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
  12 public class Mesh implements Iterable<Mesh.T> {
  13
  14     public static float EPSILON = (float)0.0001;
  15     public static Random random = new Random();
  16
  17     private PointSet<Vert> pointset = new PointSet<Vert>();
  18     public Vert nearest(Point p) { return pointset.nearest(p); }
  19
  20     public Iterable<E> edges() {
  21         return
  22             new Iterable<E>() {
  23             public Iterator<E> iterator() {
  24                 // HACK
  25                 HashSet<E> hse = new HashSet<E>();
  26                 for(T t : Mesh.this) {
  27                     hse.add(t.e1());
  28                     hse.add(t.e2());
  29                     hse.add(t.e3());
  30                     hse.add(t.e1().pair);
  31                     hse.add(t.e2().pair);
  32                     hse.add(t.e3().pair);
  33                 }
  34                 return hse.iterator();
  35             } };
  36     }
  37
  38     public Iterator<T> iterator() {
  39         for(Vert v : pointset)
  40             if (v.e != null && v.e.t != null)
  41                 return new FaceIterator(v);
  42         return new FaceIterator();
  43     }
  44
  45     public Point origin() { return new Point(0, 0, 0); }
  46
  47     public Mesh score_against = null;
  48     public double score = 0;
  49     public float score() { return (float)score; }
  50
  51     public int numedges = 0;
  52     public float avgedge = 0;
  53
  54     public void unbind() {
  55         for(Mesh.T t : this) {
  56             t.v1().unbind();
  57             t.v2().unbind();
  58             t.v3().unbind();
  59         }
  60     }
  61
  62     public void bind() {
  63         for(Mesh.T t : this) {
  64             t.e1().dobind();
  65             t.e2().dobind();
  66             t.e3().dobind();
  67         }
  68     }
  69
  70     public float rescore() {
  71         int num = 0;
  72         double dist = 0;
  73         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
  74         for(T t : this)
  75             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
  76                 if (done.contains(p)) continue;
  77                 done.add(p);
  78                 p.rescore();
  79             }
  80         /*
  81         for(T t : this)
  82             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
  83                 p.kdremove();
  84         pointset.clear();
  85         for(T t : this)
  86             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
  87                 p.kdinsert();
  88         */
  89         return (float)(dist/num);
  90     }
  91
  92     public void transform(Matrix m) {
  93         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
  94         for (Vert v : pointset)
  95             set.add(v);
  96         for(Vert v : set) v.transform(m);
  97     }
  98
  99     public Vec diagonal() { return pointset.diagonal(); }
 100     public Point centroid() { return pointset.centroid(); }
 101
 102     public float volume() {
 103         double total = 0;
 104         for(T t : this) {
 105             double area = t.area();
 106             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
 107             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
 108             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
 109             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
 110         }
 111         return (float)total;
 112     }
 113
 114
 115     public class BindingGroup {
 116         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
 117         public BindingGroup() { }
 118         public BindingGroup(E e) {
 119             es.add(e);
 120         }
 121         public void add(E e) {
 122             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
 123             es.add(e);
 124             e.bg = this;
 125         }
 126         public void merge(BindingGroup bg) {
 127             for(E e : bg.es) {
 128                 e.bg = null;
 129                 add(e);
 130             }
 131         }
 132     }
 133
 134     public Vert register(Point p) { Vert v = pointset.get(p); return v==null ? new Vert(p) : v; }
 135     public final class Vert extends HasPoint {
 136         public Point p;
 137         public Point getPoint() { return p; }
 138         private Vert(Point p) {
 139             this.p = p;
 140             if (pointset.get(p) != null) throw new Error();
 141             pointset.add(this);
 142         }
 143         public void reinsert() {
 144             pointset.remove(this);
 145             pointset.add(this);
 146         }
 147         public void kdremove() {
 148             if (!inserted) return;
 149             inserted = false;
 150             pointset.remove(this);
 151         }
 152         public void kdinsert() {
 153             if (inserted) return;
 154             inserted = true;
 155             pointset.add(this);
 156         }
 157
 158         public float score() { return oldscore; }
 159         public void unscore() {
 160             if (watch == null) return;
 161             watch.watch_x -= p.x;
 162             watch.watch_y -= p.y;
 163             watch.watch_z -= p.z;
 164             watch.watch_count--;
 165             if (watch.watch_count==0) {
 166                 watch.watch_x = 0;
 167                 watch.watch_y = 0;
 168                 watch.watch_z = 0;
 169             }
 170             watch = null;
 171         }
 172         public Vert partner() { return watch==null ? this : watch; }
 173         public Vert watchback() { return watch_count==0 ? partner() :
 174                 register(new Point(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count)); }
 175         public void rescore() {
 176             if (score_against == null) return;
 177
 178             score -= oldscore;
 179             oldscore = 0;
 180
 181             if (watch != null) unscore();
 182             Vert po = this;
 183             if (watch == null) {
 184                 watch = score_against.nearest(po.p);
 185
 186                 // don't attract to vertices that face the other way
