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