src/edu/berkeley/qfat/Mesh.java

   1 package edu.berkeley.qfat;
   2 import java.awt.*;
   3 import java.util.*;
   4 import java.awt.event.*;
   5 import javax.swing.*;
   6 import javax.media.opengl.*;
   7 import javax.media.opengl.glu.*;
   8 import edu.berkeley.qfat.geom.*;
   9 import edu.wlu.cs.levy.CG.KDTree;
  10 import edu.berkeley.qfat.geom.Point;
  11 import com.infomatiq.jsi.IntProcedure;
  12
  13 public class Mesh implements Iterable<Mesh.T> {
  14
  15     public static final float EPSILON = (float)0.0001;
  16     public static final Random random = new Random();
  17
  18     private RTree<T>         triangles = new RTree<T>();
  19     private PointSet<Vertex> vertices  = new PointSet<Vertex>();
  20
  21     public boolean immutableVertices;
  22     public Mesh    error_against      = null;
  23     public double  error              = 0;
  24
  25     public Mesh(boolean immutableVertices) { this.immutableVertices = immutableVertices; }
  26
  27     public void makeVerticesImmutable() { this.immutableVertices = true; }
  28     public float error() { return (float)error; }
  29
  30     public int size() { return vertices.size(); }
  31     public Iterable<Vertex> vertices() { return vertices; }
  32     public Iterator<T> iterator() { return triangles.iterator(); }
  33
  34     public void rebindPoints() {
  35         // unbind all points
  36         for(Mesh.T t : this) {
  37             t.v1().unbind();
  38             t.v2().unbind();
  39             t.v3().unbind();
  40         }
  41         // ask edges to re-implement their bindings
  42         for(Mesh.T t : this) {
  43             t.e1().dobind();
  44             t.e2().dobind();
  45             t.e3().dobind();
  46         }
  47     }
  48
  49     public void transform(Matrix m) {
  50         ArrayList<Vertex> set = new ArrayList<Vertex>();
  51         for(Vertex v : vertices) set.add(v);
  52         for(Vertex v : set) v.transform(m.times(v.p), true);
  53     }
  54
  55     public void rebuild() { /*vertices.rebuild();*/ }
  56     public Vec diagonal() { return vertices.diagonal(); }
  57     public Point centroid() { return vertices.centroid(); }
  58     public Vertex nearest(Point p) { return vertices.nearest(p); }
  59
  60     /** compute the volume of the mesh */
  61     public float volume() {
  62         double total = 0;
  63         for(T t : this) {
  64             double area = t.area();
  65             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
  66             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
  67             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
  68             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
  69         }
  70         return (float)total;
  71     }
  72
  73
  74     // Vertexices //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  75
  76     /** a vertex in the mesh */
  77     public final class Vertex extends HasQuadric implements Visitor {
  78         public Point p, oldp;
  79         E e;                // some edge *leaving* this point
  80
  81         Matrix binding = Matrix.ONE;
  82         Vertex bound_to = this;
  83         private boolean illegal = false;
  84
  85         public Point getPoint() { return p; }
  86         public float error() { return olderror; }
  87
  88         private Vertex(Point p) {
  89             this.p = p;
  90             if (vertices.get(p) != null) throw new Error();
  91             vertices.add(this);
  92         }
  93
  94         public void reinsert() {
  95             vertices.remove(this);
  96             vertices.add(this);
  97             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) e.t.reinsert();
  98         }
  99
 100         public float olderror = 0;
 101         public void setError(float nerror) {
 102             error -= olderror;
 103             olderror = nerror;
 104             error += olderror;
 105         }
 106
 107         public float averageTriangleArea() {
 108             int count = 0;
 109             float ret = 0;
 110             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 111                 ret += e.t.area();
 112                 count++;
 113             }
 114             return ret/count;
 115         }
 116         public float averageEdgeLength() {
 117             int count = 0;
 118             float ret = 0;
 119             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 120                 ret += e.length();
 121                 count++;
 122             }
 123             return ret/count;
 124         }
 125
 126         public Matrix _recomputeFundamentalQuadric() {
 127             Matrix m = Matrix.ZERO;
 128             int count = 0;
 129             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 130                 m = m.plus(e.t.norm().fundamentalQuadric(e.t.centroid()));
 131                 count++;
 132             }
 133             return m.times(1/(float)count);
 134         }
 135
 136         public HasQuadric nearest() { return error_against==null ? null : error_against.vertices.nearest(p, this); }
 137         public void computeError() {
 138             if (error_against==null) return;
 139             float nerror =
 140                 quadric_count != 0
 141                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100)/quadric_count
 142                 : nearest_in_other_mesh != null
 143                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100
 144                 : nearest().fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100;
 145             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 146                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
 147                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
 148                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
 149                 if (ang > minangle) nerror += (ang - minangle);
 150                 /*
 151                 if (e.t.aspect() < 0.2) {
 152                     nerror += (0.2-e.t.aspect()) * 300;
 153                 }
 154                 */
 155             }
 156             setError(nerror);
 157         }
 158
 159         /** does NOT update bound pairs! */
