774efa3e56b7fb4eadb82743ed2e79f4d513ee2d
[anneal.git] / 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 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 rebindPoints() {
54         // unbind all points
55         for(Mesh.T t : this) {
56             t.v1().unbind();
57             t.v2().unbind();
58             t.v3().unbind();
59         }
60         // ask edges to re-implement their bindings
61         for(Mesh.T t : this) {
62             t.e1().dobind();
63             t.e2().dobind();
64             t.e3().dobind();
65         }
66     }
67
68     public void unscoreAll() {
69         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
70         for(T t : this)
71             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
72                 if (done.contains(p)) continue;
73                 done.add(p);
74                 p.unscore();
75             }
76     }
77     public void recomputeAllFundamentalQuadrics() {
78         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
79         for(T t : this)
80             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
81                 if (done.contains(p)) continue;
82                 done.add(p);
83                 p.recomputeFundamentalQuadric();
84             }
85     }
86     public float rescoreAll() {
87         int num = 0;
88         double dist = 0;
89         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
90         for(T t : this)
91             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
92                 if (done.contains(p)) continue;
93                 done.add(p);
94                 p.rescore();
95                 
96             }
97         return (float)(dist/num);
98     }
99
100     public void transform(Matrix m) {
101         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
102         for (Vert v : pointset)
103             set.add(v);
104         for(Vert v : set) v.transform(m);
105     }
106
107     public float volume() {
108         double total = 0;
109         for(T t : this) {
110             double area = t.area();
111             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
112             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
113             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
114             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
115         }
116         return (float)total;
117     }
118
119     public class BindingGroup {
120         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
121         public BindingGroup() { }
122         public BindingGroup(E e) {
123             es.add(e);
124         }
125         public void add(E e) {
126             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
127             es.add(e);
128             e.bg = this;
129         }
130         public void merge(BindingGroup bg) {
131             for(E e : bg.es) {
132                 e.bg = null;
133                 add(e);
134             }
135         }
136     }
137
138     public Vec diagonal() { return pointset.diagonal(); }
139     public Point centroid() { return pointset.centroid(); }
140     public Vert nearest(Point p) { return pointset.nearest(p); }
141
142     public final class Vert extends HasPoint {
143         public Point p;
144         E e;                // some edge *leaving* this point
145
146         /** the nearest vertex in the "score_against" mesh */
147         Vert   nearest_in_other_mesh;
148         /** the number of vertices in the other mesh for which this is the nearest_in_other_mesh */
149         int    quadric_count;
150         /** the total error quadric (contributions from all vertices in other mesh for which this is nearest) */
151         Matrix quadric = Matrix.ZERO;
152
153         Vert bound_to = this;
154         Matrix binding = new Matrix();
155         float oldscore = 0;
156
157         public Matrix errorQuadric() { return quadric; }
158         public Point getPoint() { return p; }
159         public float score() { return oldscore; }
160
161         private Matrix fundamentalQuadric = null;
162         public Matrix fundamentalQuadric() {
163             if (fundamentalQuadric == null) recomputeFundamentalQuadric();
164             return fundamentalQuadric;
165         }
166
167         private Vert(Point p) {
168             this.p = p;
169             if (pointset.get(p) != null) throw new Error();
170             pointset.add(this);
171         }
172
173         public void recomputeFundamentalQuadric() {
174             unscore();
175             Matrix m = Matrix.ZERO;
176             E e = this.e;
177             do {
178                 T t = e.t;
179                 m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
180                 e = e.pair.next;
181             } while(e != this.e);
182             fundamentalQuadric = m;
183             rescore();
184         }
185
186         public void unscore() {
187             if (nearest_in_other_mesh == null) return;
188             if (fundamentalQuadric == null) return;
189             nearest_in_other_mesh.unsc();
190             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.minus(fundamentalQuadric);
191             nearest_in_other_mesh.quadric_count--;
192             if (nearest_in_other_mesh.quadric_count==0)
193                 nearest_in_other_mesh.quadric = Matrix.ZERO;
194             nearest_in_other_mesh.resc();
195             nearest_in_other_mesh = null;
196         }
197
198         public void unsc() {
199             score -= oldscore;
200             oldscore = 0;
201         }
202         public void rescore() {
203             if (score_against == null) return;
204
205             unsc();
206
207             if (nearest_in_other_mesh != null) unscore();
208             if (nearest_in_other_mesh == null) {
209                 nearest_in_other_mesh = score_against.nearest(p);
210
211                 // don't attract to vertices that face the other way
212                 if (nearest_in_other_mesh.e == null || nearest_in_other_mesh.norm().dot(norm()) < 0) {
213                     nearest_in_other_mesh = null;
214                 } else {
215                     nearest_in_other_mesh.unsc();
216                     nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
217                     nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
218                     nearest_in_other_mesh.resc();
219                 }
220             }
221
222             resc();
223         }
224         public void resc() {
225             oldscore = quadric_count == 0 ? 0 : (quadric.preAndPostMultiply(p) / quadric_count);
226             score += oldscore;
227         }
228
229         /** does NOT update bound pairs! */
230         public boolean transform(Matrix m) {
231             unscore();
232             try {
233                 if (pointset.get(this.p)==null) throw new Error();
234                 pointset.remove(this);
235                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
236                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
237                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
238                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
239                 pointset.add(this);
240             } catch (Exception e) {
241                 throw new RuntimeException(e);
242             }
243             rescore();
244
245             // should recompute fundamental quadrics of all vertices sharing a face, but we defer...
