 159                 Float.floatToIntBits(y) ^
 160                 Float.floatToIntBits(z);
 161         }
 162         public void glVertex(GL gl) { gl.glVertex3f(x, y, z); }
 163         public String toString() { return "("+x+","+y+","+z+")"; }
 164         public V norm() {
 165             V norm = new V(0, 0, 0);
 166             E e = this.e;
 167             do {
 168                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 169                 e = e.pair.next;
 170             } while(e != this.e);
 171             return norm.norm();
 172         }
 173     }
 174
 175     /** vector in 3-space */
 176     public final class V {
 177         public final float x, y, z;
 178         public V(double x, double y, double z) { this((float)x, (float)y, (float)z); }
 179         public V(float x, float y, float z) { this.x = x; this.y = y; this.z = z; }
 180         public V cross(V v) { return new V(y*v.z-z*v.y, z*v.x-x*v.z, x*v.y-y*v.x); }
 181         public V plus(V v) { return new V(x+v.x, y+v.y, z+v.z); }
 182         public V norm() { return div(mag()); }
 183         public V times(M m) { return m.apply(this); }
 184         public float mag() { return (float)Math.sqrt(x*x+y*y+z*z); }
 185         public float dot(V v) { return x*v.x + y*v.y + z*v.z; }
 186         public V times(float mag) { return new V(x*mag, y*mag, z*mag); }
 187         public V div(float mag) { return new V(x/mag, y/mag, z/mag); }
 188         public String toString() { return "<"+x+","+y+","+z+">"; }
 189     }
 190
 191     public class BindingGroup {
 192         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
 193         public BindingGroup() { }
 194         public merge(E e) {
 195             if (e.bg != null) merge(e.bg);
 196             else { es.add(e); e.bg = this; }
 197         }
 198         public merge(BindingGroup bg) {
 199             for(E e : bg.es) {
 200                 e.bg = this;
 201                 this.bg.add(e);
 202             }
 203         }
 204     }
 205
 206     /** [UNIQUE] an edge */
 207     public final class E {
 208         public final P p1, p2;
 209         T t;     // triangle to our "left"
 210         E prev;  // previous half-edge
 211         E next;  // next half-edge
 212         E pair;  // partner half-edge
 213
 214
 215         public BindingGroup bg = null;
 216
 217         public void bind(E e) { bind(e, new M()); }
 218         public void bind(E e, M m) {
 219             if (e.bg != null) e.bg.merge(this);
 220             else if (bg != null) bg.merge(e);
 221             else {
 222                 bg = new BindingGroup();
 223                 bg.merge(this);
 224                 bg.merge(e);
 225             }
 226         }
 227
 228         public void dobind() {
 229             if (bg==null) return;
 230             for(E ex : bg.es) {
 231                 if (ex==this) continue;
 232                 p1.bind(ex.p1);
 233                 p2.bind(ex.p2);
 234             }
 235         }
 236
 237         public boolean destroyed = false;
 238         public void shatter() {
 239             if (destroyed) return;
 240             /*
 241             HashSet<E> eh = new HashSet<E>();
 242             eh.add(this);
 243             for(E ex = bound_to; ex != this; ex = ex.bound_to) eh.add(ex);
 244             E[] es = (E[])eh.toArray(new E[0]);
 245             */
 246             destroy();
 247             pair.shatter();
 248             for(E ex = bound_to; ex != this; ex = ex.bound_to) ex.shatter();
 249         }
 250         public void destroy() {
 251             this.destroyed = true;
 252         }
 253
 254         private void sync() {
 255             this.prev.next = this;
 256             this.next.prev = this;
 257             this.pair.pair = this;
 258             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 259             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 260             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 261         }
 262
 263         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
 264
 265         /** angle between this half-edge and the next */
 266         public double angle() {
 267             V v1 = next.p2.minus(p2);
 268             V v2 = this.p1.minus(p2);
 269             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 270         }
 271
 272         public void makeAdjacent(E e) {
 273             if (this.next == e) return;
 274             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 275             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 276
 277             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 278
 279             e.prev.next = freeIncident.next;
 280             freeIncident.next.prev = e.prev;
 281
 282             freeIncident.next = this.next;
 283             this.next.prev = freeIncident;
 284
 285             this.next = e;
 286             e.prev = this;
 287
 288             sync();
 289             freeIncident.sync();
 290         }
 291
 292         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 293         public E(P p1, P p2) {
 294             if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
 295             this.p1 = p1;
 296             this.p2 = p2;
 297             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 298             sync();
 299         }
 300
 301         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 302         public E(E prev, P p2) {
 303             this.p1 = prev.p2;
 304             this.p2 = p2;
 305             this.prev = prev;
 306             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 307             if (p2.e==null) {
 308                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 309             } else {
 310                 E q = p2.getFreeIncident();
 311                 this.next = q.next;
 312                 this.next.prev = this;
 313                 E z = prev.next;
 314                 this.prev.next = this;
 315                 this.pair = new E(q, this, z);
 316             }
 317             sync();
 318         }
 319
 320         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 321         public E(E prev, E pair, E next) {
 322             this.p1 = prev.p2;
 323             this.p2 = next.p1;
 324             this.prev = prev;
 325             this.next = next;
 326             this.pair = pair;
 327             sync();
 328         }
 329         public P midpoint() { return newP((p1.x+p2.x)/2, (p1.y+p2.y)/2, (p1.z+p2.z)/2); }
 330         public boolean has(P p) { return p==p1 || p==p2; }
 331         public float length() { return p1.minus(p2).mag(); }
 332         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 333     }
 334
 335     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 336     public final class T {
 337         public final E e1;
 338         public final int color;
 339
 340         T(E e1) {
 341             this.e1 = e1;
 342             E e2 = e1.next;
 343             E e3 = e2.next;
 344             if (e1==e2     || e1==e3) throw new Error();
 345             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 346             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null)
 347                 throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 348             e1.t = this;
 349             e1.next.t = this;
 350             e1.next.next.t = this;
 351
 352             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 353
 354             int color = Math.abs(random.nextInt());
 355             while(true) {
 356                 color = color % 4;
 357                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 358                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 359                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 360                 break;
 361             }
 362
 363             // FIXME unnecssary
 364             ts.add(this);
 365
 366             this.color = color;
 367         }
 368         public P p1() { return e1.p1; }
 369         public P p2() { return e1.p2; }
 370         public P p3() { return e1.next.p2; }
 371         public E e1() { return e1; }
 372         public E e2() { return e1.next; }
 373         public E e3() { return e1.prev; }
 374         public V norm() { return p2().minus(p1()).cross(p3().minus(p1())).norm(); }
 375         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 376         public boolean has(P p) { return p1()==p || p2()==p || p3()==p; }
 377         public void glVertices(GL gl) {
 378             p1().glVertex(gl);
 379             p2().glVertex(gl);
 380             p3().glVertex(gl);
 381         }
 382
 383         public P centroid() { return newP((p1().x+p2().x+p3().x)/3,
 384                                           (p1().y+p2().y+p3().y)/3,
 385                                           (p1().z+p2().z+p3().z)/3); }
 386         public float diameter() {
 387             // FIXME: what is this supposed to be?
 388             return Math.max(Math.max(e1().length(), e2().length()), e3().length()) / 2;
 389         }
 390
 391
 392     }
 393
 394
 395     /** matrix */
 396     public class M {
 397         public M() { }
 398         public P apply(P p) { return p; }
 399         public V apply(V v) { return v; }
 400         public M invert() { return this; }
 401         public M times(M m) { return this; }
 402     }
 403
 404 }