checkpoint
[anneal.git] / src / edu / berkeley / qfat / Mesh.java
1 package edu.berkeley.qfat;
2 import java.awt.*;
3 import java.util.*;
4 import java.awt.event.*;
5 import javax.swing.*;
6 import javax.media.opengl.*;
7 import javax.media.opengl.glu.*;
8 import edu.berkeley.qfat.geom.*;
9 import edu.wlu.cs.levy.CG.KDTree;
10 import edu.berkeley.qfat.geom.Point;
11
12 public class Mesh implements Iterable<Mesh.T> {
13
14     public static float EPSILON = (float)0.0001;
15     public static Random random = new Random();
16
17     private PointSet<Vert> pointset = new PointSet<Vert>();
18     public Vert nearest(Point p) { return pointset.nearest(p); }
19     private HashMap<Point,Vert> verts = new HashMap<Point,Vert>();
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 : verts.values())
41             if (v.e != null && v.e.t != null)
42                 return new FaceIterator(v);
43         return new FaceIterator();
44     }
45
46     public Point origin() { return new Point(0, 0, 0); }
47
48     public Mesh score_against = null;
49     public double score = 0;
50     public float score() { return (float)score; }
51
52     public int numedges = 0;
53     public float avgedge = 0;
54
55     public void unbind() {
56         for(Mesh.T t : this) {
57             t.v1().unbind();
58             t.v2().unbind();
59             t.v3().unbind();
60         }
61     }
62
63     public void bind() {
64         for(Mesh.T t : this) {
65             t.e1().dobind();
66             t.e2().dobind();
67             t.e3().dobind();
68         }
69     }
70
71     public float rescore() {
72         int num = 0;
73         double dist = 0;
74         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
75         for(T t : this)
76             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
77                 if (done.contains(p)) continue;
78                 done.add(p);
79                 p.rescore();
80             }
81         for(T t : this)
82             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
83                 p.kdremove();
84         pointset.clear();
85         for(T t : this)
86             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
87                 p.kdinsert();
88         return (float)(dist/num);
89     }
90
91     public void transform(Matrix m) {
92         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
93         set.addAll(verts.values());
94         for(Vert v : set) v.transform(m);
95     }
96
97     public Vec diagonal() {
98         float min_x = Float.MAX_VALUE;
99         float min_y = Float.MAX_VALUE;
100         float min_z = Float.MAX_VALUE;
101         float max_x = Float.MIN_VALUE;
102         float max_y = Float.MIN_VALUE;
103         float max_z = Float.MIN_VALUE;
104         for(Point p : verts.keySet()) {
105             if (p.x < min_x) min_x = p.x;
106             if (p.y < min_y) min_y = p.y;
107             if (p.z < min_z) min_z = p.z;
108             if (p.x > max_x) max_x = p.x;
109             if (p.y > max_y) max_y = p.y;
110             if (p.z > max_z) max_z = p.z;
111         }
112         return new Vec(max_x - min_x, max_y - min_y, max_z - min_z);
113     }
114
115     public Point centroid() {
116         float min_x = Float.MAX_VALUE;
117         float min_y = Float.MAX_VALUE;
118         float min_z = Float.MAX_VALUE;
119         float max_x = Float.MIN_VALUE;
120         float max_y = Float.MIN_VALUE;
121         float max_z = Float.MIN_VALUE;
122         for(Point p : verts.keySet()) {
123             if (p.x < min_x) min_x = p.x;
124             if (p.y < min_y) min_y = p.y;
125             if (p.z < min_z) min_z = p.z;
126             if (p.x > max_x) max_x = p.x;
127             if (p.y > max_y) max_y = p.y;
128             if (p.z > max_z) max_z = p.z;
129         }
130         return new Point((float)(max_x + min_x)/2,
131                      (float)(max_y + min_y)/2,
132                      (float)(max_z + min_z)/2);
133     }
134
135     public float volume() {
136         double total = 0;
137         for(T t : this) {
138             double area = t.area();
139             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
