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