dfdc1a097514bdbf79b1ac85123f4364c9bfce84
[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 PointSet<Vert> pointset = new PointSet<Vert>();
18
19     public Iterable<Vert> vertices() { return pointset; }
20
21     public Iterable<E> edges() {
22         return
23             new Iterable<E>() {
24             public Iterator<E> iterator() {
25                 // HACK
26                 HashSet<E> hse = new HashSet<E>();
27                 for(T t : Mesh.this) {
28                     hse.add(t.e1());
29                     hse.add(t.e2());
30                     hse.add(t.e3());
31                     hse.add(t.e1().pair);
32                     hse.add(t.e2().pair);
33                     hse.add(t.e3().pair);
34                 }
35                 return hse.iterator();
36             } };
37     }
38
39     public Iterator<T> iterator() {
40         for(Vert v : pointset)
41             if (v.e != null && v.e.t != null)
42                 return new FaceIterator(v);
43         return new FaceIterator();
44     }
45
46     public Mesh score_against = null;
47     public double score = 0;
48     public float score() { return (float)score; }
49
50     public int numedges = 0;
51     public float avgedge = 0;
52
53     public void rebindPoints() {
54         // unbind all points
55         for(Mesh.T t : this) {
56             t.v1().unbind();
57             t.v2().unbind();
58             t.v3().unbind();
59         }
60         // ask edges to re-implement their bindings
61         for(Mesh.T t : this) {
62             t.e1().dobind();
63             t.e2().dobind();
64             t.e3().dobind();
65         }
66     }
67
68     public void unscoreAll() {
69         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
70         for(T t : this)
71             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
72                 if (done.contains(p)) continue;
73                 done.add(p);
74                 p.unscore();
75             }
76     }
77     public void recomputeAllFundamentalQuadrics() {
78         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
79         for(T t : this)
80             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
81                 if (done.contains(p)) continue;
82                 done.add(p);
83                 p.recomputeFundamentalQuadric();
84             }
85     }
86     public float rescoreAll() {
87         int num = 0;
88         double dist = 0;
89         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
90         for(T t : this)
91             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
92                 if (done.contains(p)) continue;
93                 done.add(p);
94                 p.rescore();
95                 
96             }
97         return (float)(dist/num);
98     }
99
100     public void transform(Matrix m) {
101         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
102         for (Vert v : pointset)
103             set.add(v);
104         for(Vert v : set) v.transform(m);
105     }
106
107     public float volume() {
108         double total = 0;
109         for(T t : this) {
110             double area = t.area();
111             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
112             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
113             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
114             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
115         }
116         return (float)total;
117     }
118
119     public class BindingGroup {
120         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
121         public BindingGroup() { }
122         public BindingGroup(E e) {
123             es.add(e);
124         }
125         public void add(E e) {
126             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
127             es.add(e);
128             e.bg = this;
129         }
130         public void merge(BindingGroup bg) {
131             for(E e : bg.es) {
132                 e.bg = null;
133                 add(e);
134             }
135         }
136     }
137
138     public Vec diagonal() { return pointset.diagonal(); }
139     public Point centroid() { return pointset.centroid(); }
140     public Vert nearest(Point p) { return pointset.nearest(p); }
141
142     public final class Vert extends HasPoint {
143         public Point p;
144         E e;                // some edge *leaving* this point
145
146         /** the nearest vertex in the "score_against" mesh */
147         Vert   nearest_in_other_mesh;
148         /** the number of vertices in the other mesh for which this is the nearest_in_other_mesh */
149         int    quadric_count;
150         /** the total error quadric (contributions from all vertices in other mesh for which this is nearest) */
151         Matrix quadric = Matrix.ZERO;
152
153         Vert bound_to = this;
154         Matrix binding = new Matrix();
155         float oldscore = 0;
156
157         public Matrix errorQuadric() { return quadric; }
158         public Point getPoint() { return p; }
159         public float score() { return oldscore; }
160
161         private Matrix fundamentalQuadric = null;
162         public Matrix fundamentalQuadric() {
163             if (fundamentalQuadric == null) recomputeFundamentalQuadric();
164             return fundamentalQuadric;
165         }
166
167         private Vert(Point p) {
168             this.p = p;
169             if (pointset.get(p) != null) throw new Error();
170             pointset.add(this);
171         }
172
173         public void recomputeFundamentalQuadric() {
174             unscore();
175             Matrix m = Matrix.ZERO;
176             E e = this.e;
177             do {
178                 T t = e.t;
179                 m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
180                 e = e.pair.next;
181             } while(e != this.e);
182             fundamentalQuadric = m;
183             rescore();
184         }
185
186         public void unscore() {
187             if (nearest_in_other_mesh == null) return;
188             if (fundamentalQuadric == null) return;
189             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.minus(fundamentalQuadric);
