src/edu/berkeley/qfat/Main.java

   1 package edu.berkeley.qfat;
   2 import java.awt.*;
   3 import java.awt.event.*;
   4 import javax.swing.*;
   5 import javax.media.opengl.*;
   6 import javax.media.opengl.glu.*;
   7 import java.util.*;
   8 import edu.berkeley.qfat.geom.*;
   9 import edu.berkeley.qfat.geom.Point;
  10
  11 // TO DO:
  12 // - real anneal
  13 // - solve self-intersection problem
  14 // - get a better test model?
  15 // - symmetry constraints withing the tile
  16 // - rotation matrices
  17 // - overbinding results in forced equational constraints on the leader
  18 // - shatter in invertd-triforce pattern brian mentioned
  19 // - aspect ratio?  non-uniform deformation?
  20 // - rotational alignment
  21
  22 // - movie-style user interface like
  23 //      http://www.coleran.com/markcoleranreell.html ?
  24
  25 // - consider recasting the Shewchuk predicates in Java?
  26 //    http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/project/quake/public/code/predicates.c
  27
  28 /*
  29 blender keys
  30 - middle mouse = option+click
  31 - right mouse = command+click
  32
  33 3,7,1 = view along axes (control for opp direction)
  34 4, 8, 7, 2 = rotate in discrete increments (+control to translate)
  35 middle trag: rotate space
  36 shift+middle drag: translate space
  37 wheel: zoom
  38 home: home view: take current angle, zoom to whole scnee
  39 5 = ortho vs non-ortho
  40
  41  */
  42
  43
  44 // FIXME: re-orient goal (how?)
  45
  46 public class Main extends MeshViewer {
  47
  48     public static int verts = 1;
  49
  50     public static final Random random = new Random();
  51
  52     /** magnification factor */
  53     private static final float MAG = 1;
  54
  55     public Main(StlFile stlf, Frame f) {
  56         super(f);
  57
  58         for(int i=0; i<stlf.coordArray.length; i+=3) {
  59             Point p0 = new Point(stlf.coordArray[i+0].x * MAG, stlf.coordArray[i+0].y * MAG, stlf.coordArray[i+0].z * MAG);
  60             Point p1 = new Point(stlf.coordArray[i+1].x * MAG, stlf.coordArray[i+1].y * MAG, stlf.coordArray[i+1].z * MAG);
  61             Point p2 = new Point(stlf.coordArray[i+2].x * MAG, stlf.coordArray[i+2].y * MAG, stlf.coordArray[i+2].z * MAG);
  62             Vec n  = new Vec(stlf.normArray[i/3].x * MAG, stlf.normArray[i/3].y  * MAG, stlf.normArray[i/3].z * MAG);
  63             Mesh.T t  = goal.newT(p0, p1, p2, n, 0);
  64         }
  65
  66         goal.ignorecollision = true;
  67
  68         // rotate to align major axis -- this probably needs to be done by a human.
  69         goal.transform(Matrix.rotate(new Vec(0, 0, 1), (float)(Math.PI/2)));
  70
  71         float goal_width  = goal.diagonal().dot(new Vec(1, 0, 0));
  72         float goal_height = goal.diagonal().dot(new Vec(0, 1, 0));
  73         float goal_depth  = goal.diagonal().dot(new Vec(0, 0, 1));
  74
  75         /*
  76         float width  = (float)0.6;
  77         float height = (float)0.08;
  78         float depth  = (float)0.3;
  79         */
  80         float width  = (float)0.7;
  81         float depth  = (float)0.08;
  82         float height = (float)0.4;
  83
  84         float rshift =   width/2;
  85         float lshift = -(width/2);
  86
  87         //float halfup = height/2;
  88         float halfup = 0;
  89
  90         translations = new Matrix[] {
  91
  92             Matrix.translate(new Vec(lshift,  depth,    halfup)),
  93             Matrix.translate(new Vec(rshift,  depth,    halfup)),
  94             Matrix.translate(new Vec(lshift, -depth,    halfup)),
  95             Matrix.translate(new Vec(rshift, -depth,    halfup)),
  96
  97             /*
  98             Matrix.translate(new Vec(0,  depth,    halfup)),
  99             Matrix.translate(new Vec(0, -depth,    halfup)),
 100             */
 101
 102             Matrix.translate(new Vec(lshift,       0,  height)),
 103             Matrix.translate(new Vec(rshift,       0,  height)),
 104             Matrix.translate(new Vec(lshift,       0, -height)),