 160         private boolean transform(Point newp, boolean ignoreProblems) {
 161             this.oldp = this.p;
 162             if (immutableVertices) throw new Error();
 163
 164             unApplyQuadricToNeighbor();
 165             this.p = newp;
 166             reinsert();
 167             applyQuadricToNeighbor();
 168
 169             if (!ignoreProblems) {
 170                 illegal = false;
 171                 checkLegality();
 172             }
 173             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) e.p2.quadricStale = true;
 174             return !illegal;
 175         }
 176
 177         public void checkLegality() {
 178             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 179                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) ||
 180                     Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) illegal = true;
 181                 //if (e.t.aspect() < 0.1) illegal = true;
 182             }
 183             if (!illegal) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
 184         }
 185
 186         public void reComputeErrorAround() {
 187             reComputeError();
 188             if (nearest_in_other_mesh != null)
 189                 nearest_in_other_mesh.reComputeError();
 190             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 191                 e.p2.reComputeError();
 192         }
 193
 194         public boolean visit(Object o) {
 195             if (o instanceof Vertex)
 196                 return ((Vertex)o).e != null && ((Vertex)o).norm().dot(Vertex.this.norm()) >= 0;
 197             T t = (T)o;
 198             if (illegal) return false;
 199             for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
 200                 if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { illegal = true; }
 201                 if (e.t != null) {
 202                     if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { illegal = true; }
 203                     if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { illegal = true; }
 204                     if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { illegal = true; }
 205                 }
 206             }
 207             return !illegal;
 208         }
 209
 210         public boolean move(Matrix m, boolean ignoreProblems) {
 211             boolean good = true;
 212             for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
 213                 good &= p.transform(m.times(p.p), ignoreProblems);
 214             for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
 215                 if (good || ignoreProblems)  p.reComputeErrorAround();
 216                 else                         p.transform(p.oldp, true);
 217             return good;
 218         }
 219
 220         public E getFreeIncident() {
 221             E ret = getFreeIncident(e, e);
 222             if (ret != null) return ret;
 223             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 224                 System.out.println(e + " " + e.t);
 225             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
 226         }
 227
 228         public E getFreeIncident(E start, E before) {
 229             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
 230                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
 231                     return e.pair;
 232             return null;
 233         }
 234
 235         public E getE(Point p2) {
 236             Vertex v = vertices.get(p2);
 237             if (v==null) return null;
 238             return getE(v);
 239         }
 240         public E getE(Vertex p2) {
 241             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 242                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 243             return null;
 244         }
 245
 246         private void glNormal(GL gl) {
 247             Vec norm = norm();
 248             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
 249         }
 250         public Vec norm() {
 251             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
 252             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 253                 if (e.t != null)
 254                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 255             return norm.norm();
 256         }
 257
 258         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
 259             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
 260                 if (px==this)
 261                     return true;
 262             return false;
 263         }
 264
 265         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
 266         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
 267         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
 268             if (isBoundTo(p)) return;
 269             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
 270             Matrix temp_binding = p.binding;
 271             p.bound_to = this.bound_to;
 272             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 273             this.bound_to = temp_bound_to;
 274             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 275         }
 276     }
 277
 278     public class BindingGroup {
 279         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
 280         public BindingGroup bind_others;
 281         public BindingGroup other() { return bind_others; }
 282         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
 283         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
 284         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
 285         public void add(E e) {
 286             if (set.contains(e)) return;
 287             set.add(e);
 288             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
 289             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
 290             e.bind_peers = this;
 291             e.bind_to    = bind_others;
 292             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
 293             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
 294
 295             for(E eother : bind_others.set) {
 296                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
