bbb419ab8777f12a0e10ee56330b45b2b0aaf0e7
[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 HasPoint implements Visitor<T> {
78         public String toString() { return p.toString(); }
79         public Point p;
80         E e;                // some edge *leaving* this point
81
82         /** the nearest vertex in the "score_against" mesh */
83         Vertex   nearest_in_other_mesh;
84         /** the number of vertices in the other mesh for which this is the nearest_in_other_mesh */
85         int    quadric_count;
86         /** the total error quadric (contributions from all vertices in other mesh for which this is nearest) */
87         Matrix quadric = Matrix.ZERO;
88
89         Matrix binding = Matrix.ONE;
90         Vertex bound_to = this;
91         float oldscore = 0;
92         boolean quadricStale = false;
93
94         public Matrix errorQuadric() { return quadric; }
95         public Point getPoint() { return p; }
96         public float score() { return oldscore; }
97
98         private Matrix fundamentalQuadric = null;
99         public Matrix fundamentalQuadric() {
100             if (fundamentalQuadric == null) recomputeFundamentalQuadric();
101             return fundamentalQuadric;
102         }
103
104         private Vertex(Point p) {
105             this.p = p;
106             if (vertices.get(p) != null) throw new Error();
107             vertices.add(this);
108         }
109
110         private void glNormal(GL gl) {
111             Vec norm = norm();
112             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
113         }
114
115         public void recomputeFundamentalQuadricIfNeighborChanged() {
116             Vertex oldv = nearest_in_other_mesh;
117             Vertex newv = score_against.nearest(p);
118             if (oldv==newv) return;
119             recomputeFundamentalQuadric();
120             if (oldv!=null) oldv.recomputeFundamentalQuadricIfNeighborChanged();
121             //if (newv!=null) newv.recomputeFundamentalQuadricIfNeighborChanged();
122         }
123         public void recomputeFundamentalQuadric() {
124             unApplyQuadricToNeighbor();
125             if (quadricStale || fundamentalQuadric==null) {
126                 Matrix m = Matrix.ZERO;
127                 int count = 0;
128                 for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
129                     T t = e.t;
130                     m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
131                     count++;
132                 }
133                 quadricStale = false;
134                 fundamentalQuadric = m.times(1/(float)count);
135             }
136             applyQuadricToNeighbor();
137         }
138
139         public void unApplyQuadricToNeighbor() {
140             if (nearest_in_other_mesh == null) return;
141             if (fundamentalQuadric == null) return;
142             nearest_in_other_mesh.unComputeError();
143             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.minus(fundamentalQuadric);
144             nearest_in_other_mesh.quadric_count--;
145             if (nearest_in_other_mesh.quadric_count==0)
146                 nearest_in_other_mesh.quadric = Matrix.ZERO;
147             nearest_in_other_mesh.computeError();
148             nearest_in_other_mesh = null;
149         }
150
151         public void applyQuadricToNeighbor() {
152             if (score_against == null) return;
153
154             Vertex new_nearest = score_against.nearest(p);
155             if (nearest_in_other_mesh != null && new_nearest == nearest_in_other_mesh) return;
156
157             if (nearest_in_other_mesh != null) unApplyQuadricToNeighbor();
158             if (nearest_in_other_mesh != null) throw new Error();
159
160             nearest_in_other_mesh = new_nearest;
161                 
162             // don't attract to vertices that face the other way
163             if (nearest_in_other_mesh.e == null || nearest_in_other_mesh.norm().dot(norm()) < 0) {
164                 nearest_in_other_mesh = null;
165             } else {
166                 nearest_in_other_mesh.unComputeError();
167                 nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
168                 nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
169                 nearest_in_other_mesh.computeError();
170             }
171             reComputeError();
172         }
173
174         public void reComputeErrorAround() {
175             reComputeError();
176             if (nearest_in_other_mesh != null) nearest_in_other_mesh.reComputeError();
177             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
178                 e.p2.reComputeError();
179         }
180         public void reComputeError() {
181             unComputeError();
182             computeError();
183         }
184         public void unComputeError() {
185             score -= oldscore;
186             oldscore = 0;
187         }
188         public void computeError() {
189             oldscore =
190                 quadric_count != 0
191                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100) / quadric_count
192                 : immutableVertices
193                 ? oldscore
194                 : nearest_in_other_mesh != null
195                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
196                 : score_against != null
197                 ? score_against.nearest(p).fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
198                 : 0;
199             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
200                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
201                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
202                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
203                 if (ang > minangle)
204                     oldscore += (ang - minangle);
205             }
206             score += oldscore;
207         }
208
209         private void removeTrianglesFromRTree() {
210             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
211                 if (e.t != null) e.t.removeFromRTree();
212         }
213         private void addTrianglesToRTree() {
214             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
215                 if (e.t != null) e.t.addToRTree();
216         }
217
218         /** does NOT update bound pairs! */
219         public boolean transform(Matrix m) {
220             if (immutableVertices) throw new Error();
221
222             unApplyQuadricToNeighbor();
223             Point oldp = this.p;
224
225             if (vertices.get(this.p)==null) throw new Error();
226             vertices.remove(this);
227             removeTrianglesFromRTree();
228             float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
229             float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
230             float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
231             this.p = new Point(newx, newy, newz);
232             addTrianglesToRTree();
233             vertices.add(this);
234
235             applyQuadricToNeighbor();
236
237             good = true;
238
239             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
240                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) || Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) good = false;
241                 if (e.t.aspect() < 0.1) good = false;
242                 e.p2.quadricStale = true;
243             }
244
245             if (!ignorecollision && good) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
246
247             reComputeErrorAround();
248             return good;
249         }
250
251         public void visit(T t) {
252             if (!good) return;
253             for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
