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 boolean ignorecollision    = false;
  23     public Mesh    error_against      = null;
  24     public double  error              = 0;
  25
  26     public Mesh(boolean immutableVertices) { this.immutableVertices = immutableVertices; }
  27
  28     public void makeVerticesImmutable() { this.immutableVertices = true; }
  29     public float error() { return (float)error; }
  30
  31     public int size() { return vertices.size(); }
  32     public Iterable<Vertex> vertices() { return vertices; }
  33     public Iterator<T> iterator() { return triangles.iterator(); }
  34
  35     public void rebindPoints() {
  36         // unbind all points
  37         for(Mesh.T t : this) {
  38             t.v1().unbind();
  39             t.v2().unbind();
  40             t.v3().unbind();
  41         }
  42         // ask edges to re-implement their bindings
  43         for(Mesh.T t : this) {
  44             t.e1().dobind();
  45             t.e2().dobind();
  46             t.e3().dobind();
  47         }
  48     }
  49
  50     public void transform(Matrix m) {
  51         ArrayList<Vertex> set = new ArrayList<Vertex>();
  52         for(Vertex v : vertices) set.add(v);
  53         for(Vertex v : set) v.transform(m.times(v.p));
  54     }
  55
  56     public void rebuild() { /*vertices.rebuild();*/ }
  57     public Vec diagonal() { return vertices.diagonal(); }
  58     public Point centroid() { return vertices.centroid(); }
  59     public Vertex nearest(Point p) { return vertices.nearest(p); }
  60
  61     /** compute the volume of the mesh */
  62     public float volume() {
  63         double total = 0;
  64         for(T t : this) {
  65             double area = t.area();
  66             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
  67             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
  68             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
  69             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
  70         }
  71         return (float)total;
  72     }
  73
  74
  75     // Vertexices //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  76
  77     /** a vertex in the mesh */
  78     public final class Vertex extends HasQuadric implements Visitor {
  79         public Point p;
  80         E e;                // some edge *leaving* this point
  81
  82         Matrix binding = Matrix.ONE;
  83         Vertex bound_to = this;
  84         private boolean good;
  85
  86         public Point getPoint() { return p; }
  87         public float error() { return olderror; }
  88
  89         private Vertex(Point p) {
  90             this.p = p;
  91             if (vertices.get(p) != null) throw new Error();
  92             vertices.add(this);
  93         }
  94
  95         public float olderror = 0;
  96         public void setError(float nerror) {
  97             error -= olderror;
  98             olderror = nerror;
  99             error += olderror;
 100         }
 101
 102         public Matrix _recomputeFundamentalQuadric() {
 103             Matrix m = Matrix.ZERO;
 104             int count = 0;
 105             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 106                 m = m.plus(e.t.norm().fundamentalQuadric(e.t.centroid()));
 107                 count++;
 108             }
 109             return m.times(1/(float)count);
 110         }
 111
 112         public HasQuadric nearest() { return error_against==null ? null : error_against.vertices.nearest(p, this); }
 113         public void computeError() {
 114             float nerror =
 115                 quadric_count != 0
 116                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100) / quadric_count
 117                 : nearest_in_other_mesh != null
 118                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 119                 : error_against != null
 120                 ? nearest().fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 121                 : 0;
 122             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 123                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
 124                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
 125                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
 126                 if (ang > minangle) nerror += (ang - minangle);
 127             }
 128             setError(nerror);
 129         }
 130
 131         /** does NOT update bound pairs! */
 132         public boolean transform(Point newp) {
 133             if (immutableVertices) throw new Error();
 134
 135             unApplyQuadricToNeighbor();
 136             Point oldp = this.p;
 137
 138             if (vertices.get(this.p)==null) throw new Error();
 139             vertices.remove(this);
 140             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 141                 if (e.t != null) e.t.removeFromRTree();
 142             this.p = newp;
 143             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 144                 if (e.t != null) e.t.addToRTree();
 145             vertices.add(this);
 146
 147             applyQuadricToNeighbor();
 148
 149             good = true;
 150
 151             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 152                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) || Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) good = false;
 153                 if (e.t.aspect() < 0.1) good = false;
 154                 e.p2.quadricStale = true;
 155             }
 156
 157             if (!ignorecollision && good) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
 158
 159             return good;
 160         }
 161
 162         public void reComputeErrorAround() {
 163             reComputeError();
 164             if (nearest_in_other_mesh != null) nearest_in_other_mesh.reComputeError();
 165             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 166                 e.p2.reComputeError();
 167         }
 168
 169         public boolean visit(Object o) {
 170             if (o instanceof T) {
 171                 T t = (T)o;
 172                 if (!good) return false;
 173                 for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
 174                     if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { good = false; }
 175                     if (e.t != null) {
 176                         if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { good = false; }
 177                         if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { good = false; }
 178                         if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { good = false; }
 179                     }
 180                 }
 181                 return good;
 182             } else {
 183                 Vertex v = (Vertex)o;
 184                 if (v.e==null || v.norm().dot(Vertex.this.norm()) < 0)
 185                     return false;
 186                 return true;
 187             }
 188         }
 189
 190         Point oldp;
 191         public boolean move(Vec v) {
 192             Matrix m = Matrix.translate(v);
 193             boolean good = true;
 194             for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to) {
 195                 p.oldp = p.p;
 196                 good &= p.transform(m.times(p.p));
 197             }
 198             for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
 199                 if (good)
 200                     p.reComputeErrorAround();
 201                 else
 202                     p.transform(p.oldp);
 203             return good;
 204         }
 205