190             nearest_in_other_mesh.quadric_count--;
191             if (nearest_in_other_mesh.quadric_count==0)
192                 nearest_in_other_mesh.quadric = Matrix.ZERO;
193             nearest_in_other_mesh = null;
194         }
195
196         public void unsc() {
197             score -= oldscore;
198             oldscore = 0;
199         }
200         public void rescore() {
201             if (score_against == null) return;
202
203             unsc();
204
205             if (nearest_in_other_mesh != null) unscore();
206             if (nearest_in_other_mesh == null) {
207                 nearest_in_other_mesh = score_against.nearest(p);
208
209                 // don't attract to vertices that face the other way
210                 if (nearest_in_other_mesh.e == null || nearest_in_other_mesh.norm().dot(norm()) < 0) {
211                     nearest_in_other_mesh = null;
212                 } else {
213                     nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
214                     nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
215                 }
216             }
217
218             resc();
219         }
220         public void resc() {
221             oldscore = quadric_count == 0 ? 0 : (quadric.preAndPostMultiply(p) / quadric_count);
222             score += oldscore;
223         }
224
225         /** does NOT update bound pairs! */
226         public boolean transform(Matrix m) {
227             unscore();
228             try {
229                 if (pointset.get(this.p)==null) throw new Error();
230                 pointset.remove(this);
231                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
232                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
233                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
234                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
235                 pointset.add(this);
236             } catch (Exception e) {
237                 throw new RuntimeException(e);
238             }
239             rescore();
240
241             // should recompute fundamental quadrics of all vertices sharing a face, but we defer...
242             // FIXME: intersection test needed?
243             return true;
244         }
245
246         public boolean move(Vec v) {
247             Matrix m = new Matrix(v);
248             Vert p = this;
249             boolean good = true;
250             do {
251                 good &= p.transform(m);
252                 p = p.bound_to;
253             } while (p != this);
254             return good;
255         }
256
257         public E getFreeIncident() {
258             E ret = getFreeIncident(e, e);
259             if (ret != null) return ret;
260             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
261             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
262             return ret;
263         }
264
265         public E getFreeIncident(E start, E before) {
266             E e = start;
267             do {
268                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
269                 e = e.pair.next;
270             } while(e != before);
271             return null;
272         }
273
274         public E getE(Point p2) {
275             Vert v = pointset.get(p2);
276             if (v==null) return null;
277             return getE(v);
278         }
279         public E getE(Vert p2) {
280             E e = this.e;
281             do {
282                 if (e==null) return null;
283                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
284                 e = e.pair.next;
285             } while (e!=this.e);
286             return null;
287         }
288
289         public Vec norm() {
290             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
291             E e = this.e;
292             do {
293                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
294                 e = e.pair.next;
295             } while(e != this.e);
296             return norm.norm();
297         }
298
299         public boolean isBoundTo(Vert p) {
300             Vert px = p;
301             do {
302                 if (px==this) return true;
303                 px = px.bound_to;
304             } while(px != p);
305             return false;
306         }
307         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
308         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
309         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
310             if (isBoundTo(p)) return;
311             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
312             Matrix temp_binding = p.binding;
313             p.bound_to = this.bound_to;
314             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
315             this.bound_to = temp_bound_to;
316             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
317         }
318     }
319
320     /** [UNIQUE] an edge */
321     public final class E implements Comparable<E> {
322
323         public final Vert p1, p2;
324         T t;     // triangle to our "left"
325         E prev;  // previous half-edge
326         E next;  // next half-edge
327         E pair;  // partner half-edge
328         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
329         boolean shattered = false;
330
331         public int compareTo(E e) { return e.length() > length() ? 1 : -1; }
332
333         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
334         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
335
336         public void dobind() {
337             if (bg==null) return;
338             for(E ex : bg.es) {
339                 if (ex==this) continue;
340                 p1.bind(ex.p1);
341                 p2.bind(ex.p2);
342             }
343         }
344
345         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
346         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
347             if (shattered) return mid;
348             shattered = true;
349
350             Vert r = next.p2;
351             E next = this.next;
352             E prev = this.prev;
353
