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