 187                 if (watch.e == null || watch.norm().dot(norm()) < 0) {
 188                     watch = null;
 189                 } else {
 190                     watch.watch_x += po.p.x;
 191                     watch.watch_y += po.p.y;
 192                     watch.watch_z += po.p.z;
 193                     watch.watch_count++;
 194                 }
 195             }
 196
 197             double s1, s2;
 198             if (watch_count==0) s1 = 0;
 199             else                s1 = p.distance(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count);
 200             s2 = watch==null ? 0 : po.p.distance(watch.p);
 201             oldscore = (float)(s1 + s2);
 202             score += oldscore;
 203         }
 204
 205         /** does NOT update bound pairs! */
 206         public boolean transform(Matrix m) {
 207             // FIXME: screws up kdtree
 208             // FIXME: screws up hashmap
 209             unscore();
 210             try {
 211                 if (pointset.get(this.p)==null) throw new Error();
 212                 pointset.remove(this);
 213                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
 214                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
 215                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
 216                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
 217                 // FIXME: what if we move onto exactly where another point is?
 218                 pointset.add(this);
 219             } catch (Exception e) {
 220                 throw new RuntimeException(e);
 221             }
 222             rescore();
 223             boolean good = true;
 224             /*
 225             for(T t : this) {
 226                 for(E e = this.e; ;) {
 227                     if (e.intersects(t)) { good = false; break; }
 228                     e = e.pair.next;
 229                     if (e == this.e) break;
 230                 }
 231             }
 232             */
 233             /*
 234                 if (t==this.t) continue;
 235                 if (this.intersects(t)) good = false;
 236             }
 237             */
 238             return good;
 239         }
 240         public boolean move(Vec v) {
 241             Matrix m = new Matrix(v);
 242             Vert p = this;
 243             boolean good = true;
 244             do {
 245                 good &= p.transform(m);
 246                 v = v.times(binding); // bleh wrong
 247                 p = p.bound_to;
 248             } while (p != this);
 249             return good;
 250         }
 251
 252         public E makeE(Vert p2) {
 253             E e = getE(p2);
 254             if (e != null) return e;
 255             e = p2.getE(this);
 256             if (this.e == null && p2.e == null) return this.e = new E(this, p2);
 257             if (this.e == null && p2.e != null) return p2.makeE(this).pair;
 258             return new E(getFreeIncident(), p2);
 259         }
 260
 261         public E getFreeIncident() {
 262             E ret = getFreeIncident(e, e);
 263             if (ret != null) return ret;
 264             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
 265             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
 266             return ret;
 267         }
 268
 269         public E getFreeIncident(E start, E before) {
 270             E e = start;
 271             do {
 272                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
 273                 e = e.pair.next;
 274             } while(e != before);
 275             return null;
 276         }
 277
 278         public E getE(Vert p2) {
 279             E e = this.e;
 280             do {
 281                 if (e==null) return null;
 282                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 283                 e = e.pair.next;
 284             } while (e!=this.e);
 285             return null;
 286         }
 287
 288         public boolean isBoundTo(Vert p) {
 289             Vert px = p;
 290             do {
 291                 if (px==this) return true;
 292                 px = px.bound_to;
 293             } while(px != p);
 294             return false;
 295         }
 296
 297         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
 298         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
 299         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
 300             if (isBoundTo(p)) return;
 301             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
 302             Matrix temp_binding = p.binding;
 303             p.bound_to = this.bound_to;
 304             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 305             this.bound_to = temp_bound_to;
 306             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 307         }
 308         public Vec norm() {
 309             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
 310             E e = this.e;
 311             do {
 312                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 313                 e = e.pair.next;
 314             } while(e != this.e);
 315             return norm.norm();
 316         }
 317
 318         Vert bound_to = this;
 319         int watch_count;
 320         float watch_x;
 321         float watch_y;
 322         float watch_z;
 323         Vert watch;
 324         E e;                // some edge *leaving* this point
 325         Matrix binding = new Matrix();
 326         float oldscore = 0;
 327         boolean inserted = false;
 328     }
 329
 330     /** [UNIQUE] an edge */
 331     public final class E implements Comparable<E> {
 332
 333         public boolean intersects(T t) {
 334             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
 335             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
 336             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
 337             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
 338             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
 339             double J0, J1, J2;
 340             double K0, K1, K2;
 341             double i0, i1, i2;
 342             double a0, a1, a2;
 343             double b0, b1, b2;
