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 HashMap<E,E> es = new HashMap<E,E>();
  18     private HashSet<T>   ts = new HashSet<T>();
  19
  20     public Iterator<T> iterator() { return ts.iterator(); }
  21
  22     public P newP(double x, double y, double z) { return newP((float)x, (float)y, (float)z); }
  23     public P newP(float x, float y, float z) {
  24         P p = new P(x, y, z);
  25         P p2 = ps.get(p);
  26         if (p2 != null) return p2;
  27         ps.put(p,p);
  28         p.name = allname++;
  29         try { kd.insert(new double[]{p.x,p.y,p.z},p); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
  30         return p;
  31     }
  32
  33     public T newT(P p12, P p23, P p31, V norm) {
  34         V norm2 = p31.minus(p12).cross(p23.minus(p12));
  35         float dot = norm.dot(norm2);
  36         if (Math.abs(dot) < EPSILON) throw new Error("dot products within epsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
  37         if (dot < 0) { P p = p12; p12=p23; p23 = p; }
  38         return newT(p12, p23, p31);
  39     }
  40
  41     public T newT(P p1, P p2, P p3) {
  42         E e12 = p1.makeE(p2);
  43         E e23 = p2.makeE(p3);
  44         E e31 = p3.makeE(p1);
  45         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
  46             e12.makeAdjacent(e23);
  47             e23.makeAdjacent(e31);
  48             e31.makeAdjacent(e12);
  49         }
  50         T ret = e12.newT();
  51         if (e12.t == null) throw new Error();
  52         if (e23.t == null) throw new Error();
  53         if (e31.t == null) throw new Error();
  54         return ret;
  55     }
  56
  57     private char allname = 'A';
  58
  59     /** [UNIQUE] point in 3-space */
  60     public final class P {
  61         char name;
  62
  63         float x, y, z;
  64
  65         private E e;                // some edge *leaving* this point
  66         private M binding = new M();
  67         private P bound_to = this;
  68
  69         public E makeE(P p2) {
  70             E e = getE(p2);
  71             if (e != null) return e;
  72             e = p2.getE(this);
  73             if (this.e == null && p2.e == null) return this.e = new E(this, p2);
  74             if (this.e == null && p2.e != null) return p2.makeE(this).pair;
  75             return new E(getFreeIncident(), p2);
  76         }
  77
  78         public E getFreeIncident() {
  79             E ret = getFreeIncident(e, e);
  80             if (ret != null) return ret;
  81             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
  82             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
  83             return ret;
  84         }
  85
  86         public E getFreeIncident(E start, E before) {
  87             E e = start;
  88             do {
  89                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
  90                 e = e.pair.next;
  91             } while(e != before);
  92             return null;
  93         }
  94
  95         public E getE(P p2) {
  96             E e = this.e;
  97             do {
  98                 if (e==null) return null;
  99                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 100                 e = e.pair.next;
 101             } while (e!=this.e);
 102             return null;
 103         }
 104
 105         public boolean isBoundTo(P p) {
 106             P px = p;
 107             do {
 108                 if (px==this) return true;
 109                 px = px.bound_to;
 110             } while(px != p);
 111             return false;
 112         }
 113
 114         public void unbind() { bound_to = null; binding = null; }
 115         public void bind(P p) { bind(p, new M()); }
 116         public void bind(P p, M binding) {
 117             if (isBoundTo(p)) return;
 118             P temp_bound_to = p.bound_to;
 119             M temp_binding = p.binding;
 120             p.bound_to = this.bound_to;
 121             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 122             this.bound_to = temp_bound_to;
 123             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 124         }
 125
 126         public void move(V v) {
 127             P p = this;
 128             do {
 129                 p.x = p.x+v.x;
 130                 p.y = p.y+v.y;
 131                 p.z = p.z+v.z;
 132                 v = v.times(binding);
 133                 p = p.bound_to;
 134             } while (p != this);
 135         }
 136
 137         /** the next edge going around this point [FIXME: direction] */
 138         /*
 139         public E nextE(E e) {
 140             //e.other(this);  // sanity check
 141             if (e.t      != null && e.t.nextE(e).has(this))      return e.t.nextE(e);
 142             if (e.pair.t != null && e.pair.t.nextE(e).has(this)) return e.pair.nextE(e.pair);
 143             throw new Error();
 144         }
 145         */
 146
 147         public P(float x, float y, float z) {
 148             this.x = x; this.y = y; this.z = z;
 149         }
 150
 151         public P nearest() {
 152             Object[] results;
 153             try { results = kd.nearest(new double[]{x,y,z},2); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
 154             if (results[0] != this) throw new Error();
 155             return (P)results[1];