140             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
141             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
142             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
143         }
144         return (float)total;
145     }
146
147
148     public class BindingGroup {
149         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
150         public BindingGroup() { }
151         public BindingGroup(E e) {
152             es.add(e);
153         }
154         public void add(E e) {
155             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
156             es.add(e);
157             e.bg = this;
158         }
159         public void merge(BindingGroup bg) {
160             for(E e : bg.es) {
161                 e.bg = null;
162                 add(e);
163             }
164         }
165     }
166
167     public Vert register(Point p) { Vert v = verts.get(p); return v==null ? new Vert(p) : v; }
168     public final class Vert extends HasPoint {
169         public Point p;
170         public Point getPoint() { return p; }
171         private Vert(Point p) {
172             this.p = p;
173             if (verts.get(p) != null) throw new Error();
174             verts.put(this.p, this);
175         }
176         public void kdremove() {
177             if (!inserted) return;
178             inserted = false;
179             pointset.remove(this);
180         }
181         public void kdinsert() {
182             if (inserted) return;
183             inserted = true;
184             pointset.add(this);
185         }
186
187         public float score() { return oldscore; }
188         public void unscore() {
189             if (watch == null) return;
190             watch.watch_x -= p.x;
191             watch.watch_y -= p.y;
192             watch.watch_z -= p.z;
193             watch.watch_count--;
194             if (watch.watch_count==0) {
195                 watch.watch_x = 0;
196                 watch.watch_y = 0;
197                 watch.watch_z = 0;
198             }
199             watch = null;
200         }
201         public Vert partner() { return watch==null ? this : watch; }
202         public Vert watchback() { return watch_count==0 ? partner() :
203                 register(new Point(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count)); }
204         public void rescore() {
205             if (score_against == null) return;
206
207             score -= oldscore;
208             oldscore = 0;
209
210             if (watch != null) unscore();
211             Vert po = this;
212             if (watch == null) {
213                 watch = score_against.nearest(po.p);
214
215                 // don't attract to vertices that face the other way
216                 if (watch.norm().dot(norm()) < 0) {
217                     watch = null;
218                 } else {
219                     watch.watch_x += po.p.x;
220                     watch.watch_y += po.p.y;
221                     watch.watch_z += po.p.z;
222                     watch.watch_count++;
223                 }
224             }
225
226             double s1, s2;
227             if (watch_count==0) s1 = 0;
228             else                s1 = p.distance(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count);
229             s2 = watch==null ? 0 : po.p.distance(watch.p);
230             oldscore = (float)(s1 + s2);
231             score += oldscore;
232         }
233
234         /** does NOT update bound pairs! */
235         public boolean transform(Matrix m) {
236             // FIXME: screws up kdtree 
237             // FIXME: screws up hashmap
238             unscore();
239             try {
240                 if (verts.get(this.p)==null) throw new Error();
241                 verts.remove(this.p);
242                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
243                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
244                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
245                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
246                 // FIXME: what if we move onto exactly where another point is?