 344             double c0, c1, c2;
 345             double in_det;
 346             double R00, R01, R02, R03,
 347                 R10, R11, R12, R13,
 348                 R20, R21, R22, R23,
 349                 R30, R31, R32, R33;
 350
 351
 352             /* a = B - A */
 353             a0 = B0 - A0;
 354             a1 = B1 - A1;
 355             a2 = B2 - A2;
 356             /* b = C - B */
 357             b0 = C0 - A0;
 358             b1 = C1 - A1;
 359             b2 = C2 - A2;
 360             /* c = a &times; b */
 361             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
 362             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
 363             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
 364
 365             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
 366             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
 367             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
 368             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
 369             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
 370             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
 371             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
 372             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
 373             R20 = (c0) * in_det;
 374             R21 = (c1) * in_det;
 375             R22 = (c2) * in_det;
 376
 377             /* O = M^(-1) * A */
 378             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
 379             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
 380             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
 381
 382             /* fill in last row of 4x4 matrix */
 383             R30 = R31 = R32 = 0;
 384             R33 = 1;
 385
 386             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
 387             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
 388             if (J2 * K2 >= 0) return false;
 389
 390             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
 391             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
 392             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
 393             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
 394
 395             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
 396             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
 397             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
 398             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
 399
 400             return true;
 401         }
 402
 403         public int compareTo(E e) {
 404             return e.length() > length() ? 1 : -1;
 405         }
 406
 407         public final Vert p1, p2;
 408         T t;     // triangle to our "left"
 409         E prev;  // previous half-edge
 410         E next;  // next half-edge
 411         E pair;  // partner half-edge
 412
 413
 414         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
 415
 416         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
 417         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
 418
 419         public void dobind() {
 420             if (bg==null) return;
 421             for(E ex : bg.es) {
 422                 if (ex==this) continue;
 423                 p1.bind(ex.p1);
 424                 p2.bind(ex.p2);
 425             }
 426         }
 427
 428         boolean shattered = false;
 429         public Vert shatter() { return shatter(register(midpoint()), null, null); }
 430         public Vert shatter(Vert mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 431             if (shattered) return mid;
 432             shattered = true;
 433
 434             Vert r = next.p2;
 435             E next = this.next;
 436             E prev = this.prev;
 437
 438             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
 439             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
 440             for(E e : bg.es) e.shatter(register(e.midpoint()), bg1, bg2);
 441             pair.shatter();
 442             destroy();
 443
 444             newT(r, p1, mid, null);
 445             newT(r, mid, p2, null);
 446             bg1.add(p1.getE(mid));
 447             bg2.add(mid.getE(p2));
 448             return mid;
 449         }
 450
 451         public boolean destroyed = false;
 452         public void destroy() {
 453             if (destroyed) return;
 454             destroyed = true;
 455             pair.destroyed = true;
 456             if (next.t != null) next.t.destroy();
 457             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
 458             next.t = null;
 459             prev.t = null;
 460             pair.next.t = null;
 461             pair.prev.t = null;
 462             this.bg = null;
 463             pair.bg = null;
 464             pair.prev.next = next;
 465             next.prev = pair.prev;
 466             prev.next = pair.next;
 467             pair.next = prev;
 468             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
 469             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
 470             avgedge -= this.length();
 471             avgedge -= pair.length();
 472             numedges--;
 473             numedges--;
 474         }
 475
 476         private void sync() {
 477             this.prev.next = this;
 478             this.next.prev = this;
 479             this.pair.pair = this;
 480             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 481             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 482             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 483             if (!added) {
 484                 added = true;
 485                 numedges++;
 486                 avgedge += length();
 487             }
 488         }
 489         private boolean added = false;
 490
 491         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
 492
 493         /** angle between this half-edge and the next */
 494         public double angle() {
 495             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
 496             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
