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 final float EPSILON = (float)0.0001;
  15     public static final Random random = new Random();
  16
  17     private RTree<T>         triangles = new RTree<T>();
  18     private PointSet<Vertex> vertices  = new PointSet<Vertex>();
  19
  20     public boolean immutableVertices;
  21     public boolean ignorecollision    = false;
  22     public Mesh    score_against      = null;
  23     public double  score              = 0;
  24
  25     public Mesh(boolean immutableVertices) { this.immutableVertices = immutableVertices; }
  26
  27     public void makeVerticesImmutable() { this.immutableVertices = true; }
  28     public float score() { return (float)score; }
  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);
  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<T> {
  78         public String toString() { return p.toString(); }
  79         public Point p;
  80         E e;                // some edge *leaving* this point
  81
  82         Matrix binding = Matrix.ONE;
  83         Vertex bound_to = this;
  84
  85         public Point getPoint() { return p; }
  86         public float score() { return oldscore; }
  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         private void glNormal(GL gl) {
  95             Vec norm = norm();
  96             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
  97         }
  98
  99         public void _recomputeFundamentalQuadric() {
 100             Matrix m = Matrix.ZERO;
 101             int count = 0;
 102             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 103                 T t = e.t;
 104                 m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
 105                 count++;
 106             }
 107             quadricStale = false;
 108             fundamentalQuadric = m.times(1/(float)count);
 109         }
 110
 111         public void applyQuadricToNeighbor() {
 112             if (score_against == null) return;
 113
 114             Vertex new_nearest = score_against.nearest(p);
 115             if (nearest_in_other_mesh != null && new_nearest == nearest_in_other_mesh) return;
 116
 117             if (nearest_in_other_mesh != null) unApplyQuadricToNeighbor();
 118             if (nearest_in_other_mesh != null) throw new Error();
 119
 120             nearest_in_other_mesh = new_nearest;
 121
 122             // don't attract to vertices that face the other way
 123
 124             if (((Vertex)nearest_in_other_mesh).e == null || ((Vertex)nearest_in_other_mesh).norm().dot(norm()) < 0) {
 125                 nearest_in_other_mesh = null;
 126             } else {
 127
 128                 nearest_in_other_mesh.unComputeError();
 129                 nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
 130                 nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
 131                 nearest_in_other_mesh.computeError();
 132
 133             }
 134
 135             reComputeError();
 136         }
 137
 138         public void reComputeErrorAround() {
 139             reComputeError();
 140             if (nearest_in_other_mesh != null) nearest_in_other_mesh.reComputeError();
 141             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 142                 e.p2.reComputeError();
 143         }
 144         public void reComputeError() {
 145             unComputeError();
 146             computeError();
 147         }
 148         public void unComputeError() {
 149             score -= oldscore;
 150             oldscore = 0;
 151         }
 152         public HasQuadric nearest() { return score_against.nearest(p); }
 153         public void computeError() {
 154             oldscore =
 155                 quadric_count != 0
 156                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100) / quadric_count
 157                 : immutableVertices
 158                 ? oldscore
 159                 : nearest_in_other_mesh != null
 160                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 161                 : score_against != null
 162                 ? score_against.nearest(p).fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 163                 : 0;
 164             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 165                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
 166                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
 167                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
 168                 if (ang > minangle)
 169                     oldscore += (ang - minangle);
 170             }
 171             score += oldscore;
 172         }
 173
 174         private void removeTrianglesFromRTree() {
 175             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 176                 if (e.t != null) e.t.removeFromRTree();
 177         }
 178         private void addTrianglesToRTree() {
 179             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 180                 if (e.t != null) e.t.addToRTree();
 181         }
 182
 183         /** does NOT update bound pairs! */
 184         public boolean transform(Matrix m) {
 185             if (immutableVertices) throw new Error();
 186
 187             unApplyQuadricToNeighbor();
 188             Point oldp = this.p;
 189
 190             if (vertices.get(this.p)==null) throw new Error();
 191             vertices.remove(this);
 192             removeTrianglesFromRTree();
 193             float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
 194             float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
 195             float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
 196             this.p = new Point(newx, newy, newz);
 197             addTrianglesToRTree();
 198             vertices.add(this);
 199
 200             applyQuadricToNeighbor();
 201
 202             good = true;
 203
 204             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 205                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) || Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) good = false;
 206                 if (e.t.aspect() < 0.1) good = false;
 207                 e.p2.quadricStale = true;
 208             }
 209
 210             if (!ignorecollision && good) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
 211
 212             reComputeErrorAround();
 213             return good;
 214         }
 215
 216         public void visit(T t) {
 217             if (!good) return;
 218             for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
 219                 if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { good = false; }
 220                 if (e.t != null) {
 221                     if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { good = false; }
 222                     if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { good = false; }
 223                     if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { good = false; }
 224                 }
 225             }
 226         }
 227         private boolean good;
 228
 229         public boolean move(Vec v) {
 230             Matrix m = Matrix.translate(v);
 231             Vertex p = this;
 232             boolean good = true;
 233             do {
 234                 good &= p.transform(m);
 235                 p = p.bound_to;
 236             } while (p != this);
 237             return good;
 238         }
 239
 240         public E getFreeIncident() {
 241             E ret = getFreeIncident(e, e);