 156         }
 157
 158         public V minus(P p) { return new V(x-p.x, y-p.y, z-p.z); }
 159         public P plus(V v) { return newP(x+v.x, y+v.y, z+v.z); }
 160         public P times(M m) { return m.apply(this); }
 161         public boolean equals(Object o) {
 162             if (o==null || !(o instanceof P)) return false;
 163             P p = (P)o;
 164             return p.x==x && p.y==y && p.z==z;
 165         }
 166         // FIXME: moving a point alters its hashCode
 167         public int hashCode() {
 168             return
 169                 Float.floatToIntBits(x) ^
 170                 Float.floatToIntBits(y) ^
 171                 Float.floatToIntBits(z);
 172         }
 173         public void glVertex(GL gl) { gl.glVertex3f(x, y, z); }
 174         //public String toString() { return ""+name; }
 175         public String toString() { return "("+x+","+y+","+z+")"; }
 176         public V norm() {
 177             V norm = new V(0, 0, 0);
 178             E e = this.e;
 179             do {
 180                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 181                 e = e.pair.next;
 182             } while(e != this.e);
 183             return norm.norm();
 184         }
 185     }
 186
 187     /** vector in 3-space */
 188     public final class V {
 189         public final float x, y, z;
 190         public V(double x, double y, double z) { this((float)x, (float)y, (float)z); }
 191         public V(float x, float y, float z) { this.x = x; this.y = y; this.z = z; }
 192         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); }
 193         public V plus(V v) { return new V(x+v.x, y+v.y, z+v.z); }
 194         public V norm() { return div(mag()); }
 195         public V times(M m) { return m.apply(this); }
 196         public float mag() { return (float)Math.sqrt(x*x+y*y+z*z); }
 197         public float dot(V v) { return x*v.x + y*v.y + z*v.z; }
 198         public V times(float mag) { return new V(x*mag, y*mag, z*mag); }
 199         public V div(float mag) { return new V(x/mag, y/mag, z/mag); }
 200         public String toString() { return "<"+x+","+y+","+z+">"; }
 201     }
 202
 203     /** [UNIQUE] an edge */
 204     public final class E {
 205         public final P p1, p2;
 206         T t;
 207         E prev;
 208         E next;
 209         E pair;
 210
 211         private void sync() {
 212             this.prev.next = this;
 213             this.next.prev = this;
 214             this.pair.pair = this;
 215             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 216             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 217             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 218         }
 219
 220         public T newT() {
 221             if (t==null) t = new T(this);
 222             return t;
 223         }
 224
 225         /** angle between this half-edge and the next */
 226         public double angle() {
 227             V v1 = next.p2.minus(p2);
 228             V v2 = this.p1.minus(p2);
 229             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 230         }
 231
 232         public void makeAdjacent(E e) {
 233             if (this.next == e) return;
 234             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 235             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 236
 237             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 238
 239             e.prev.next = freeIncident.next;
 240             freeIncident.next.prev = e.prev;
 241
 242             freeIncident.next = this.next;
 243             this.next.prev = freeIncident;
 244
 245             this.next = e;
 246             e.prev = this;
 247
 248             sync();
 249             freeIncident.sync();
 250         }
 251
 252         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 253         public E(P p1, P p2) {
 254             if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
 255             this.p1 = p1;
 256             this.p2 = p2;
 257             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 258             sync();
 259         }
 260
 261         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 262         public E(E prev, P p2) {
 263             this.p1 = prev.p2;
 264             this.p2 = p2;
 265             this.prev = prev;
 266             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 267             if (p2.e==null) {
 268                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 269             } else {
 270                 E q = p2.getFreeIncident();
 271                 this.next = q.next;
 272                 this.next.prev = this;
 273                 E z = prev.next;
 274                 this.prev.next = this;
 275                 this.pair = new E(q, this, z);
 276             }
 277             sync();
 278         }
 279
 280         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 281         public E(E prev, E pair, E next) {
 282             this.p1 = prev.p2;
 283             this.p2 = next.p1;
 284             this.prev = prev;
 285             this.next = next;
 286             this.pair = pair;
 287             sync();
 288         }
 289         public P midpoint() { return newP((p1.x+p2.x)/2, (p1.y+p2.y)/2, (p1.z+p2.z)/2); }
 290         public boolean has(P p) { return p==p1 || p==p2; }