 297                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
 298                 }
 299                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
 300                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
 301                 }
 302             }
 303
 304         }
 305         public void dobind(E e) {
 306             for(E ebound : set) {
 307                 e.p1.bind(ebound.p2);
 308                 e.p2.bind(ebound.p1);
 309             }
 310         }
 311         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 312             for(E e : set) {
 313                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
 314             }
 315         }
 316     }
 317
 318     /** [UNIQUE] an edge */
 319     public final class E implements Comparable<E> {
 320
 321         public final Vertex p1, p2;
 322         T t;     // triangle to our "left"
 323         E prev;  // previous half-edge
 324         E next;  // next half-edge
 325         E pair;  // partner half-edge
 326         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
 327         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
 328         boolean shattered = false;
 329
 330         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
 331         public float comparator() {
 332             /*
 333             Vertex nearest = error_against.nearest(midpoint());
 334             //return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
 335             //return length();
 336             float nearest_distance = midpoint().distance(nearest.p);
 337             float other_distance =
 338                 (p1.p.distance(error_against.nearest(p1.p).p)+
 339                  p2.p.distance(error_against.nearest(p2.p).p))/2;
 340             return nearest_distance/other_distance;
 341             */
 342             //return length();
 343             return t==null?0:(1/t.aspect());
 344         }
 345         public int compareTo(E e) {
 346             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
 347         }
 348         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
 349         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
 350
 351         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
 352         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 353             if (shattered || destroyed) return mid;
 354             shattered = true;
 355
 356             Vertex r = next.p2;
 357             E next = this.next;
 358             E prev = this.prev;
 359
 360             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
 361             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
 362             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
 363             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
 364             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
 365             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
 366             pair.shatter();
 367             destroy();
 368
 369             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
 370             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
 371             bg1.add(p1.getE(mid));
 372             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
 373             return mid;
 374         }
 375
 376         public boolean destroyed = false;
 377         public void destroy() {
 378             if (destroyed) return;
 379             destroyed = true;
 380             pair.destroyed = true;
 381
 382             if (t != null) t.destroy();
 383             t = null;
 384
 385             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
 386             pair.t = null;
 387
 388             if (next.t != null) next.t.destroy();
 389             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
 390             next.t = null;
 391             prev.t = null;
 392
 393             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
 394             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
 395             pair.next.t = null;
 396             pair.prev.t = null;
 397
 398             this.bind_to = null;
 399             pair.bind_to = null;
 400             this.bind_peers = null;
 401             pair.bind_peers = null;
 402             pair.prev.next = next;
 403             next.prev = pair.prev;
 404             prev.next = pair.next;
 405             pair.next = prev;
 406             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
 407             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
 408         }
 409
 410         private void sync() {
 411             this.prev.next = this;
 412             this.next.prev = this;
 413             this.pair.pair = this;
 414             bind_peers.add(this);
 415             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 416             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 417             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 418             if (!added) added = true;
 419         }
 420         private boolean added = false;
 421
 422         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
 423
 424         public double crossAngle() {
 425             Vec v1 = t.norm().times(-1);
 426             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
 427             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 428         }
 429
 430         /** angle between this half-edge and the next */
 431         public double angle() {
 432             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
 433             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
 434             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 435         }
 436
 437         public void makeAdjacent(E e) {
 438             if (this.next == e) return;
 439             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 440             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 441
 442             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 443
 444             e.prev.next = freeIncident.next;
 445             freeIncident.next.prev = e.prev;
 446
 447             freeIncident.next = this.next;