354             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
355             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
356             for(E e : bg.es) e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
357             pair.shatter();
358             destroy();
359
360             newT(r.p, p1.p, mid, null);
361             newT(r.p, mid, p2.p, null);
362             bg1.add(p1.getE(mid));
363             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
364             return mid;
365         }
366
367         public boolean destroyed = false;
368         public void destroy() {
369             if (destroyed) return;
370             destroyed = true;
371             pair.destroyed = true;
372             if (next.t != null) next.t.destroy();
373             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
374             next.t = null;
375             prev.t = null;
376             pair.next.t = null;
377             pair.prev.t = null;
378             this.bg = null;
379             pair.bg = null;
380             pair.prev.next = next;
381             next.prev = pair.prev;
382             prev.next = pair.next;
383             pair.next = prev;
384             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
385             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
386             avgedge -= this.length();
387             avgedge -= pair.length();
388             numedges--;
389             numedges--;
390         }
391
392         private void sync() {
393             this.prev.next = this;
394             this.next.prev = this;
395             this.pair.pair = this;
396             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
397             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
398             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
399             if (!added) {
400                 added = true;
401                 numedges++;
402                 avgedge += length();
403             }
404         }
405         private boolean added = false;
406
407         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
408
409         /** angle between this half-edge and the next */
410         public double angle() {
411             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
412             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
413             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
414         }
415
416         public void makeAdjacent(E e) {
417             if (this.next == e) return;
418             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
419             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
420
421             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
422
423             e.prev.next = freeIncident.next;
424             freeIncident.next.prev = e.prev;
425
426             freeIncident.next = this.next;
427             this.next.prev = freeIncident;
428             
429             this.next = e;
430             e.prev = this;
431
432             sync();
433             freeIncident.sync();
434         }
435
436         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
437         public E(Point p1, Point p2) {
438             if (pointset.get(p1) != null) throw new Error();
439             if (pointset.get(p2) != null) throw new Error();
440             this.p1 = new Vert(p1);
441             this.p2 = new Vert(p2);
442             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
443             this.p1.e = this;
444             this.p2.e = this.pair;
445             sync();
446         }
447
448         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
449         public E(E prev, Point p) {
450             Vert p2;
451             p2 = pointset.get(p);
452             if (p2 == null) p2 = new Vert(p);
453             this.p1 = prev.p2;
454             this.p2 = p2;
455             this.prev = prev;
456             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
457             if (p2.e==null) {
458                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
459             } else {
460                 E q = p2.getFreeIncident();
461                 this.next = q.next;
462                 this.next.prev = this;
463                 E z = prev.next;
464                 this.prev.next = this;
465                 this.pair = new E(q, this, z);
466             }
467             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
468             sync();
469         }
470
471         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
472         public E(E prev, E pair, E next) {
473             this.p1 = prev.p2;
474             this.p2 = next.p1;
475             this.prev = prev;
476             this.next = next;
477             this.pair = pair;
478             sync();
479         }
480         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); }
481         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
482         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
483         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
484
485         public boolean intersects(T t) {
486             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
487             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
488             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
489             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
490             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
491             double J0, J1, J2;
492             double K0, K1, K2;
493             double i0, i1, i2;
494             double a0, a1, a2;
495             double b0, b1, b2;
496             double c0, c1, c2;
497             double in_det;
498             double R00, R01, R02, R03,
499                 R10, R11, R12, R13,
500                 R20, R21, R22, R23,
501                 R30, R31, R32, R33;
502
503
504             /* a = B - A */
505             a0 = B0 - A0; 
506             a1 = B1 - A1; 
507             a2 = B2 - A2;
508             /* b = C - B */
509             b0 = C0 - A0;
510             b1 = C1 - A1;
511             b2 = C2 - A2;
512             /* c = a &times; b */
