src/edu/berkeley/qfat/Mesh.java

   1 package edu.berkeley.qfat;
   2 import java.awt.*;
   3 import java.util.*;
   4 import java.awt.event.*;
   5 import javax.swing.*;
   6 import javax.media.opengl.*;
   7 import javax.media.opengl.glu.*;
   8 import edu.berkeley.qfat.geom.*;
   9 import edu.wlu.cs.levy.CG.KDTree;
  10 import edu.berkeley.qfat.geom.Point;
  11 import com.infomatiq.jsi.IntProcedure;
  12
  13 public class Mesh implements Iterable<Mesh.T> {
  14
  15     public static final float EPSILON = (float)0.0001;
  16     public static final Random random = new Random();
  17
  18     private RTree<T>         triangles = new RTree<T>();
  19     private PointSet<Vertex> vertices  = new PointSet<Vertex>();
  20
  21     public boolean immutableVertices;
  22     public boolean ignorecollision    = false;
  23     public Mesh    error_against      = null;
  24     public double  error              = 0;
  25
  26     public Mesh(boolean immutableVertices) { this.immutableVertices = immutableVertices; }
  27
  28     public void makeVerticesImmutable() { this.immutableVertices = true; }
  29     public float error() { return (float)error; }
  30
  31     public int size() { return vertices.size(); }
  32     public Iterable<Vertex> vertices() { return vertices; }
  33     public Iterator<T> iterator() { return triangles.iterator(); }
  34
  35     public void rebindPoints() {
  36         // unbind all points
  37         for(Mesh.T t : this) {
  38             t.v1().unbind();
  39             t.v2().unbind();
  40             t.v3().unbind();
  41         }
  42         // ask edges to re-implement their bindings
  43         for(Mesh.T t : this) {
  44             t.e1().dobind();
  45             t.e2().dobind();
  46             t.e3().dobind();
  47         }
  48     }
  49
  50     public void transform(Matrix m) {
  51         ArrayList<Vertex> set = new ArrayList<Vertex>();
  52         for(Vertex v : vertices) set.add(v);
  53         for(Vertex v : set) v.transform(m);
  54     }
  55
  56     public void rebuild() { /*vertices.rebuild();*/ }
  57     public Vec diagonal() { return vertices.diagonal(); }
  58     public Point centroid() { return vertices.centroid(); }
  59     public Vertex nearest(Point p) { return vertices.nearest(p); }
  60
  61     /** compute the volume of the mesh */
  62     public float volume() {
  63         double total = 0;
  64         for(T t : this) {
  65             double area = t.area();
  66             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
  67             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
  68             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
  69             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
  70         }
  71         return (float)total;
  72     }
  73
  74
  75     // Vertexices //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  76
  77     /** a vertex in the mesh */
  78     public final class Vertex extends HasQuadric implements Visitor {
  79         public Point p;
  80         E e;                // some edge *leaving* this point
  81
  82         Matrix binding = Matrix.ONE;
  83         Vertex bound_to = this;
  84         private boolean good;
  85
  86         public Point getPoint() { return p; }
  87         public float error() { return olderror; }
  88
  89         private Vertex(Point p) {
  90             this.p = p;
  91             if (vertices.get(p) != null) throw new Error();
  92             vertices.add(this);
  93         }
  94
  95         public float olderror = 0;
  96         public void setError(float nerror) {
  97             error -= olderror;
  98             olderror = nerror;
  99             error += olderror;
 100         }
 101
 102         public Matrix _recomputeFundamentalQuadric() {
 103             Matrix m = Matrix.ZERO;
 104             int count = 0;
 105             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 106                 m = m.plus(e.t.norm().fundamentalQuadric(e.t.centroid()));
 107                 count++;
 108             }
 109             return m.times(1/(float)count);
 110         }
 111
 112         public HasQuadric nearest() {
 113             if (error_against==null) return null;
 114             return error_against.vertices.nearest(p, this);
 115         }
 116
 117         public void computeError() {
 118             float nerror =
 119                 quadric_count != 0
 120                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100) / quadric_count
 121                 : nearest_in_other_mesh != null
 122                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 123                 : error_against != null
 124                 ? nearest().fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 125                 : 0;
 126             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 127                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
 128                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
 129                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
 130                 if (ang > minangle) nerror += (ang - minangle);
 131             }
 132             setError(nerror);
 133         }
 134
 135         private void removeTrianglesFromRTree() {
 136             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 137                 if (e.t != null) e.t.removeFromRTree();
 138         }
 139         private void addTrianglesToRTree() {
 140             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 141                 if (e.t != null) e.t.addToRTree();
 142         }
 143
 144         /** does NOT update bound pairs! */
 145         public boolean transform(Matrix m) {
 146             if (immutableVertices) throw new Error();
 147
 148             unApplyQuadricToNeighbor();
 149             Point oldp = this.p;
 150
 151             if (vertices.get(this.p)==null) throw new Error();
 152             vertices.remove(this);
 153             removeTrianglesFromRTree();
 154             float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