 105             Matrix.translate(new Vec(rshift,       0, -height)),
 106
 107
 108             Matrix.translate(new Vec( width,           0,    0)),
 109             Matrix.translate(new Vec(-width,           0,    0)),
 110
 111         };
 112
 113         //
 114
 115
 116
 117         Point ltf = new Point(lshift,  (depth/2),  (height/2));
 118         Point mtf = new Point( 0.0,    (depth/2),  (height/2));
 119         Point rtf = new Point(rshift,  (depth/2),  (height/2));
 120         Point lbf = new Point(lshift, -(depth/2),  (height/2));
 121         Point mbf = new Point( 0.0,   -(depth/2),  (height/2));
 122         Point rbf = new Point(rshift, -(depth/2),  (height/2));
 123
 124         Point ltc = new Point(lshift,  (depth/2), 0);
 125         Point mtc = new Point( 0.0,    (depth/2), 0);
 126         Point rtc = new Point(rshift,  (depth/2), 0);
 127         Point lbc = new Point(lshift, -(depth/2), 0);
 128         Point mbc = new Point( 0.0,   -(depth/2), 0);
 129         Point rbc = new Point(rshift, -(depth/2), 0);
 130
 131         Point ltn = new Point(lshift,  (depth/2), -(height/2));
 132         Point mtn = new Point( 0.0,    (depth/2), -(height/2));
 133         Point rtn = new Point(rshift,  (depth/2), -(height/2));
 134         Point lbn = new Point(lshift, -(depth/2), -(height/2));
 135         Point mbn = new Point( 0.0,   -(depth/2), -(height/2));
 136         Point rbn = new Point(rshift, -(depth/2), -(height/2));
 137
 138
 139         Point[] points = new Point[] {
 140             ltf,
 141             mtf,
 142             rtf,
 143             lbf,
 144             mbf,
 145             rbf,
 146
 147             ltc,
 148             mtc,
 149             rtc,
 150             lbc,
 151             mbc,
 152             rbc,
 153
 154             ltn,
 155             mtn,
 156             rtn,
 157             lbn,
 158             mbn,
 159             rbn
 160         };
 161
 162
 163         // top
 164         tile.newT(ltf, mtf, mtc, null, 1);
 165         tile.newT(mtc, ltc, ltf, null, 1);
 166         tile.newT(mtf, rtf, rtc, null, 1);
 167         tile.newT(rtc, mtc, mtf, null, 1);
 168
 169         tile.newT(ltc, mtc, mtn, null, 1);
 170         tile.newT(mtn, ltn, ltc, null, 1);
 171         tile.newT(mtc, rtc, rtn, null, 1);
 172         tile.newT(rtn, mtn, mtc, null, 1);
 173
 174         // bottom (swap normals)
 175         tile.newT(mbf, lbf, mbc, null, 2);
 176         tile.newT(lbc, mbc, lbf, null, 2);
 177         tile.newT(rbf, mbf, rbc, null, 2);
 178         tile.newT(mbc, rbc, mbf, null, 2);
 179
 180         tile.newT(mbc, lbc, mbn, null, 2);
 181         tile.newT(lbn, mbn, lbc, null, 2);
 182
 183         tile.newT(rbc, mbc, rbn, null, 2);
 184         tile.newT(mbn, rbn, mbc, null, 2);
 185
 186
 187         // left
 188         tile.newT(ltf, ltc, lbc, null, 3);
 189         tile.newT(lbc, lbf, ltf, null, 3);
 190         tile.newT(ltc, ltn, lbn, null, 3);
 191         tile.newT(lbn, lbc, ltc, null, 3);
 192
 193         // right (swap normals)
 194         tile.newT(rtc, rtf, rbc, null, 4);
 195         tile.newT(rbf, rbc, rtf, null, 4);
 196         tile.newT(rtn, rtc, rbn, null, 4);
 197         tile.newT(rbc, rbn, rtc, null, 4);
 198
 199         // front
 200         tile.newT(ltn, mtn, mbn, null, 5);
 201         tile.newT(ltn, mbn, lbn, null, 5);
 202         tile.newT(mtn, rtn, rbn, null, 5);
 203         tile.newT(mtn, rbn, mbn, null, 5);
 204
 205         // back
 206         tile.newT(mtf, ltf, mbf, null, 6);
 207         tile.newT(mbf, ltf, lbf, null, 6);
 208         tile.newT(rtf, mtf, rbf, null, 6);
 209         tile.newT(rbf, mtf, mbf, null, 6);
 210
 211         for(Matrix m : translations) {
 212             for(Mesh.T t1 : tile) {
 213                 for(Mesh.T t2 : tile) {
 214                     if (t1==t2) continue;
 215
 216                     if ((t1.v1().p.times(m).minus(t2.v1().p).mag() < Mesh.EPSILON) &&
 217                         (t1.v2().p.times(m).minus(t2.v3().p).mag() < Mesh.EPSILON) &&
 218                         (t1.v3().p.times(m).minus(t2.v2().p).mag() < Mesh.EPSILON)) {