247                 verts.put(this.p,(Vert)this);
248             } catch (Exception e) {
249                 throw new RuntimeException(e);
250             }
251             rescore();
252             boolean good = true;
253             /*
254             for(T t : this) {
255                 for(E e = this.e; ;) {
256                     if (e.intersects(t)) { good = false; break; }
257                     e = e.pair.next;
258                     if (e == this.e) break;
259                 }
260             }
261             */
262             /*
263                 if (t==this.t) continue;
264                 if (this.intersects(t)) good = false;
265             }
266             */
267             return good;
268         }
269         public boolean move(Vec v) {
270             Matrix m = new Matrix(v);
271             Vert p = this;
272             boolean good = true;
273             do {
274                 good &= p.transform(m);
275                 v = v.times(binding); // bleh wrong
276                 p = p.bound_to;
277             } while (p != this);
278             return good;
279         }
280
281         public E makeE(Vert p2) {
282             E e = getE(p2);
283             if (e != null) return e;
284             e = p2.getE(this);
285             if (this.e == null && p2.e == null) return this.e = new E(this, p2);
286             if (this.e == null && p2.e != null) return p2.makeE(this).pair;
287             return new E(getFreeIncident(), p2);
288         }
289
290         public E getFreeIncident() {
291             E ret = getFreeIncident(e, e);
292             if (ret != null) return ret;
293             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
294             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
295             return ret;
296         }
297
298         public E getFreeIncident(E start, E before) {
299             E e = start;
300             do {
301                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
302                 e = e.pair.next;
303             } while(e != before);
304             return null;
305         }
306
307         public E getE(Vert p2) {
308             E e = this.e;
309             do {
310                 if (e==null) return null;
311                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
312                 e = e.pair.next;
313             } while (e!=this.e);
314             return null;
315         }
316
317         public boolean isBoundTo(Vert p) {
318             Vert px = p;
319             do {
320                 if (px==this) return true;
321                 px = px.bound_to;
322             } while(px != p);
323             return false;
324         }
325
326         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
327         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
328         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
329             if (isBoundTo(p)) return;
330             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
331             Matrix temp_binding = p.binding;
332             p.bound_to = this.bound_to;
333             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
334             this.bound_to = temp_bound_to;
335             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
336         }
337         public Vec norm() {
338             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
339             E e = this.e;
340             do {
341                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
342                 e = e.pair.next;
343             } while(e != this.e);
344             return norm.norm();
345         }
346
347         Vert bound_to = this;
348         int watch_count;
349         float watch_x;
350         float watch_y;
351         float watch_z;
352         Vert watch;
353         E e;                // some edge *leaving* this point
354         Matrix binding = new Matrix();
355         float oldscore = 0;
356         boolean inserted = false;
357     }
358
359     /** [UNIQUE] an edge */
360     public final class E implements Comparable<E> {
361
362         public boolean intersects(T t) {
363             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
364             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
365             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
366             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
367             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
368             double J0, J1, J2;
369             double K0, K1, K2;
370             double i0, i1, i2;
371             double a0, a1, a2;
372             double b0, b1, b2;
373             double c0, c1, c2;
374             double in_det;
375             double R00, R01, R02, R03,
376                 R10, R11, R12, R13,
377                 R20, R21, R22, R23,
378                 R30, R31, R32, R33;
379
380
381             /* a = B - A */
382             a0 = B0 - A0; 
383             a1 = B1 - A1; 
384             a2 = B2 - A2;
385             /* b = C - B */
386             b0 = C0 - A0;
387             b1 = C1 - A1;
388             b2 = C2 - A2;
389             /* c = a &times; b */
390             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
391             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
392             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
393  
394             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
395             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
396             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
397             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
398             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
399             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
400             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
401             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
402             R20 = (c0) * in_det;
403             R21 = (c1) * in_det;
404             R22 = (c2) * in_det;
405   
406             /* O = M^(-1) * A */
407             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
408             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
409             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
410  
411             /* fill in last row of 4x4 matrix */
412             R30 = R31 = R32 = 0;
413             R33 = 1;
414   
415             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
416             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
417             if (J2 * K2 >= 0) return false;
418
419             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
420             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
421             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
422             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
423   
424             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