 155             float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
 156             float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
 157             this.p = new Point(newx, newy, newz);
 158             addTrianglesToRTree();
 159             vertices.add(this);
 160
 161             applyQuadricToNeighbor();
 162
 163             good = true;
 164
 165             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 166                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) || Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) good = false;
 167                 if (e.t.aspect() < 0.1) good = false;
 168                 e.p2.quadricStale = true;
 169             }
 170
 171             if (!ignorecollision && good) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
 172
 173             return good;
 174         }
 175
 176         public void reComputeErrorAround() {
 177             reComputeError();
 178             if (nearest_in_other_mesh != null) nearest_in_other_mesh.reComputeError();
 179             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 180                 e.p2.reComputeError();
 181         }
 182
 183         public boolean visit(Object o) {
 184             if (o instanceof T) {
 185                 T t = (T)o;
 186                 if (!good) return false;
 187                 for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
 188                     if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { good = false; }
 189                     if (e.t != null) {
 190                         if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { good = false; }
 191                         if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { good = false; }
 192                         if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { good = false; }
 193                     }
 194                 }
 195                 return good;
 196             } else {
 197                 Vertex v = (Vertex)o;
 198                 if (v.e==null || v.norm().dot(Vertex.this.norm()) < 0)
 199                     return false;
 200                 return true;
 201             }
 202         }
 203
 204         public boolean move(Vec v) {
 205             Matrix m = Matrix.translate(v);
 206
 207             boolean good = true;
 208             for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
 209                 good &= p.transform(m);
 210
 211             if (good) {
 212                 for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
 213                     p.reComputeErrorAround();
 214             } else {
 215                 for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
 216                     p.transform(Matrix.translate(v.times(-1)));
 217             }
 218             return good;
 219         }
 220
 221         public E getFreeIncident() {
 222             E ret = getFreeIncident(e, e);
 223             if (ret != null) return ret;
 224             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 225                 System.out.println(e + " " + e.t);
 226             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
 227         }
 228
 229         public E getFreeIncident(E start, E before) {
 230             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
 231                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
 232                     return e.pair;
 233             return null;
 234         }
 235
 236         public E getE(Point p2) {
 237             Vertex v = vertices.get(p2);
 238             if (v==null) return null;
 239             return getE(v);
 240         }
 241         public E getE(Vertex p2) {
 242             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 243                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 244             return null;
 245         }
 246
 247         private void glNormal(GL gl) {
 248             Vec norm = norm();
 249             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
 250         }
 251         public Vec norm() {
 252             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
 253             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 254                 if (e.t != null)
 255                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 256             return norm.norm();
 257         }
 258
 259         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
 260             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
 261                 if (px==this)
 262                     return true;
 263             return false;
 264         }
 265
 266         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
 267         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
 268         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
 269             if (isBoundTo(p)) return;
 270             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
 271             Matrix temp_binding = p.binding;
 272             p.bound_to = this.bound_to;
 273             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 274             this.bound_to = temp_bound_to;
 275             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 276         }
 277     }
 278
 279     public class BindingGroup {
 280         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
 281         public BindingGroup bind_others;
 282         public BindingGroup other() { return bind_others; }
 283         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
 284         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
 285         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
 286         public void add(E e) {
 287             if (set.contains(e)) return;
 288             set.add(e);
 289             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
 290             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
 291             e.bind_peers = this;
 292             e.bind_to    = bind_others;