 448             this.next.prev = freeIncident;
 449
 450             this.next = e;
 451             e.prev = this;
 452
 453             sync();
 454             freeIncident.sync();
 455         }
 456
 457         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 458         public E(Point p1, Point p2) {
 459             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
 460             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
 461             this.p1 = new Vertex(p1);
 462             this.p2 = new Vertex(p2);
 463             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 464             this.p1.e = this;
 465             this.p2.e = this.pair;
 466             sync();
 467         }
 468
 469         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 470         public E(E prev, Point p) {
 471             Vertex p2;
 472             p2 = vertices.get(p);
 473             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
 474             this.p1 = prev.p2;
 475             this.p2 = p2;
 476             this.prev = prev;
 477             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 478             if (p2.e==null) {
 479                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 480             } else {
 481                 E q = p2.getFreeIncident();
 482                 this.next = q.next;
 483                 this.next.prev = this;
 484                 E z = prev.next;
 485                 this.prev.next = this;
 486                 this.pair = new E(q, this, z);
 487             }
 488             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
 489             sync();
 490         }
 491
 492         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 493         public E(E prev, E pair, E next) {
 494             this.p1 = prev.p2;
 495             this.p2 = next.p1;
 496             this.prev = prev;
 497             this.next = next;
 498             this.pair = pair;
 499             sync();
 500         }
 501         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); }
 502         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
 503         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
 504         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 505
 506     }
 507
 508     public E makeE(Point p1, Point p2) {
 509         Vertex v1 = vertices.get(p1);
 510         Vertex v2 = vertices.get(p2);
 511         if (v1 != null && v2 != null) {
 512             E e = v1.getE(v2);
 513             if (e != null) return e;
 514             e = v2.getE(v1);
 515             if (e != null) return e;
 516         }
 517         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
 518         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
 519         return new E(p1, p2);
 520     }
 521     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
 522         if (norm != null) {
 523             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
 524             float dot = norm.dot(norm2);
 525             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
 526             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
 527         }
 528         E e12 = makeE(p1, p2);
 529         E e23 = makeE(p2, p3);
 530         E e31 = makeE(p3, p1);
 531         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
 532             e12.makeAdjacent(e23);
 533             e23.makeAdjacent(e31);
 534             e31.makeAdjacent(e12);
 535         }
 536         T ret = e12.makeT(colorclass);
 537         if (e12.t == null) throw new Error();
 538         if (e23.t == null) throw new Error();
 539         if (e31.t == null) throw new Error();
 540         return ret;
 541     }
 542
 543     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 544     public final class T extends Triangle {
 545         public final E e1;
 546         public final int color;
 547         public final int colorclass;
 548
 549         T(E e1, int colorclass) {
 550             this.e1 = e1;
 551             E e2 = e1.next;
 552             E e3 = e2.next;
 553             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
 554             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 555             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 556             e1.t = this;
 557             e1.next.t = this;
 558             e1.next.next.t = this;
 559
 560             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 561
 562             int color = Math.abs(random.nextInt());
 563             while(true) {
 564                 color = color % 4;
 565                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 566                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 567                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 568                 break;
 569             }
 570             this.color = color;
 571             this.colorclass = colorclass;
 572             triangles.add(this);
 573         }
 574         public E e1() { return e1; }
 575         public E e2() { return e1.next; }
 576         public E e3() { return e1.prev; }
 577         public Vertex v1() { return e1.p1; }
 578         public Vertex v2() { return e1.p2; }
 579         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
 580         public Point p1() { return e1.p1.p; }
 581         public Point p2() { return e1.p2.p; }
 582         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
 583         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 584         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
 585
 586         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
 587         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
 588         public void destroy() { triangles.remove(this); }
 589         public void reinsert() { triangles.remove(this); triangles.add(this); }
 590
 591         public boolean shouldBeDrawn() {
 592             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
 593             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
 594             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
 595             return true;
 596         }
 597
 598     }
 599 }