 497             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 498         }
 499
 500         public void makeAdjacent(E e) {
 501             if (this.next == e) return;
 502             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 503             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 504
 505             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 506
 507             e.prev.next = freeIncident.next;
 508             freeIncident.next.prev = e.prev;
 509
 510             freeIncident.next = this.next;
 511             this.next.prev = freeIncident;
 512
 513             this.next = e;
 514             e.prev = this;
 515
 516             sync();
 517             freeIncident.sync();
 518         }
 519
 520         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 521         public E(Vert p1, Vert p2) {
 522             if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
 523             this.p1 = p1;
 524             this.p2 = p2;
 525             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 526             sync();
 527         }
 528
 529         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 530         public E(E prev, Vert p2) {
 531             this.p1 = prev.p2;
 532             this.p2 = p2;
 533             this.prev = prev;
 534             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 535             if (p2.e==null) {
 536                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 537             } else {
 538                 E q = p2.getFreeIncident();
 539                 this.next = q.next;
 540                 this.next.prev = this;
 541                 E z = prev.next;
 542                 this.prev.next = this;
 543                 this.pair = new E(q, this, z);
 544             }
 545             sync();
 546         }
 547
 548         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 549         public E(E prev, E pair, E next) {
 550             this.p1 = prev.p2;
 551             this.p2 = next.p1;
 552             this.prev = prev;
 553             this.next = next;
 554             this.pair = pair;
 555             sync();
 556         }
 557         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); }
 558         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
 559         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
 560         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 561     }
 562
 563     public T newT(Vert p1, Vert p2, Vert p3, Vec norm) {
 564         if (norm != null) {
 565             Vec norm2 = p3.p.minus(p1.p).cross(p2.p.minus(p1.p));
 566             float dot = norm.dot(norm2);
 567             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
 568             if (dot < 0) { Vert p = p1; p1=p2; p2 = p; }
 569         }
 570         E e12 = p1.makeE(p2);
 571         E e23 = p2.makeE(p3);
 572         E e31 = p3.makeE(p1);
 573         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
 574             e12.makeAdjacent(e23);
 575             e23.makeAdjacent(e31);
 576             e31.makeAdjacent(e12);
 577         }
 578         T ret = e12.makeT();
 579         if (e12.t == null) throw new Error();
 580         if (e23.t == null) throw new Error();
 581         if (e31.t == null) throw new Error();
 582         return ret;
 583     }
 584
 585
 586     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
 587         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
 588         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
 589         public FaceIterator() { }
 590         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
 591         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
 592         public void remove() { throw new Error(); }
 593         public T next() {
 594             T ret = next.removeFirst();
 595             if (ret == null) return null;
 596             visited.add(ret);
 597             T t1 = ret.e1().pair.t;
 598             T t2 = ret.e2().pair.t;
 599             T t3 = ret.e3().pair.t;
 600             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
 601             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
 602             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
 603             return ret;
 604         }
 605     }
 606
 607     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 608     public final class T extends Triangle {
 609         public final E e1;
 610         public final int color;
 611
 612         public void destroy() {
 613         }
 614
 615         T(E e1) {
 616             this.e1 = e1;
 617             E e2 = e1.next;
 618             E e3 = e2.next;
 619             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
 620             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 621             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 622             e1.t = this;
 623             e1.next.t = this;
 624             e1.next.next.t = this;
 625
 626             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 627
 628             int color = Math.abs(random.nextInt());
 629             while(true) {
 630                 color = color % 4;
 631                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 632                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 633                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 634                 break;
 635             }
 636             this.color = color;
 637
 638             v1().kdinsert();
 639             v2().kdinsert();
 640             v3().kdinsert();
 641         }
 642         public E e1() { return e1; }
 643         public E e2() { return e1.next; }
 644         public E e3() { return e1.prev; }
 645         public Vert v1() { return e1.p1; }
 646         public Vert v2() { return e1.p2; }
 647         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
 648         public Point p1() { return e1.p1.p; }
 649         public Point p2() { return e1.p2.p; }
 650         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
 651         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 652         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
 653     }
 654
 655 }