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    score_against      = null;
  24     public double  score              = 0;
  25
  26     public Mesh(boolean immutableVertices) { this.immutableVertices = immutableVertices; }
  27
  28     public void makeVerticesImmutable() { this.immutableVertices = true; }
  29     public float score() { return (float)score; }
  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);
  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 String toString() { return p.toString(); }
  80         public Point p;
  81         E e;                // some edge *leaving* this point
  82
  83         Matrix binding = Matrix.ONE;
  84         Vertex bound_to = this;
  85
  86         public Point getPoint() { return p; }
  87         public float score() { return oldscore; }
  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         private void glNormal(GL gl) {
  96             Vec norm = norm();
  97             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
  98         }
  99
 100         public void _recomputeFundamentalQuadric() {
 101             Matrix m = Matrix.ZERO;
 102             int count = 0;
 103             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 104                 T t = e.t;
 105                 m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
 106                 count++;
 107             }
 108             quadricStale = false;
 109             fundamentalQuadric = m.times(1/(float)count);
 110         }
 111
 112         public void applyQuadricToNeighbor() {
 113             if (score_against == null) return;
 114
 115             Vertex new_nearest = (Vertex)nearest();
 116             if (nearest_in_other_mesh != null && new_nearest == nearest_in_other_mesh) return;
 117
 118             if (nearest_in_other_mesh != null) unApplyQuadricToNeighbor();
 119             if (nearest_in_other_mesh != null) throw new Error();
 120
 121             nearest_in_other_mesh = new_nearest;
 122
 123             nearest_in_other_mesh.unComputeError();
 124             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
 125             nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
 126             nearest_in_other_mesh.computeError();
 127
 128             reComputeError();
 129         }
 130
 131         public void reComputeErrorAround() {
 132             reComputeError();
 133             if (nearest_in_other_mesh != null) nearest_in_other_mesh.reComputeError();
 134             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 135                 e.p2.reComputeError();
 136         }
 137         public void reComputeError() {
 138             unComputeError();
 139             computeError();
 140         }
 141         public void unComputeError() {
 142             score -= oldscore;
 143             oldscore = 0;
 144         }
 145         public HasQuadric nearest() { return score_against.vertices.nearest(p, this); }
 146         public void computeError() {
 147             oldscore =
 148                 quadric_count != 0
 149                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100) / quadric_count
 150                 : immutableVertices
 151                 ? oldscore
 152                 : nearest_in_other_mesh != null
 153                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 154                 : score_against != null
 155                 ? nearest().fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
 156                 : 0;
 157             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 158                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
 159                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
 160                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
 161                 if (ang > minangle)
 162                     oldscore += (ang - minangle);
 163             }
 164             score += oldscore;
 165         }
 166
 167         private void removeTrianglesFromRTree() {
 168             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 169                 if (e.t != null) e.t.removeFromRTree();
 170         }
 171         private void addTrianglesToRTree() {
 172             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 173                 if (e.t != null) e.t.addToRTree();
 174         }
 175
 176         /** does NOT update bound pairs! */
 177         public boolean transform(Matrix m) {
 178             if (immutableVertices) throw new Error();
 179
 180             unApplyQuadricToNeighbor();
 181             Point oldp = this.p;
 182
 183             if (vertices.get(this.p)==null) throw new Error();
 184             vertices.remove(this);
 185             removeTrianglesFromRTree();
 186             float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
 187             float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
 188             float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
 189             this.p = new Point(newx, newy, newz);
 190             addTrianglesToRTree();
 191             vertices.add(this);
 192
 193             applyQuadricToNeighbor();
 194
 195             good = true;
 196
 197             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
 198                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) || Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) good = false;
 199                 if (e.t.aspect() < 0.1) good = false;
 200                 e.p2.quadricStale = true;
 201             }
 202
 203             if (!ignorecollision && good) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
 204
 205             reComputeErrorAround();
 206             return good;
 207         }
 208
 209         public boolean visit(Object o) {
 210             if (o instanceof T) {
 211                 T t = (T)o;
 212                 if (!good) return false;
 213                 for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
 214                     if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { good = false; }
 215                     if (e.t != null) {
 216                         if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { good = false; }
 217                         if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { good = false; }
 218                         if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { good = false; }
 219                     }
 220                 }
 221                 return good;
 222             } else {
 223                 Vertex v = (Vertex)o;
 224                 if (v.e==null || v.norm().dot(Vertex.this.norm()) < 0)
 225                     return false;
 226                 return true;
 227             }
 228         }
 229         private boolean good;
 230
 231         public boolean move(Vec v) {
 232             Matrix m = Matrix.translate(v);
 233             Vertex p = this;
 234             boolean good = true;
 235             do {
 236                 good &= p.transform(m);
 237                 p = p.bound_to;
 238             } while (p != this);
 239             return good;
 240         }
 241
 242         public E getFreeIncident() {
 243             E ret = getFreeIncident(e, e);
 244             if (ret != null) return ret;
 245             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 246                 System.out.println(e + " " + e.t);