254                 if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { good = false; }
255                 if (e.t != null) {
256                     if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { good = false; }
257                     if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { good = false; }
258                     if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { good = false; }
259                 }
260             }
261         }
262         private boolean good;
263
264         public boolean move(Vec v) {
265             Matrix m = Matrix.translate(v);
266             Vertex p = this;
267             boolean good = true;
268             do {
269                 good &= p.transform(m);
270                 p = p.bound_to;
271             } while (p != this);
272             return good;
273         }
274
275         public E getFreeIncident() {
276             E ret = getFreeIncident(e, e);
277             if (ret != null) return ret;
278             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
279                 System.out.println(e + " " + e.t);
280             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
281         }
282
283         public E getFreeIncident(E start, E before) {
284             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
285                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
286                     return e.pair;
287             return null;
288         }
289
290         public E getE(Point p2) {
291             Vertex v = vertices.get(p2);
292             if (v==null) return null;
293             return getE(v);
294         }
295         public E getE(Vertex p2) {
296             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
297                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
298             return null;
299         }
300
301         public Vec norm() {
302             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
303             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
304                 if (e.t != null)
305                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
306             return norm.norm();
307         }
308
309         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
310             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
311                 if (px==this)
312                     return true;
313             return false;
314         }
315
316         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
317         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
318         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
319             if (isBoundTo(p)) return;
320             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
321             Matrix temp_binding = p.binding;
322             p.bound_to = this.bound_to;
323             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
324             this.bound_to = temp_bound_to;
325             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
326         }
327     }
328
329     public class BindingGroup {
330         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
331         public BindingGroup bind_others;
332         public BindingGroup other() { return bind_others; }
333         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
334         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
335         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
336         public void add(E e) {
337             if (set.contains(e)) return;
338             set.add(e);
339             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
340             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
341             e.bind_peers = this;
342             e.bind_to    = bind_others;
343             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
344             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
345
346             for(E eother : bind_others.set) {
347                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
348                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
349                 }
350                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
351                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
352                 }
353             }
354
355         }
356         public void dobind(E e) {
357             for(E ebound : set) {
358                 e.p1.bind(ebound.p2);
359                 e.p2.bind(ebound.p1);
360             }
361         }
362         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
363             for(E e : set) {
364                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
365             }
366         }
367     }
368
369     /** [UNIQUE] an edge */
370     public final class E implements Comparable<E> {
371
372         public final Vertex p1, p2;
373         T t;     // triangle to our "left"
374         E prev;  // previous half-edge
375         E next;  // next half-edge
376         E pair;  // partner half-edge
377         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
378         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
379         boolean shattered = false;
380
381         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
382         public float comparator() {
383             Vertex nearest = score_against.nearest(midpoint());
384             return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
385         }
386         public int compareTo(E e) {
387             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
388         }
389         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
390         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
391
392         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
393         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
394             if (shattered || destroyed) return mid;
395             shattered = true;
396
397             Vertex r = next.p2;
398             E next = this.next;
399             E prev = this.prev;
400
401             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
402             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
403             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
404             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
405             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
406             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
407             pair.shatter();
408             destroy();
409
410             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
411             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
412             bg1.add(p1.getE(mid));
413             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
414             return mid;
415         }
416
417         public boolean destroyed = false;
418         public void destroy() {
419             if (destroyed) return;
420             destroyed = true;
421             pair.destroyed = true;
422
423             if (t != null) t.destroy();
424             t = null;
425
426             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
427             pair.t = null;
428
429             if (next.t != null) next.t.destroy();
430             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
431             next.t = null;
432             prev.t = null;
433
434             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
435             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
436             pair.next.t = null;
437             pair.prev.t = null;
438
439             this.bind_to = null;
440             pair.bind_to = null;
441             this.bind_peers = null;
442             pair.bind_peers = null;
443             pair.prev.next = next;