 219                         t1.e1().bindEdge(t2.e3());
 220                         t1.e2().bindEdge(t2.e2());
 221                         t1.e3().bindEdge(t2.e1());
 222                     }
 223                     if ((t1.v2().p.times(m).minus(t2.v1().p).mag() < Mesh.EPSILON) &&
 224                         (t1.v3().p.times(m).minus(t2.v3().p).mag() < Mesh.EPSILON) &&
 225                         (t1.v1().p.times(m).minus(t2.v2().p).mag() < Mesh.EPSILON)) {
 226                         t1.e2().bindEdge(t2.e3());
 227                         t1.e3().bindEdge(t2.e2());
 228                         t1.e1().bindEdge(t2.e1());
 229                     }
 230                     if ((t1.v3().p.times(m).minus(t2.v1().p).mag() < Mesh.EPSILON) &&
 231                         (t1.v1().p.times(m).minus(t2.v3().p).mag() < Mesh.EPSILON) &&
 232                         (t1.v2().p.times(m).minus(t2.v2().p).mag() < Mesh.EPSILON)) {
 233                         t1.e3().bindEdge(t2.e3());
 234                         t1.e1().bindEdge(t2.e2());
 235                         t1.e2().bindEdge(t2.e1());
 236                     }
 237
 238                 }
 239             }
 240         }
 241
 242         //xMesh.Vert mid = lbf.getE(mbn).shatter();
 243
 244         // rescale to match volume
 245         float factor = (float)Math.pow(tile.volume() / goal.volume(), 1.0/3.0);
 246         goal.transform(Matrix.scale(factor));
 247
 248         // translate to match centroid
 249         goal.transform(Matrix.translate(tile.centroid().minus(goal.centroid())));
 250
 251         //tx.e2.shatter();
 252         //tx.e3.shatter();
 253
 254
 255         tile.rebindPoints();
 256
 257         //mid.move(new Vec((float)0,0,(float)-0.05));
 258         //ltn.move(new Vec((float)0,0,(float)-0.05));
 259
 260         //mtf.move(new Vec(0, (float)-0.05, (float)0.05));
 261
 262
 263         System.out.println("tile volume: " + tile.volume());
 264         System.out.println("goal volume: " + goal.volume());
 265
 266         tile.score_against = goal;
 267         goal.score_against = tile;
 268         tile.tilemesh = true;
 269     }
 270
 271     public synchronized void breakit() {
 272         int oldverts = verts;
 273         System.out.println("doubling vertices.");
 274         PriorityQueue<Mesh.E> es = new PriorityQueue<Mesh.E>();
 275         for(Mesh.E e : tile.edges()) es.add(e);
 276         for(int i=0; i<oldverts; i++) {
 277             Mesh.E e = es.poll();
 278             verts++;
 279             //System.out.println("shatter " + e);
 280             e.shatter();
 281         }
 282         tile.rebindPoints();
 283     }
 284
 285     public synchronized void rand(float temp, Mesh.Vert p) {
 286
 287         //p.reComputeError();
 288         p.reComputeErrorAround();
 289         double tile_score = tile.score();
 290         double goal_score = goal.score();
 291
 292         Vec v;
 293         /*
 294         Matrix inv = p.errorQuadric();
 295         v = new Vec(inv.d, inv.h, inv.l).norm().times(1/(float)300);
 296         if (p.quadric_count == 0) {
 297             v = goal.nearest(p.p).p.minus(p.p).norm().times(1/(float)300);
 298         }
 299         */
 300         Vec v2 = new Vec((random.nextFloat() - (float)0.5) / 500,
 301                         (random.nextFloat() - (float)0.5)  / 500,
 302                         (random.nextFloat() - (float)0.5)  / 500);
 303         //v = v.plus(v2.norm().times(1/(float)300));
 304         v = v2.norm().times(1/(float)300);
 305
 306         boolean good = p.move(v);
 307
 308         p.reComputeErrorAround();
 309
 310         double new_tile_score = tile.score();
 311         double new_goal_score = goal.score();
 312         double tile_delta = (new_tile_score - tile_score) / tile_score;
 313         double goal_delta = (new_goal_score - goal_score) / goal_score;
 314         double delta = tile_delta + goal_delta;
 315         double swapProbability = Math.exp((-1 * delta) / temp);
 316         boolean doSwap = good && (Math.random() < swapProbability);