 242             if (ret != null) return ret;
 243             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 244                 System.out.println(e + " " + e.t);
 245             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
 246         }
 247
 248         public E getFreeIncident(E start, E before) {
 249             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
 250                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
 251                     return e.pair;
 252             return null;
 253         }
 254
 255         public E getE(Point p2) {
 256             Vertex v = vertices.get(p2);
 257             if (v==null) return null;
 258             return getE(v);
 259         }
 260         public E getE(Vertex p2) {
 261             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 262                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 263             return null;
 264         }
 265
 266         public Vec norm() {
 267             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
 268             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 269                 if (e.t != null)
 270                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 271             return norm.norm();
 272         }
 273
 274         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
 275             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
 276                 if (px==this)
 277                     return true;
 278             return false;
 279         }
 280
 281         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
 282         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
 283         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
 284             if (isBoundTo(p)) return;
 285             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
 286             Matrix temp_binding = p.binding;
 287             p.bound_to = this.bound_to;
 288             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 289             this.bound_to = temp_bound_to;
 290             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 291         }
 292     }
 293
 294     public class BindingGroup {
 295         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
 296         public BindingGroup bind_others;
 297         public BindingGroup other() { return bind_others; }
 298         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
 299         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
 300         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
 301         public void add(E e) {
 302             if (set.contains(e)) return;
 303             set.add(e);
 304             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
 305             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
 306             e.bind_peers = this;
 307             e.bind_to    = bind_others;
 308             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
 309             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
 310
 311             for(E eother : bind_others.set) {
 312                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
 313                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
 314                 }
 315                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
 316                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
 317                 }
 318             }
 319
 320         }
 321         public void dobind(E e) {
 322             for(E ebound : set) {
 323                 e.p1.bind(ebound.p2);
 324                 e.p2.bind(ebound.p1);
 325             }
 326         }
 327         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 328             for(E e : set) {
 329                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
 330             }
 331         }
 332     }
 333
 334     /** [UNIQUE] an edge */
 335     public final class E implements Comparable<E> {
 336
 337         public final Vertex p1, p2;
 338         T t;     // triangle to our "left"
 339         E prev;  // previous half-edge
 340         E next;  // next half-edge
 341         E pair;  // partner half-edge
 342         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
 343         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
 344         boolean shattered = false;
 345
 346         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
 347         public float comparator() {
 348             Vertex nearest = score_against.nearest(midpoint());
 349             return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
 350         }
 351         public int compareTo(E e) {
 352             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
 353         }
 354         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
 355         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
 356
 357         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
 358         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 359             if (shattered || destroyed) return mid;
 360             shattered = true;
 361
 362             Vertex r = next.p2;
 363             E next = this.next;
 364             E prev = this.prev;
 365
 366             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
 367             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
 368             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
 369             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
 370             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
 371             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
 372             pair.shatter();
 373             destroy();
 374
 375             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
 376             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
 377             bg1.add(p1.getE(mid));
 378             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
 379             return mid;
 380         }
 381
 382         public boolean destroyed = false;
 383         public void destroy() {
 384             if (destroyed) return;
 385             destroyed = true;
 386             pair.destroyed = true;
 387
 388             if (t != null) t.destroy();
 389             t = null;
 390
 391             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
 392             pair.t = null;
 393
 394             if (next.t != null) next.t.destroy();
 395             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
 396             next.t = null;
 397             prev.t = null;
 398
 399             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
 400             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
 401             pair.next.t = null;
 402             pair.prev.t = null;
 403
 404             this.bind_to = null;
 405             pair.bind_to = null;
 406             this.bind_peers = null;
 407             pair.bind_peers = null;
 408             pair.prev.next = next;
 409             next.prev = pair.prev;
 410             prev.next = pair.next;
 411             pair.next = prev;
 412             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
 413             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
 414         }
 415
 416         private void sync() {
 417             this.prev.next = this;
 418             this.next.prev = this;
 419             this.pair.pair = this;
 420             bind_peers.add(this);