 247             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
 248         }
 249
 250         public E getFreeIncident(E start, E before) {
 251             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
 252                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
 253                     return e.pair;
 254             return null;
 255         }
 256
 257         public E getE(Point p2) {
 258             Vertex v = vertices.get(p2);
 259             if (v==null) return null;
 260             return getE(v);
 261         }
 262         public E getE(Vertex p2) {
 263             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 264                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 265             return null;
 266         }
 267
 268         public Vec norm() {
 269             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
 270             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
 271                 if (e.t != null)
 272                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 273             return norm.norm();
 274         }
 275
 276         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
 277             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
 278                 if (px==this)
 279                     return true;
 280             return false;
 281         }
 282
 283         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
 284         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
 285         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
 286             if (isBoundTo(p)) return;
 287             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
 288             Matrix temp_binding = p.binding;
 289             p.bound_to = this.bound_to;
 290             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 291             this.bound_to = temp_bound_to;
 292             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 293         }
 294     }
 295
 296     public class BindingGroup {
 297         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
 298         public BindingGroup bind_others;
 299         public BindingGroup other() { return bind_others; }
 300         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
 301         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
 302         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
 303         public void add(E e) {
 304             if (set.contains(e)) return;
 305             set.add(e);
 306             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
 307             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
 308             e.bind_peers = this;
 309             e.bind_to    = bind_others;
 310             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
 311             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
 312
 313             for(E eother : bind_others.set) {
 314                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
 315                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
 316                 }
 317                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
 318                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
 319                 }
 320             }
 321
 322         }
 323         public void dobind(E e) {
 324             for(E ebound : set) {
 325                 e.p1.bind(ebound.p2);
 326                 e.p2.bind(ebound.p1);
 327             }
 328         }
 329         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 330             for(E e : set) {
 331                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
 332             }
 333         }
 334     }
 335
 336     /** [UNIQUE] an edge */
 337     public final class E implements Comparable<E> {
 338
 339         public final Vertex p1, p2;
 340         T t;     // triangle to our "left"
 341         E prev;  // previous half-edge
 342         E next;  // next half-edge
 343         E pair;  // partner half-edge
 344         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
 345         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
 346         boolean shattered = false;
 347
 348         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
 349         public float comparator() {
 350             Vertex nearest = score_against.nearest(midpoint());
 351             return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
 352         }
 353         public int compareTo(E e) {
 354             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
 355         }
 356         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
 357         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
 358
 359         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
 360         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 361             if (shattered || destroyed) return mid;
 362             shattered = true;
 363
 364             Vertex r = next.p2;
 365             E next = this.next;
 366             E prev = this.prev;
 367
 368             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
 369             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
 370             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
 371             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
 372             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
 373             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
 374             pair.shatter();
 375             destroy();
 376
 377             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
 378             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
 379             bg1.add(p1.getE(mid));
 380             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
 381             return mid;
 382         }
 383
 384         public boolean destroyed = false;
 385         public void destroy() {
 386             if (destroyed) return;
 387             destroyed = true;
 388             pair.destroyed = true;
 389
 390             if (t != null) t.destroy();
 391             t = null;
 392
 393             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
 394             pair.t = null;
 395
 396             if (next.t != null) next.t.destroy();
 397             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
 398             next.t = null;
 399             prev.t = null;
 400
 401             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
 402             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
 403             pair.next.t = null;
 404             pair.prev.t = null;
 405
 406             this.bind_to = null;
 407             pair.bind_to = null;
 408             this.bind_peers = null;
 409             pair.bind_peers = null;
 410             pair.prev.next = next;
 411             next.prev = pair.prev;
 412             prev.next = pair.next;
 413             pair.next = prev;
 414             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
 415             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
 416         }
 417
 418         private void sync() {
 419             this.prev.next = this;
 420             this.next.prev = this;
 421             this.pair.pair = this;
 422             bind_peers.add(this);