246             // FIXME: intersection test needed?
247             return true;
248         }
249
250         public boolean move(Vec v) {
251             Matrix m = new Matrix(v);
252             Vert p = this;
253             boolean good = true;
254             do {
255                 good &= p.transform(m);
256                 p = p.bound_to;
257             } while (p != this);
258             return good;
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(Point p2) {
279             Vert v = pointset.get(p2);
280             if (v==null) return null;
281             return getE(v);
282         }
283         public E getE(Vert p2) {
284             E e = this.e;
285             do {
286                 if (e==null) return null;
287                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
288                 e = e.pair.next;
289             } while (e!=this.e);
290             return null;
291         }
292
293         public Vec norm() {
294             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
295             E e = this.e;
296             do {
297                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
298                 e = e.pair.next;
299             } while(e != this.e);
300             return norm.norm();
301         }
302
303         public boolean isBoundTo(Vert p) {
304             Vert px = p;
305             do {
306                 if (px==this) return true;
307                 px = px.bound_to;
308             } while(px != p);
309             return false;
310         }
311         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
312         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
313         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
314             if (isBoundTo(p)) return;
315             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
316             Matrix temp_binding = p.binding;
317             p.bound_to = this.bound_to;
318             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
319             this.bound_to = temp_bound_to;
320             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
321         }
322     }
323
324     /** [UNIQUE] an edge */
325     public final class E implements Comparable<E> {
326
327         public final Vert p1, p2;
328         T t;     // triangle to our "left"
329         E prev;  // previous half-edge
330         E next;  // next half-edge
331         E pair;  // partner half-edge
332         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
333         boolean shattered = false;
334
335         public int compareTo(E e) { return e.length() > length() ? 1 : -1; }
336
337         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
338         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
339
340         public void dobind() {
341             if (bg==null) return;
342             for(E ex : bg.es) {
343                 if (ex==this) continue;
344                 p1.bind(ex.p1);
345                 p2.bind(ex.p2);
346             }
347         }
348
349         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
350         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
351             if (shattered) return mid;
352             shattered = true;
353
354             Vert r = next.p2;
355             E next = this.next;
356             E prev = this.prev;
357
358             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
359             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
360             for(E e : bg.es) e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
361             pair.shatter();
362             destroy();
363
364             newT(r.p, p1.p, mid, null);
365             newT(r.p, mid, p2.p, null);
366             bg1.add(p1.getE(mid));
367             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
368             return mid;
369         }
370
371         public boolean destroyed = false;
372         public void destroy() {
373             if (destroyed) return;
374             destroyed = true;
375             pair.destroyed = true;
376             if (next.t != null) next.t.destroy();
377             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
378             next.t = null;
379             prev.t = null;
380             pair.next.t = null;
381             pair.prev.t = null;
382             this.bg = null;
383             pair.bg = null;
384             pair.prev.next = next;
385             next.prev = pair.prev;
386             prev.next = pair.next;
387             pair.next = prev;
388             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
389             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
390             avgedge -= this.length();
391             avgedge -= pair.length();
392             numedges--;
393             numedges--;
394         }
395
396         private void sync() {
397             this.prev.next = this;
398             this.next.prev = this;
399             this.pair.pair = this;
400             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
401             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
402             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
403             if (!added) {
404                 added = true;
405                 numedges++;
406                 avgedge += length();
407             }
408         }
409         private boolean added = false;
410
411         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
412
413         /** angle between this half-edge and the next */
414         public double angle() {
415             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
416             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
417             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
418         }
419
420         public void makeAdjacent(E e) {
421             if (this.next == e) return;
422             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
423             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
424
425             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
426
427             e.prev.next = freeIncident.next;
428             freeIncident.next.prev = e.prev;
429
430             freeIncident.next = this.next;
431             this.next.prev = freeIncident;
432             
433             this.next = e;
434             e.prev = this;
435
436             sync();
437             freeIncident.sync();
438         }
439
440         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
441         public E(Point p1, Point p2) {
442             if (pointset.get(p1) != null) throw new Error();
443             if (pointset.get(p2) != null) throw new Error();
444             this.p1 = new Vert(p1);
445             this.p2 = new Vert(p2);
446             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
447             this.p1.e = this;
448             this.p2.e = this.pair;
449             sync();
450         }
451
452         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
453         public E(E prev, Point p) {
454             Vert p2;
455             p2 = pointset.get(p);
456             if (p2 == null) p2 = new Vert(p);
457             this.p1 = prev.p2;
458             this.p2 = p2;
459             this.prev = prev;
460             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
461             if (p2.e==null) {
462                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
463             } else {
464                 E q = p2.getFreeIncident();
465                 this.next = q.next;
466                 this.next.prev = this;
467                 E z = prev.next;
468                 this.prev.next = this;
469                 this.pair = new E(q, this, z);
470             }
471             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
472             sync();
473         }