 421             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 422             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 423             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 424             if (!added) added = true;
 425         }
 426         private boolean added = false;
 427
 428         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
 429
 430         public double crossAngle() {
 431             Vec v1 = t.norm().times(-1);
 432             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
 433             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 434         }
 435
 436         /** angle between this half-edge and the next */
 437         public double angle() {
 438             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
 439             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
 440             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 441         }
 442
 443         public void makeAdjacent(E e) {
 444             if (this.next == e) return;
 445             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 446             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 447
 448             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 449
 450             e.prev.next = freeIncident.next;
 451             freeIncident.next.prev = e.prev;
 452
 453             freeIncident.next = this.next;
 454             this.next.prev = freeIncident;
 455
 456             this.next = e;
 457             e.prev = this;
 458
 459             sync();
 460             freeIncident.sync();
 461         }
 462
 463         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 464         public E(Point p1, Point p2) {
 465             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
 466             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
 467             this.p1 = new Vertex(p1);
 468             this.p2 = new Vertex(p2);
 469             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 470             this.p1.e = this;
 471             this.p2.e = this.pair;
 472             sync();
 473         }
 474
 475         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 476         public E(E prev, Point p) {
 477             Vertex p2;
 478             p2 = vertices.get(p);
 479             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
 480             this.p1 = prev.p2;
 481             this.p2 = p2;
 482             this.prev = prev;
 483             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 484             if (p2.e==null) {
 485                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 486             } else {
 487                 E q = p2.getFreeIncident();
 488                 this.next = q.next;
 489                 this.next.prev = this;
 490                 E z = prev.next;
 491                 this.prev.next = this;
 492                 this.pair = new E(q, this, z);
 493             }
 494             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
 495             sync();
 496         }
 497
 498         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 499         public E(E prev, E pair, E next) {
 500             this.p1 = prev.p2;
 501             this.p2 = next.p1;
 502             this.prev = prev;
 503             this.next = next;
 504             this.pair = pair;
 505             sync();
 506         }
 507         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); }
 508         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
 509         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
 510         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 511
 512     }
 513
 514     public E makeE(Point p1, Point p2) {
 515         Vertex v1 = vertices.get(p1);
 516         Vertex v2 = vertices.get(p2);
 517         if (v1 != null && v2 != null) {
 518             E e = v1.getE(v2);
 519             if (e != null) return e;
 520             e = v2.getE(v1);
 521             if (e != null) return e;
 522         }
 523         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
 524         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
 525         return new E(p1, p2);
 526     }
 527     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
 528         if (norm != null) {
 529             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
 530             float dot = norm.dot(norm2);
 531             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
 532             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
 533         }
 534         E e12 = makeE(p1, p2);
 535         E e23 = makeE(p2, p3);
 536         E e31 = makeE(p3, p1);
 537         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
 538             e12.makeAdjacent(e23);
 539             e23.makeAdjacent(e31);
 540             e31.makeAdjacent(e12);
 541         }
 542         T ret = e12.makeT(colorclass);
 543         if (e12.t == null) throw new Error();
 544         if (e23.t == null) throw new Error();
 545         if (e31.t == null) throw new Error();
 546         return ret;
 547     }
 548
 549
 550     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 551     public final class T extends Triangle {
 552         public final E e1;
 553         public final int color;
 554         public final int colorclass;
 555
 556         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
 557         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
 558
 559         public void destroy() { triangles.remove(this); }
 560
 561         T(E e1, int colorclass) {
 562             this.e1 = e1;
 563             E e2 = e1.next;
 564             E e3 = e2.next;
 565             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
 566             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 567             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 568             e1.t = this;
 569             e1.next.t = this;
 570             e1.next.next.t = this;
 571
 572             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 573
 574             int color = Math.abs(random.nextInt());
 575             while(true) {
 576                 color = color % 4;
 577                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 578                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 579                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 580                 break;
 581             }
 582             this.color = color;
 583             this.colorclass = colorclass;
 584             triangles.add(this);
 585         }
 586         public E e1() { return e1; }
 587         public E e2() { return e1.next; }
 588         public E e3() { return e1.prev; }
 589         public Vertex v1() { return e1.p1; }
 590         public Vertex v2() { return e1.p2; }
 591         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
 592         public Point p1() { return e1.p1.p; }
 593         public Point p2() { return e1.p2.p; }
 594         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
 595         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 596         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
 597
 598         public boolean shouldBeDrawn() {
 599             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
 600             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
 601             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
 602             return true;
 603         }
 604
 605     }
 606 }