 423             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 424             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 425             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 426             if (!added) added = true;
 427         }
 428         private boolean added = false;
 429
 430         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
 431
 432         public double crossAngle() {
 433             Vec v1 = t.norm().times(-1);
 434             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
 435             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 436         }
 437
 438         /** angle between this half-edge and the next */
 439         public double angle() {
 440             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
 441             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
 442             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 443         }
 444
 445         public void makeAdjacent(E e) {
 446             if (this.next == e) return;
 447             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 448             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 449
 450             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 451
 452             e.prev.next = freeIncident.next;
 453             freeIncident.next.prev = e.prev;
 454
 455             freeIncident.next = this.next;
 456             this.next.prev = freeIncident;
 457
 458             this.next = e;
 459             e.prev = this;
 460
 461             sync();
 462             freeIncident.sync();
 463         }
 464
 465         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 466         public E(Point p1, Point p2) {
 467             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
 468             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
 469             this.p1 = new Vertex(p1);
 470             this.p2 = new Vertex(p2);
 471             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 472             this.p1.e = this;
 473             this.p2.e = this.pair;
 474             sync();
 475         }
 476
 477         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 478         public E(E prev, Point p) {
 479             Vertex p2;
 480             p2 = vertices.get(p);
 481             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
 482             this.p1 = prev.p2;
 483             this.p2 = p2;
 484             this.prev = prev;
 485             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 486             if (p2.e==null) {
 487                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 488             } else {
 489                 E q = p2.getFreeIncident();
 490                 this.next = q.next;
 491                 this.next.prev = this;
 492                 E z = prev.next;
 493                 this.prev.next = this;
 494                 this.pair = new E(q, this, z);
 495             }
 496             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
 497             sync();
 498         }
 499
 500         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 501         public E(E prev, E pair, E next) {
 502             this.p1 = prev.p2;
 503             this.p2 = next.p1;
 504             this.prev = prev;
 505             this.next = next;
 506             this.pair = pair;
 507             sync();
 508         }
 509         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); }
 510         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
 511         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
 512         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 513
 514     }
 515
 516     public E makeE(Point p1, Point p2) {
 517         Vertex v1 = vertices.get(p1);
 518         Vertex v2 = vertices.get(p2);
 519         if (v1 != null && v2 != null) {
 520             E e = v1.getE(v2);
 521             if (e != null) return e;
 522             e = v2.getE(v1);
 523             if (e != null) return e;
 524         }
 525         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
 526         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
 527         return new E(p1, p2);
 528     }
 529     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
 530         if (norm != null) {
 531             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
 532             float dot = norm.dot(norm2);
 533             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
 534             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
 535         }
 536         E e12 = makeE(p1, p2);
 537         E e23 = makeE(p2, p3);
 538         E e31 = makeE(p3, p1);
 539         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
 540             e12.makeAdjacent(e23);
 541             e23.makeAdjacent(e31);
 542             e31.makeAdjacent(e12);
 543         }
 544         T ret = e12.makeT(colorclass);
 545         if (e12.t == null) throw new Error();
 546         if (e23.t == null) throw new Error();
 547         if (e31.t == null) throw new Error();
 548         return ret;
 549     }
 550
 551
 552     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 553     public final class T extends Triangle {
 554         public final E e1;
 555         public final int color;
 556         public final int colorclass;
 557
 558         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
 559         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
 560
 561         public void destroy() { triangles.remove(this); }
 562
 563         T(E e1, int colorclass) {
 564             this.e1 = e1;
 565             E e2 = e1.next;
 566             E e3 = e2.next;
 567             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
 568             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 569             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 570             e1.t = this;
 571             e1.next.t = this;
 572             e1.next.next.t = this;
 573
 574             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 575
 576             int color = Math.abs(random.nextInt());
 577             while(true) {
 578                 color = color % 4;
 579                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 580                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 581                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 582                 break;
 583             }
 584             this.color = color;
 585             this.colorclass = colorclass;
 586             triangles.add(this);
 587         }
 588         public E e1() { return e1; }
 589         public E e2() { return e1.next; }
 590         public E e3() { return e1.prev; }
 591         public Vertex v1() { return e1.p1; }
 592         public Vertex v2() { return e1.p2; }
 593         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
 594         public Point p1() { return e1.p1.p; }
 595         public Point p2() { return e1.p2.p; }
 596         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
 597         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 598         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
 599
 600         public boolean shouldBeDrawn() {
 601             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
 602             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
 603             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
 604             return true;
 605         }
 606
 607     }
 608 }