checkpoint
[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 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         public float oldscore = 0;
85
86
87         public Point getPoint() { return p; }
88         public float score() { return oldscore; }
89
90         private Vertex(Point p) {
91             this.p = p;
92             if (vertices.get(p) != null) throw new Error();
93             vertices.add(this);
94         }
95
96         private void glNormal(GL gl) {
97             Vec norm = norm();
98             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
99         }
100
101         public void recomputeFundamentalQuadric() {
102             unApplyQuadricToNeighbor();
103             if (quadricStale || fundamentalQuadric==null) {
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                     T t = e.t;
108                     m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
109                     count++;
110                 }
111                 quadricStale = false;
112                 fundamentalQuadric = m.times(1/(float)count);
113             }
114             applyQuadricToNeighbor();
115         }
116
117         public void unApplyQuadricToNeighbor() {
118             if (nearest_in_other_mesh == null) return;
119             if (fundamentalQuadric == null) return;
120             nearest_in_other_mesh.unComputeError();
121             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.minus(fundamentalQuadric);
122             nearest_in_other_mesh.quadric_count--;
123             if (nearest_in_other_mesh.quadric_count==0)
124                 nearest_in_other_mesh.quadric = Matrix.ZERO;
125             nearest_in_other_mesh.computeError();
126             nearest_in_other_mesh = null;
127         }
128
129         public void applyQuadricToNeighbor() {
130             if (score_against == null) return;
131
132             Vertex new_nearest = score_against.nearest(p);
133             if (nearest_in_other_mesh != null && new_nearest == nearest_in_other_mesh) return;
134
135             if (nearest_in_other_mesh != null) unApplyQuadricToNeighbor();
136             if (nearest_in_other_mesh != null) throw new Error();
137
138             nearest_in_other_mesh = new_nearest;
139                 
140             // don't attract to vertices that face the other way
141             if (((Vertex)nearest_in_other_mesh).e == null || ((Vertex)nearest_in_other_mesh).norm().dot(norm()) < 0) {
142                 nearest_in_other_mesh = null;
143             } else {
144                 nearest_in_other_mesh.unComputeError();
145                 nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
146                 nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
147                 nearest_in_other_mesh.computeError();
148             }
149             reComputeError();
150         }
151
152         public void reComputeErrorAround() {
153             reComputeError();
154             if (nearest_in_other_mesh != null) nearest_in_other_mesh.reComputeError();
155             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
156                 e.p2.reComputeError();
157         }
158         public void reComputeError() {
159             unComputeError();
160             computeError();
161         }
162         public void unComputeError() {
163             score -= oldscore;
164             oldscore = 0;
165         }
166         public HasQuadric nearest() { return score_against.nearest(p); }
167         public void computeError() {
168             oldscore =
169                 quadric_count != 0
170                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100) / quadric_count
171                 : immutableVertices
172                 ? oldscore
173                 : nearest_in_other_mesh != null
174                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
175                 : score_against != null
176                 ? score_against.nearest(p).fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
177                 : 0;
178             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
179                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
180                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
181                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
182                 if (ang > minangle)
183                     oldscore += (ang - minangle);
184             }
185             score += oldscore;
186         }
187
188         private void removeTrianglesFromRTree() {
189             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
190                 if (e.t != null) e.t.removeFromRTree();
191         }
192         private void addTrianglesToRTree() {
193             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
194                 if (e.t != null) e.t.addToRTree();
195         }
196
197         /** does NOT update bound pairs! */
198         public boolean transform(Matrix m) {
199             if (immutableVertices) throw new Error();
200
201             unApplyQuadricToNeighbor();
202             Point oldp = this.p;
203
204             if (vertices.get(this.p)==null) throw new Error();
205             vertices.remove(this);
206             removeTrianglesFromRTree();
207             float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
208             float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
209             float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
210             this.p = new Point(newx, newy, newz);
211             addTrianglesToRTree();
212             vertices.add(this);
213
214             applyQuadricToNeighbor();
215
216             good = true;
217
218             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
219                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) || Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) good = false;
220                 if (e.t.aspect() < 0.1) good = false;
221                 e.p2.quadricStale = true;
222             }
223
224             if (!ignorecollision && good) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
225
226             reComputeErrorAround();
227             return good;
228         }
229
230         public void visit(T t) {
231             if (!good) return;
232             for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
233                 if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { good = false; }
234                 if (e.t != null) {
235                     if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { good = false; }
236                     if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { good = false; }
237                     if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { good = false; }
238                 }
239             }
240         }
241         private boolean good;
242
243         public boolean move(Vec v) {
244             Matrix m = Matrix.translate(v);
245             Vertex p = this;
246             boolean good = true;
247             do {
248                 good &= p.transform(m);
249                 p = p.bound_to;
250             } while (p != this);
251             return good;
252         }
253
254         public E getFreeIncident() {
255             E ret = getFreeIncident(e, e);
256             if (ret != null) return ret;