444             next.prev = pair.prev;
445             prev.next = pair.next;
446             pair.next = prev;
447             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
448             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
449         }
450
451         private void sync() {
452             this.prev.next = this;
453             this.next.prev = this;
454             this.pair.pair = this;
455             bind_peers.add(this);
456             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
457             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
458             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
459             if (!added) added = true;
460         }
461         private boolean added = false;
462
463         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
464
465         public double crossAngle() {
466             Vec v1 = t.norm().times(-1);
467             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
468             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
469         }
470
471         /** angle between this half-edge and the next */
472         public double angle() {
473             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
474             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
475             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
476         }
477
478         public void makeAdjacent(E e) {
479             if (this.next == e) return;
480             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
481             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
482
483             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
484
485             e.prev.next = freeIncident.next;
486             freeIncident.next.prev = e.prev;
487
488             freeIncident.next = this.next;
489             this.next.prev = freeIncident;
490             
491             this.next = e;
492             e.prev = this;
493
494             sync();
495             freeIncident.sync();
496         }
497
498         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
499         public E(Point p1, Point p2) {
500             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
501             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
502             this.p1 = new Vertex(p1);
503             this.p2 = new Vertex(p2);
504             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
505             this.p1.e = this;
506             this.p2.e = this.pair;
507             sync();
508         }
509
510         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
511         public E(E prev, Point p) {
512             Vertex p2;
513             p2 = vertices.get(p);
514             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
515             this.p1 = prev.p2;
516             this.p2 = p2;
517             this.prev = prev;
518             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
519             if (p2.e==null) {
520                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
521             } else {
522                 E q = p2.getFreeIncident();
523                 this.next = q.next;
524                 this.next.prev = this;
525                 E z = prev.next;
526                 this.prev.next = this;
527                 this.pair = new E(q, this, z);
528             }
529             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
530             sync();
531         }
532
533         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
534         public E(E prev, E pair, E next) {
535             this.p1 = prev.p2;
536             this.p2 = next.p1;
537             this.prev = prev;
538             this.next = next;
539             this.pair = pair;
540             sync();
541         }
542         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); }
543         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
544         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
545         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
546
547     }
548
549     public E makeE(Point p1, Point p2) {
550         Vertex v1 = vertices.get(p1);
551         Vertex v2 = vertices.get(p2);
552         if (v1 != null && v2 != null) {
553             E e = v1.getE(v2);
554             if (e != null) return e;
555             e = v2.getE(v1);
556             if (e != null) return e;
557         }
558         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
559         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
560         return new E(p1, p2);
561     }
562     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
563         if (norm != null) {
564             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
565             float dot = norm.dot(norm2);
566             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
567             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
568         }
569         E e12 = makeE(p1, p2);
570         E e23 = makeE(p2, p3);
571         E e31 = makeE(p3, p1);
572         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
573             e12.makeAdjacent(e23);
574             e23.makeAdjacent(e31);
575             e31.makeAdjacent(e12);
576         }
577         T ret = e12.makeT(colorclass);
578         if (e12.t == null) throw new Error();
579         if (e23.t == null) throw new Error();
580         if (e31.t == null) throw new Error();
581         return ret;
582     }
583
584
585     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
586     public final class T extends Triangle {
587         public final E e1;
588         public final int color;
589         public final int colorclass;
590
591         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
592         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
593
594         public void destroy() { triangles.remove(this); }
595
596         T(E e1, int colorclass) {
597             this.e1 = e1;
598             E e2 = e1.next;
599             E e3 = e2.next;
600             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
601             if (e3.next!=e1) throw new Error();
602             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
603             e1.t = this;
604             e1.next.t = this;
605             e1.next.next.t = this;
606
607             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
608
609             int color = Math.abs(random.nextInt());
610             while(true) {
611                 color = color % 4;
612                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
613                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
614                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
615                 break;
616             }
617             this.color = color;
618             this.colorclass = colorclass;
619             triangles.add(this);
620         }
621         public E e1() { return e1; }
622         public E e2() { return e1.next; }
623         public E e3() { return e1.prev; }
624         public Vertex v1() { return e1.p1; }
625         public Vertex v2() { return e1.p2; }
626         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
627         public Point p1() { return e1.p1.p; }
628         public Point p2() { return e1.p2.p; }
629         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
630         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
631         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
632
633         public boolean shouldBeDrawn() {
634             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
635             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
636             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
637             return true;
638         }
639
640     }
641 }