 293             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
 294             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
 295
 296             for(E eother : bind_others.set) {
 297                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
 298                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
 299                 }
 300                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
 301                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
 302                 }
 303             }
 304
 305         }
 306         public void dobind(E e) {
 307             for(E ebound : set) {
 308                 e.p1.bind(ebound.p2);
 309                 e.p2.bind(ebound.p1);
 310             }
 311         }
 312         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 313             for(E e : set) {
 314                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
 315             }
 316         }
 317     }
 318
 319     /** [UNIQUE] an edge */
 320     public final class E implements Comparable<E> {
 321
 322         public final Vertex p1, p2;
 323         T t;     // triangle to our "left"
 324         E prev;  // previous half-edge
 325         E next;  // next half-edge
 326         E pair;  // partner half-edge
 327         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
 328         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
 329         boolean shattered = false;
 330
 331         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
 332         public float comparator() {
 333             Vertex nearest = error_against.nearest(midpoint());
 334             return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
 335         }
 336         public int compareTo(E e) {
 337             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
 338         }
 339         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
 340         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
 341
 342         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
 343         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 344             if (shattered || destroyed) return mid;
 345             shattered = true;
 346
 347             Vertex r = next.p2;
 348             E next = this.next;
 349             E prev = this.prev;
 350
 351             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
 352             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
 353             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
 354             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
 355             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
 356             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
 357             pair.shatter();
 358             destroy();
 359
 360             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
 361             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
 362             bg1.add(p1.getE(mid));
 363             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
 364             return mid;
 365         }
 366
 367         public boolean destroyed = false;
 368         public void destroy() {
 369             if (destroyed) return;
 370             destroyed = true;
 371             pair.destroyed = true;
 372
 373             if (t != null) t.destroy();
 374             t = null;
 375
 376             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
 377             pair.t = null;
 378
 379             if (next.t != null) next.t.destroy();
 380             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
 381             next.t = null;
 382             prev.t = null;
 383
 384             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
 385             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
 386             pair.next.t = null;
 387             pair.prev.t = null;
 388
 389             this.bind_to = null;
 390             pair.bind_to = null;
 391             this.bind_peers = null;
 392             pair.bind_peers = null;
 393             pair.prev.next = next;
 394             next.prev = pair.prev;
 395             prev.next = pair.next;
 396             pair.next = prev;
 397             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
 398             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
 399         }
 400
 401         private void sync() {
 402             this.prev.next = this;
 403             this.next.prev = this;
 404             this.pair.pair = this;
 405             bind_peers.add(this);
 406             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 407             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 408             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 409             if (!added) added = true;
 410         }
 411         private boolean added = false;
 412
 413         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
 414
 415         public double crossAngle() {
 416             Vec v1 = t.norm().times(-1);
 417             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
 418             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 419         }
 420
 421         /** angle between this half-edge and the next */
 422         public double angle() {
 423             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
 424             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
 425             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 426         }
 427
 428         public void makeAdjacent(E e) {
 429             if (this.next == e) return;
 430             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 431             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 432
 433             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 434
 435             e.prev.next = freeIncident.next;
 436             freeIncident.next.prev = e.prev;
 437
 438             freeIncident.next = this.next;
 439             this.next.prev = freeIncident;
 440
 441             this.next = e;