 206         public E getFreeIncident() {
 207             E ret = getFreeIncident(e, e);
 208             if (ret != null) return ret;
 209             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 210                 System.out.println(e + " " + e.t);
 211             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
 212         }
 213
 214         public E getFreeIncident(E start, E before) {
 215             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
 216                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
 217                     return e.pair;
 218             return null;
 219         }
 220
 221         public E getE(Point p2) {
 222             Vertex v = vertices.get(p2);
 223             if (v==null) return null;
 224             return getE(v);
 225         }
 226         public E getE(Vertex p2) {
 227             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 228                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 229             return null;
 230         }
 231
 232         private void glNormal(GL gl) {
 233             Vec norm = norm();
 234             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
 235         }
 236         public Vec norm() {
 237             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
 238             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 239                 if (e.t != null)
 240                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 241             return norm.norm();
 242         }
 243
 244         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
 245             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
 246                 if (px==this)
 247                     return true;
 248             return false;
 249         }
 250
 251         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
 252         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
 253         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
 254             if (isBoundTo(p)) return;
 255             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
 256             Matrix temp_binding = p.binding;
 257             p.bound_to = this.bound_to;
 258             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 259             this.bound_to = temp_bound_to;
 260             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 261         }
 262     }
 263
 264     public class BindingGroup {
 265         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
 266         public BindingGroup bind_others;
 267         public BindingGroup other() { return bind_others; }
 268         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
 269         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
 270         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
 271         public void add(E e) {
 272             if (set.contains(e)) return;
 273             set.add(e);
 274             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
 275             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
 276             e.bind_peers = this;
 277             e.bind_to    = bind_others;
 278             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
 279             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
 280
 281             for(E eother : bind_others.set) {
 282                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
 283                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
 284                 }
 285                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
 286                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
 287                 }
 288             }
 289
 290         }
 291         public void dobind(E e) {
 292             for(E ebound : set) {
 293                 e.p1.bind(ebound.p2);
 294                 e.p2.bind(ebound.p1);
 295             }
 296         }
 297         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 298             for(E e : set) {
 299                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
 300             }
 301         }
 302     }
 303
 304     /** [UNIQUE] an edge */
 305     public final class E implements Comparable<E> {
 306
 307         public final Vertex p1, p2;
 308         T t;     // triangle to our "left"
 309         E prev;  // previous half-edge
 310         E next;  // next half-edge
 311         E pair;  // partner half-edge
 312         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
 313         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
 314         boolean shattered = false;
 315
 316         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
 317         public float comparator() {
 318             Vertex nearest = error_against.nearest(midpoint());
 319             return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
 320         }
 321         public int compareTo(E e) {
 322             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
 323         }
 324         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
 325         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
 326
 327         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
 328         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 329             if (shattered || destroyed) return mid;
 330             shattered = true;
 331
 332             Vertex r = next.p2;
 333             E next = this.next;
 334             E prev = this.prev;
 335
 336             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
 337             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
 338             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
 339             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
 340             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
 341             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
 342             pair.shatter();
 343             destroy();
 344
 345             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
 346             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
 347             bg1.add(p1.getE(mid));
 348             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
 349             return mid;
 350         }
 351
 352         public boolean destroyed = false;
 353         public void destroy() {
 354             if (destroyed) return;
 355             destroyed = true;
 356             pair.destroyed = true;
 357
 358             if (t != null) t.destroy();
 359             t = null;
 360
 361             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
 362             pair.t = null;
 363
 364             if (next.t != null) next.t.destroy();
 365             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
 366             next.t = null;
 367             prev.t = null;
 368
 369             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
 370             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
 371             pair.next.t = null;
 372             pair.prev.t = null;
 373
 374             this.bind_to = null;
 375             pair.bind_to = null;
 376             this.bind_peers = null;
 377             pair.bind_peers = null;
 378             pair.prev.next = next;
 379             next.prev = pair.prev;
 380             prev.next = pair.next;
 381             pair.next = prev;
 382             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
 383             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
 384         }
 385
 386         private void sync() {
 387             this.prev.next = this;