474
475         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
476         public E(E prev, E pair, E next) {
477             this.p1 = prev.p2;
478             this.p2 = next.p1;
479             this.prev = prev;
480             this.next = next;
481             this.pair = pair;
482             sync();
483         }
484         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); }
485         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
486         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
487         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
488
489         public boolean intersects(T t) {
490             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
491             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
492             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
493             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
494             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
495             double J0, J1, J2;
496             double K0, K1, K2;
497             double i0, i1, i2;
498             double a0, a1, a2;
499             double b0, b1, b2;
500             double c0, c1, c2;
501             double in_det;
502             double R00, R01, R02, R03,
503                 R10, R11, R12, R13,
504                 R20, R21, R22, R23,
505                 R30, R31, R32, R33;
506
507
508             /* a = B - A */
509             a0 = B0 - A0; 
510             a1 = B1 - A1; 
511             a2 = B2 - A2;
512             /* b = C - B */
513             b0 = C0 - A0;
514             b1 = C1 - A1;
515             b2 = C2 - A2;
516             /* c = a &times; b */
517             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
518             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
519             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
520  
521             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
522             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
523             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
524             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
525             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
526             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
527             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
528             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
529             R20 = (c0) * in_det;
530             R21 = (c1) * in_det;
531             R22 = (c2) * in_det;
532   
533             /* O = M^(-1) * A */
534             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
535             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
536             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
537  
538             /* fill in last row of 4x4 matrix */
539             R30 = R31 = R32 = 0;
540             R33 = 1;
541   
542             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
543             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
544             if (J2 * K2 >= 0) return false;
545
546             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
547             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
548             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
549             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
550   
551             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
552             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
553             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
554             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
555
556             return true;            
557         }
558     }
559
560     public E makeE(Point p1, Point p2) {
561         Vert v1 = pointset.get(p1);
562         Vert v2 = pointset.get(p2);
563         if (v1 != null && v2 != null) {
564             E e = v1.getE(v2);
565             if (e != null) return e;
566             e = v2.getE(v1);
567             if (e != null) return e;
568         }
569         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
570         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
571         return new E(p1, p2);
572     }
573     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm) {
574         if (norm != null) {
575             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
576             float dot = norm.dot(norm2);
577             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
578             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
579         }
580         E e12 = makeE(p1, p2);
581         E e23 = makeE(p2, p3);
582         E e31 = makeE(p3, p1);
583         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
584             e12.makeAdjacent(e23);
585             e23.makeAdjacent(e31);
586             e31.makeAdjacent(e12);
587         }
588         T ret = e12.makeT();
589         if (e12.t == null) throw new Error();
590         if (e23.t == null) throw new Error();
591         if (e31.t == null) throw new Error();
592         return ret;
593     }
594
595
596     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
597         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
598         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
599         public FaceIterator() { }
600         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
601         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
602         public void remove() { throw new Error(); }
603         public T next() {
604             T ret = next.removeFirst();
605             if (ret == null) return null;
606             visited.add(ret);
607             T t1 = ret.e1().pair.t;
608             T t2 = ret.e2().pair.t;
609             T t3 = ret.e3().pair.t;
610             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
611             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
612             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
613             return ret;
614         }
615     }
616
617     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
618     public final class T extends Triangle {
619         public final E e1;
620         public final int color;
621
622         public void destroy() {
623         }
624
625         T(E e1) {
626             this.e1 = e1;
627             E e2 = e1.next;
628             E e3 = e2.next;
629             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
630             if (e3.next!=e1) throw new Error();
631             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
632             e1.t = this;
633             e1.next.t = this;
634             e1.next.next.t = this;
635
636             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
637
638             int color = Math.abs(random.nextInt());
639             while(true) {
640                 color = color % 4;
641                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
642                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
643                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
644                 break;
645             }
646             this.color = color;
647         }
648         public E e1() { return e1; }
649         public E e2() { return e1.next; }
650         public E e3() { return e1.prev; }
651         public Vert v1() { return e1.p1; }
652         public Vert v2() { return e1.p2; }
653         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
654         public Point p1() { return e1.p1.p; }
655         public Point p2() { return e1.p2.p; }
656         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
657         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
658         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
659     }
660
661 }