 317         //boolean doSwap = good && (tile_delta <= 0 && goal_delta <= 0);
 318         //boolean doSwap = good && (tile_delta + goal_delta <= 0);
 319         if (doSwap) {
 320             tile_score = new_tile_score;
 321             goal_score = new_goal_score;
 322             //System.out.println("score: " + tile_score + " / " + goal_score);
 323             hits++;
 324         } else {
 325             p.move(v.times(-1));
 326             misses++;
 327         }
 328     }
 329
 330     float hits = 0;
 331     float misses = 0;
 332     public void anneal() throws Exception {
 333         float hightemp = 10;
 334         float temp = hightemp;
 335         float last = 10;
 336         while(true) {
 337             synchronized(this) {
 338             double ratio = (hits+misses==0) ? 1 : (hits / (hits+misses));
 339             hits = 0;
 340             misses = 0;
 341             float gamma = 0;
 342             double acceptance = ratio;
 343             accepts = (int)(Math.ceil(ratio*100));
 344             temps = (int)(Math.ceil(temp*1000));
 345             vertss = tile.size();
 346             if (breaks > 0) { while (breaks>0) {
 347                 breaks--;
 348                     breakit();
 349                     //gamma = 1;
 350                     gamma = 1;
 351                     //temp = last * 0.8f;
 352                     //last = temp;
 353                     //temp = hightemp;
 354                 } } else
 355             if (acceptance > 0.96) gamma = 0.4f;
 356             else if (acceptance > 0.9) gamma = 0.5f;
 357             else if (acceptance > 0.8) gamma = 0.65f;
 358             else if (acceptance > 0.6) gamma = 0.7f;
 359             else {
 360                 if (acceptance > 0.3) {
 361                     gamma = 0.9f;
 362                 } else if (acceptance > 0.15) {
 363                     gamma = 0.95f;
 364                 } else if (acceptance > 0.10) {
 365                     gamma = 0.98f;
 366                 } else {
 367                     breakit();
 368                     //gamma = 1;
 369                     gamma = 0.99f;
 370                     //gamma = 1;
 371                     //temp = last * 0.8f;
 372                     //last = temp;
 373                     //temp = hightemp;
 374                 }
 375             }
 376             temp = temp * gamma;
 377
 378
 379             HashSet<Mesh.Vert> hs = new HashSet<Mesh.Vert>();
 380             for(Mesh.Vert p : tile.vertices()) hs.add(p);
 381             Mesh.Vert[] pts = (Mesh.Vert[])hs.toArray(new Mesh.Vert[0]);
 382
 383             int count = 0;
 384             long then = System.currentTimeMillis();
 385             for(int i=0; i<100; i++) {
 386                 if (anneal) {
 387                     count++;
 388                     Mesh.Vert v = pts[Math.abs(random.nextInt()) % pts.length];
 389                     rand(temp,v);
 390                 }
 391                 Thread.yield();
 392                 repaint();
 393             }
 394             System.out.println("temp="+temp + " ratio="+(Math.ceil(ratio*100)) + " " +
 395                                "points_per_second=" +
 396                                (count*1000)/((double)(System.currentTimeMillis()-then)));
 397             tile.rebuild();
 398             repaint();
 399             //breakit();
 400             repaint();
 401             goal.unApplyQuadricToNeighborAll();
 402             repaint();
 403             tile.recomputeAllFundamentalQuadrics();
 404             repaint();
 405             goal.applyQuadricToNeighborAll();
 406             }
 407        }
 408     }
 409
 410     public static void main(String[] s) throws Exception {
 411         StlFile stlf = new StlFile();
 412         stlf.load("fish.stl");
 413         //stlf.load("monkey.stl");
 414         Frame f = new Frame();
 415         Main main = new Main(stlf, f);
 416         f.pack();
 417         f.show();
 418         f.setSize(900, 900);
 419         f.doLayout();
 420         main.anneal();
 421     }
 422
 423 }