257             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
258                 System.out.println(e + " " + e.t);
259             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
260         }
261
262         public E getFreeIncident(E start, E before) {
263             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
264                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
265                     return e.pair;
266             return null;
267         }
268
269         public E getE(Point p2) {
270             Vertex v = vertices.get(p2);
271             if (v==null) return null;
272             return getE(v);
273         }
274         public E getE(Vertex p2) {
275             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
276                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
277             return null;
278         }
279
280         public Vec norm() {
281             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
282             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
283                 if (e.t != null)
284                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
285             return norm.norm();
286         }
287
288         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
289             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
290                 if (px==this)
291                     return true;
292             return false;
293         }
294
295         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
296         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
297         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
298             if (isBoundTo(p)) return;
299             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
300             Matrix temp_binding = p.binding;
301             p.bound_to = this.bound_to;
302             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
303             this.bound_to = temp_bound_to;
304             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
305         }
306     }
307
308     public class BindingGroup {
309         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
310         public BindingGroup bind_others;
311         public BindingGroup other() { return bind_others; }
312         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
313         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
314         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
315         public void add(E e) {
316             if (set.contains(e)) return;
317             set.add(e);
318             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
319             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
320             e.bind_peers = this;
321             e.bind_to    = bind_others;
322             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
323             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
324
325             for(E eother : bind_others.set) {
326                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
327                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
328                 }
329                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
330                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
331                 }
332             }
333
334         }
335         public void dobind(E e) {
336             for(E ebound : set) {
337                 e.p1.bind(ebound.p2);
338                 e.p2.bind(ebound.p1);
339             }
340         }
341         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
342             for(E e : set) {
343                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
344             }
345         }
346     }
347
348     /** [UNIQUE] an edge */
349     public final class E implements Comparable<E> {
350
351         public final Vertex p1, p2;
352         T t;     // triangle to our "left"
353         E prev;  // previous half-edge
354         E next;  // next half-edge
355         E pair;  // partner half-edge
356         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
357         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
358         boolean shattered = false;
359
360         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
361         public float comparator() {
362             Vertex nearest = score_against.nearest(midpoint());
363             return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
364         }
365         public int compareTo(E e) {
366             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
367         }
368         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
369         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
370
371         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
372         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
373             if (shattered || destroyed) return mid;
374             shattered = true;
375
376             Vertex r = next.p2;
377             E next = this.next;
378             E prev = this.prev;
379
380             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
381             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
382             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
383             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
384             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
385             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
386             pair.shatter();
387             destroy();
388
389             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
390             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
391             bg1.add(p1.getE(mid));
392             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
393             return mid;
394         }
395
396         public boolean destroyed = false;
397         public void destroy() {
398             if (destroyed) return;
399             destroyed = true;
400             pair.destroyed = true;
401
402             if (t != null) t.destroy();
403             t = null;
404
405             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
406             pair.t = null;
407
408             if (next.t != null) next.t.destroy();
409             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
410             next.t = null;
411             prev.t = null;
412
413             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
414             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
415             pair.next.t = null;
416             pair.prev.t = null;
417
418             this.bind_to = null;
419             pair.bind_to = null;
420             this.bind_peers = null;
421             pair.bind_peers = null;
422             pair.prev.next = next;
423             next.prev = pair.prev;
424             prev.next = pair.next;
425             pair.next = prev;
426             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
427             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
428         }
429
430         private void sync() {
431             this.prev.next = this;
432             this.next.prev = this;
433             this.pair.pair = this;
434             bind_peers.add(this);