 442             e.prev = this;
 443
 444             sync();
 445             freeIncident.sync();
 446         }
 447
 448         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 449         public E(Point p1, Point p2) {
 450             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
 451             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
 452             this.p1 = new Vertex(p1);
 453             this.p2 = new Vertex(p2);
 454             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 455             this.p1.e = this;
 456             this.p2.e = this.pair;
 457             sync();
 458         }
 459
 460         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 461         public E(E prev, Point p) {
 462             Vertex p2;
 463             p2 = vertices.get(p);
 464             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
 465             this.p1 = prev.p2;
 466             this.p2 = p2;
 467             this.prev = prev;
 468             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 469             if (p2.e==null) {
 470                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 471             } else {
 472                 E q = p2.getFreeIncident();
 473                 this.next = q.next;
 474                 this.next.prev = this;
 475                 E z = prev.next;
 476                 this.prev.next = this;
 477                 this.pair = new E(q, this, z);
 478             }
 479             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
 480             sync();
 481         }
 482
 483         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 484         public E(E prev, E pair, E next) {
 485             this.p1 = prev.p2;
 486             this.p2 = next.p1;
 487             this.prev = prev;
 488             this.next = next;
 489             this.pair = pair;
 490             sync();
 491         }
 492         public Point midpoint() { return new Point((p1.p.x+p2.p.x)/2, (p1.p.y+p2.p.y)/2, (p1.p.z+p2.p.z)/2); }
 493         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
 494         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
 495         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 496
 497     }
 498
 499     public E makeE(Point p1, Point p2) {
 500         Vertex v1 = vertices.get(p1);
 501         Vertex v2 = vertices.get(p2);
 502         if (v1 != null && v2 != null) {
 503             E e = v1.getE(v2);
 504             if (e != null) return e;
 505             e = v2.getE(v1);
 506             if (e != null) return e;
 507         }
 508         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
 509         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
 510         return new E(p1, p2);
 511     }
 512     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
 513         if (norm != null) {
 514             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
 515             float dot = norm.dot(norm2);
 516             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
 517             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
 518         }
 519         E e12 = makeE(p1, p2);
 520         E e23 = makeE(p2, p3);
 521         E e31 = makeE(p3, p1);
 522         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
 523             e12.makeAdjacent(e23);
 524             e23.makeAdjacent(e31);
 525             e31.makeAdjacent(e12);
 526         }
 527         T ret = e12.makeT(colorclass);
 528         if (e12.t == null) throw new Error();
 529         if (e23.t == null) throw new Error();
 530         if (e31.t == null) throw new Error();
 531         return ret;
 532     }
 533
 534
 535     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 536     public final class T extends Triangle {
 537         public final E e1;
 538         public final int color;
 539         public final int colorclass;
 540
 541         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
 542         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
 543
 544         public void destroy() { triangles.remove(this); }
 545
 546         T(E e1, int colorclass) {
 547             this.e1 = e1;
 548             E e2 = e1.next;
 549             E e3 = e2.next;
 550             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
 551             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 552             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 553             e1.t = this;
 554             e1.next.t = this;
 555             e1.next.next.t = this;
 556
 557             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 558
 559             int color = Math.abs(random.nextInt());
 560             while(true) {
 561                 color = color % 4;
 562                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 563                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 564                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 565                 break;
 566             }
 567             this.color = color;
 568             this.colorclass = colorclass;
 569             triangles.add(this);
 570         }
 571         public E e1() { return e1; }
 572         public E e2() { return e1.next; }
 573         public E e3() { return e1.prev; }
 574         public Vertex v1() { return e1.p1; }
 575         public Vertex v2() { return e1.p2; }
 576         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
 577         public Point p1() { return e1.p1.p; }
 578         public Point p2() { return e1.p2.p; }
 579         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
 580         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 581         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
 582
 583         public boolean shouldBeDrawn() {
 584             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
 585             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
 586             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
 587             return true;
 588         }
 589
 590     }
 591 }