 291         public float length() { return p1.minus(p2).mag(); }
 292         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 293         public int hashCode() { return p1.hashCode() ^ p2.hashCode(); }
 294         public boolean equals(Object o) { return o!=null && o instanceof E && this.p1 == ((E)o).p1 && this.p2 == ((E)o).p2; }
 295     }
 296
 297     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 298     public final class T {
 299         public final E e1;
 300         public final int color;
 301
 302         public void bind(T t2, int rot) {
 303             // FIXME
 304         }
 305
 306         T(E e1) {
 307             this.e1 = e1;
 308             E e2 = e1.next;
 309             E e3 = e2.next;
 310             if (e1==e2     || e1==e3) throw new Error();
 311             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 312             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null)  throw new Error("non-manifold surface");
 313             e1.t = this;
 314             e1.next.t = this;
 315             e1.next.next.t = this;
 316             /*
 317             if (e1.pair.t != null && e1.pair.t.nextP(e1) != prevP(e1)) throw new Error("normals disagree!");
 318             if (e2.pair.t != null && e2.pair.t.nextP(e2) != prevP(e2)) throw new Error("normals disagree!");
 319             if (e3.pair.t != null && e3.pair.t.nextP(e3) != prevP(e3)) throw new Error("normals disagree!");
 320             */
 321             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 322
 323             int color = Math.abs(random.nextInt());
 324
 325             while(true) {
 326                 color = color % 4;
 327                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 328                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 329                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 330                 break;
 331             }
 332
 333             // FIXME unnecssary
 334             ts.add(this);
 335
 336             this.color = color;
 337         }
 338         /*
 339         public int hashCode() { return e1().hashCode() ^ e2().hashCode() ^ e3.hashCode(); }
 340         public boolean equals(Object o) {
 341             if (o==null || !(o instanceof T)) return false;
 342             T t = (T)o;
 343             return e1==t.e1() || e1==t.e2() || e1==t.e3();
 344         }
 345         */
 346         public P p1() { return e1.p1; }
 347         public P p2() { return e1.p2; }
 348         public P p3() { return e1.next.p2; }
 349         public E e1() { return e1; }
 350         public E e2() { return e1.next; }
 351         public E e3() { return e1.prev; }
 352         public V norm() { return p2().minus(p1()).cross(p3().minus(p1())).norm(); }
 353         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 354         public boolean has(P p) { return p1()==p || p2()==p || p3()==p; }
 355         public void glVertices(GL gl) {
 356             p1().glVertex(gl);
 357             p2().glVertex(gl);
 358             p3().glVertex(gl);
 359         }
 360
 361         public P centroid() { return newP((p1().x+p2().x+p3().x)/3,
 362                                           (p1().y+p2().y+p3().y)/3,
 363                                           (p1().z+p2().z+p3().z)/3); }
 364         public float diameter() {
 365             // FIXME: what is this supposed to be?
 366             return Math.max(Math.max(e1().length(), e2().length()), e3().length()) / 2;
 367         }
 368
 369         /** returns the next triangle walking clockwise around the vertex normal */
 370         /*
 371         public T nextT(P p) { return prevE(p).pair.t; }
 372         public T prevT(P p) { return nextE(p).pair.t; }
 373
 374         public E nextE(E e) {
 375             if (e==e2) return e1;
 376             if (e==e3) return e2;
 377             if (e==e1) return e3;
 378             throw new Error("triangle " + this + " does not own edge " + e);
 379         }
 380
 381         public E prevE(E e) {
 382             if (e==e2) return e3;
 383             if (e==e3) return e1;
 384             if (e==e1) return e2;
 385             throw new Error("triangle " + this + " does not own edge " + e);
 386         }
 387         // edge "after" this point, moving clockwise around the normal
 388         public E nextE(P p) {
 389             if      (p == e1.shared(e2)) return e1;
 390             else if (p == e2.shared(e3)) return e2;
 391             else if (p == e3.shared(e1)) return e3;
 392             else throw new Error("triangle " + this + " does not own point " + p);
 393         }
 394         // edge "before" this point, moving clockwise around the normal
 395         public E prevE(P p) {
 396             if      (p == e1.shared(e2)) return e2;
 397             else if (p == e2.shared(e3)) return e3;
 398             else if (p == e3.shared(e1)) return e1;
 399             else throw new Error("triangle " + this + " does not own point " + p);
 400         }
 401         */
 402
 403     }
 404
 405
 406     /** matrix */
 407     public class M {
 408         public M() { }
 409         public P apply(P p) { return p; }
 410         public V apply(V v) { return v; }
 411         public M invert() { return this; }
 412         public M times(M m) { return this; }
 413     }
 414
 415 }