513             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
514             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
515             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
516  
517             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
518             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
519             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
520             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
521             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
522             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
523             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
524             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
525             R20 = (c0) * in_det;
526             R21 = (c1) * in_det;
527             R22 = (c2) * in_det;
528   
529             /* O = M^(-1) * A */
530             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
531             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
532             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
533  
534             /* fill in last row of 4x4 matrix */
535             R30 = R31 = R32 = 0;
536             R33 = 1;
537   
538             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
539             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
540             if (J2 * K2 >= 0) return false;
541
542             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
543             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
544             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
545             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
546   
547             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
548             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
549             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
550             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
551
552             return true;            
553         }
554     }
555
556     public E makeE(Point p1, Point p2) {
557         Vert v1 = pointset.get(p1);
558         Vert v2 = pointset.get(p2);
559         if (v1 != null && v2 != null) {
560             E e = v1.getE(v2);
561             if (e != null) return e;
562             e = v2.getE(v1);
563             if (e != null) return e;
564         }
565         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
566         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
567         return new E(p1, p2);
568     }
569     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm) {
570         if (norm != null) {
571             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
572             float dot = norm.dot(norm2);
573             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
574             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
575         }
576         E e12 = makeE(p1, p2);
577         E e23 = makeE(p2, p3);
578         E e31 = makeE(p3, p1);
579         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
580             e12.makeAdjacent(e23);
581             e23.makeAdjacent(e31);
582             e31.makeAdjacent(e12);
583         }
584         T ret = e12.makeT();
585         if (e12.t == null) throw new Error();
586         if (e23.t == null) throw new Error();
587         if (e31.t == null) throw new Error();
588         return ret;
589     }
590
591
592     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
593         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
594         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
595         public FaceIterator() { }
596         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
597         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
598         public void remove() { throw new Error(); }
599         public T next() {
600             T ret = next.removeFirst();
601             if (ret == null) return null;
602             visited.add(ret);
603             T t1 = ret.e1().pair.t;
604             T t2 = ret.e2().pair.t;
605             T t3 = ret.e3().pair.t;
606             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
607             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
608             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
609             return ret;
610         }
611     }
612
613     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
614     public final class T extends Triangle {
615         public final E e1;
616         public final int color;
617
618         public void destroy() {
619         }
620
621         T(E e1) {
622             this.e1 = e1;
623             E e2 = e1.next;
624             E e3 = e2.next;
625             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
626             if (e3.next!=e1) throw new Error();
627             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
628             e1.t = this;
629             e1.next.t = this;
630             e1.next.next.t = this;
631
632             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
633
634             int color = Math.abs(random.nextInt());
635             while(true) {
636                 color = color % 4;
637                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
638                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
639                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
640                 break;
641             }
642             this.color = color;
643         }
644         public E e1() { return e1; }
645         public E e2() { return e1.next; }
646         public E e3() { return e1.prev; }
647         public Vert v1() { return e1.p1; }
648         public Vert v2() { return e1.p2; }
649         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
650         public Point p1() { return e1.p1.p; }
651         public Point p2() { return e1.p2.p; }
652         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
653         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
654         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
655     }
656
657 }