435             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
436             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
437             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
438             if (!added) added = true;
439         }
440         private boolean added = false;
441
442         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
443
444         public double crossAngle() {
445             Vec v1 = t.norm().times(-1);
446             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
447             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
448         }
449
450         /** angle between this half-edge and the next */
451         public double angle() {
452             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
453             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
454             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
455         }
456
457         public void makeAdjacent(E e) {
458             if (this.next == e) return;
459             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
460             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
461
462             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
463
464             e.prev.next = freeIncident.next;
465             freeIncident.next.prev = e.prev;
466
467             freeIncident.next = this.next;
468             this.next.prev = freeIncident;
469             
470             this.next = e;
471             e.prev = this;
472
473             sync();
474             freeIncident.sync();
475         }
476
477         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
478         public E(Point p1, Point p2) {
479             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
480             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
481             this.p1 = new Vertex(p1);
482             this.p2 = new Vertex(p2);
483             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
484             this.p1.e = this;
485             this.p2.e = this.pair;
486             sync();
487         }
488
489         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
490         public E(E prev, Point p) {
491             Vertex p2;
492             p2 = vertices.get(p);
493             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
494             this.p1 = prev.p2;
495             this.p2 = p2;
496             this.prev = prev;
497             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
498             if (p2.e==null) {
499                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
500             } else {
501                 E q = p2.getFreeIncident();
502                 this.next = q.next;
503                 this.next.prev = this;
504                 E z = prev.next;
505                 this.prev.next = this;
506                 this.pair = new E(q, this, z);
507             }
508             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
509             sync();
510         }
511
512         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
513         public E(E prev, E pair, E next) {
514             this.p1 = prev.p2;
515             this.p2 = next.p1;
516             this.prev = prev;
517             this.next = next;
518             this.pair = pair;
519             sync();
520         }
521         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); }
522         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
523         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
524         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
525
526     }
527
528     public E makeE(Point p1, Point p2) {
529         Vertex v1 = vertices.get(p1);
530         Vertex v2 = vertices.get(p2);
531         if (v1 != null && v2 != null) {
532             E e = v1.getE(v2);
533             if (e != null) return e;
534             e = v2.getE(v1);
535             if (e != null) return e;
536         }
537         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
538         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
539         return new E(p1, p2);
540     }
541     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
542         if (norm != null) {
543             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
544             float dot = norm.dot(norm2);
545             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
546             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
547         }
548         E e12 = makeE(p1, p2);
549         E e23 = makeE(p2, p3);
550         E e31 = makeE(p3, p1);
551         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
552             e12.makeAdjacent(e23);
553             e23.makeAdjacent(e31);
554             e31.makeAdjacent(e12);
555         }
556         T ret = e12.makeT(colorclass);
557         if (e12.t == null) throw new Error();
558         if (e23.t == null) throw new Error();
559         if (e31.t == null) throw new Error();
560         return ret;
561     }
562
563
564     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
565     public final class T extends Triangle {
566         public final E e1;
567         public final int color;
568         public final int colorclass;
569
570         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
571         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
572
573         public void destroy() { triangles.remove(this); }
574
575         T(E e1, int colorclass) {
576             this.e1 = e1;
577             E e2 = e1.next;
578             E e3 = e2.next;
579             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
580             if (e3.next!=e1) throw new Error();
581             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
582             e1.t = this;
583             e1.next.t = this;
584             e1.next.next.t = this;
585
586             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
587
588             int color = Math.abs(random.nextInt());
589             while(true) {
590                 color = color % 4;
591                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
592                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
593                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
594                 break;
595             }
596             this.color = color;
597             this.colorclass = colorclass;
598             triangles.add(this);
599         }
600         public E e1() { return e1; }
601         public E e2() { return e1.next; }
602         public E e3() { return e1.prev; }
603         public Vertex v1() { return e1.p1; }
604         public Vertex v2() { return e1.p2; }
605         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
606         public Point p1() { return e1.p1.p; }
607         public Point p2() { return e1.p2.p; }
608         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
609         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
610         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
611
612         public boolean shouldBeDrawn() {
613             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
614             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
615             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
616             return true;
617         }
618
619     }
620 }