 388             this.next.prev = this;
 389             this.pair.pair = this;
 390             bind_peers.add(this);
 391             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 392             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 393             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 394             if (!added) added = true;
 395         }
 396         private boolean added = false;
 397
 398         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
 399
 400         public double crossAngle() {
 401             Vec v1 = t.norm().times(-1);
 402             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
 403             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 404         }
 405
 406         /** angle between this half-edge and the next */
 407         public double angle() {
 408             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
 409             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
 410             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 411         }
 412
 413         public void makeAdjacent(E e) {
 414             if (this.next == e) return;
 415             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 416             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 417
 418             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 419
 420             e.prev.next = freeIncident.next;
 421             freeIncident.next.prev = e.prev;
 422
 423             freeIncident.next = this.next;
 424             this.next.prev = freeIncident;
 425
 426             this.next = e;
 427             e.prev = this;
 428
 429             sync();
 430             freeIncident.sync();
 431         }
 432
 433         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 434         public E(Point p1, Point p2) {
 435             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
 436             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
 437             this.p1 = new Vertex(p1);
 438             this.p2 = new Vertex(p2);
 439             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 440             this.p1.e = this;
 441             this.p2.e = this.pair;
 442             sync();
 443         }
 444
 445         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 446         public E(E prev, Point p) {
 447             Vertex p2;
 448             p2 = vertices.get(p);
 449             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
 450             this.p1 = prev.p2;
 451             this.p2 = p2;
 452             this.prev = prev;
 453             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 454             if (p2.e==null) {
 455                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 456             } else {
 457                 E q = p2.getFreeIncident();
 458                 this.next = q.next;
 459                 this.next.prev = this;
 460                 E z = prev.next;
 461                 this.prev.next = this;
 462                 this.pair = new E(q, this, z);
 463             }
 464             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
 465             sync();
 466         }
 467
 468         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 469         public E(E prev, E pair, E next) {
 470             this.p1 = prev.p2;
 471             this.p2 = next.p1;
 472             this.prev = prev;
 473             this.next = next;
 474             this.pair = pair;
 475             sync();
 476         }
 477         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); }
 478         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
 479         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
 480         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 481
 482     }
 483
 484     public E makeE(Point p1, Point p2) {
 485         Vertex v1 = vertices.get(p1);
 486         Vertex v2 = vertices.get(p2);
 487         if (v1 != null && v2 != null) {
 488             E e = v1.getE(v2);
 489             if (e != null) return e;
 490             e = v2.getE(v1);
 491             if (e != null) return e;
 492         }
 493         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
 494         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
 495         return new E(p1, p2);
 496     }
 497     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
 498         if (norm != null) {
 499             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
 500             float dot = norm.dot(norm2);
 501             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
 502             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
 503         }
 504         E e12 = makeE(p1, p2);
 505         E e23 = makeE(p2, p3);
 506         E e31 = makeE(p3, p1);
 507         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
 508             e12.makeAdjacent(e23);
 509             e23.makeAdjacent(e31);
 510             e31.makeAdjacent(e12);
 511         }
 512         T ret = e12.makeT(colorclass);
 513         if (e12.t == null) throw new Error();
 514         if (e23.t == null) throw new Error();
 515         if (e31.t == null) throw new Error();
 516         return ret;
 517     }
 518
 519
 520     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 521     public final class T extends Triangle {
 522         public final E e1;
 523         public final int color;
 524         public final int colorclass;
 525
 526         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
 527         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
 528
 529         public void destroy() { triangles.remove(this); }
 530
 531         T(E e1, int colorclass) {
 532             this.e1 = e1;
 533             E e2 = e1.next;
 534             E e3 = e2.next;
 535             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
 536             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 537             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 538             e1.t = this;
 539             e1.next.t = this;
 540             e1.next.next.t = this;
 541
 542             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 543
 544             int color = Math.abs(random.nextInt());
 545             while(true) {
 546                 color = color % 4;
 547                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 548                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 549                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 550                 break;
 551             }
 552             this.color = color;
 553             this.colorclass = colorclass;
 554             triangles.add(this);
 555         }
 556         public E e1() { return e1; }
 557         public E e2() { return e1.next; }
 558         public E e3() { return e1.prev; }
 559         public Vertex v1() { return e1.p1; }
 560         public Vertex v2() { return e1.p2; }
 561         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
 562         public Point p1() { return e1.p1.p; }
 563         public Point p2() { return e1.p2.p; }
 564         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
 565         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 566         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
 567
 568         public boolean shouldBeDrawn() {
 569             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
 570             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
 571             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
 572             return true;
 573         }
 574
 575     }
 576 }