425             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
426             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
427             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
428
429             return true;            
430         }
431
432         public int compareTo(E e) {
433             return e.length() > length() ? 1 : -1;
434         }
435
436         public final Vert p1, p2;
437         T t;     // triangle to our "left"
438         E prev;  // previous half-edge
439         E next;  // next half-edge
440         E pair;  // partner half-edge
441
442
443         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
444
445         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
446         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
447
448         public void dobind() {
449             if (bg==null) return;
450             for(E ex : bg.es) {
451                 if (ex==this) continue;
452                 p1.bind(ex.p1);
453                 p2.bind(ex.p2);
454             }
455         }
456
457         boolean shattered = false;
458         public Vert shatter() { return shatter(register(midpoint()), null, null); }
459         public Vert shatter(Vert mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
460             if (shattered) return mid;
461             shattered = true;
462
463             Vert r = next.p2;
464             E next = this.next;
465             E prev = this.prev;
466
467             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
468             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
469             for(E e : bg.es) e.shatter(register(e.midpoint()), bg1, bg2);
470             pair.shatter();
471             destroy();
472
473             newT(r, p1, mid, null);
474             newT(r, mid, p2, null);
475             bg1.add(p1.getE(mid));
476             bg2.add(mid.getE(p2));
477             return mid;
478         }
479
480         public boolean destroyed = false;
481         public void destroy() {
482             if (destroyed) return;
483             destroyed = true;
484             pair.destroyed = true;
485             if (next.t != null) next.t.destroy();
486             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
487             next.t = null;
488             prev.t = null;
489             pair.next.t = null;
490             pair.prev.t = null;
491             this.bg = null;
492             pair.bg = null;
493             pair.prev.next = next;
494             next.prev = pair.prev;
495             prev.next = pair.next;
496             pair.next = prev;
497             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
498             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
499             avgedge -= this.length();
500             avgedge -= pair.length();
501             numedges--;
502             numedges--;
503         }
504
505         private void sync() {
506             this.prev.next = this;
507             this.next.prev = this;
508             this.pair.pair = this;
509             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
510             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
511             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
512             if (!added) {
513                 added = true;
514                 numedges++;
515                 avgedge += length();
516             }
517         }
518         private boolean added = false;
519
520         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
521
522         /** angle between this half-edge and the next */
523         public double angle() {
524             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
525             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
526             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
527         }
528
529         public void makeAdjacent(E e) {
530             if (this.next == e) return;
531             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
532             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
533
534             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
535
536             e.prev.next = freeIncident.next;
537             freeIncident.next.prev = e.prev;
538
539             freeIncident.next = this.next;
540             this.next.prev = freeIncident;
541             
542             this.next = e;
543             e.prev = this;
544
545             sync();
546             freeIncident.sync();
547         }
548
549         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
550         public E(Vert p1, Vert p2) {
551             if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
552             this.p1 = p1;
553             this.p2 = p2;
554             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
555             sync();
556         }
557
558         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
559         public E(E prev, Vert p2) {
560             this.p1 = prev.p2;
561             this.p2 = p2;
562             this.prev = prev;
563             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
564             if (p2.e==null) {
565                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
566             } else {
567                 E q = p2.getFreeIncident();
568                 this.next = q.next;
569                 this.next.prev = this;
570                 E z = prev.next;
571                 this.prev.next = this;
572                 this.pair = new E(q, this, z);
573             }
574             sync();
575         }
576
577         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
578         public E(E prev, E pair, E next) {
579             this.p1 = prev.p2;
580             this.p2 = next.p1;
581             this.prev = prev;
582             this.next = next;
583             this.pair = pair;
584             sync();
585         }
586         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); }
587         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
588         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
589         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
590     }
591
592     public T newT(Vert p1, Vert p2, Vert p3, Vec norm) {
593         if (norm != null) {
594             Vec norm2 = p3.p.minus(p1.p).cross(p2.p.minus(p1.p));
595             float dot = norm.dot(norm2);
596             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
597             if (dot < 0) { Vert p = p1; p1=p2; p2 = p; }
598         }
599         E e12 = p1.makeE(p2);
600         E e23 = p2.makeE(p3);
601         E e31 = p3.makeE(p1);
602         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
603             e12.makeAdjacent(e23);
604             e23.makeAdjacent(e31);
605             e31.makeAdjacent(e12);
606         }
607         T ret = e12.makeT();
608         if (e12.t == null) throw new Error();
609         if (e23.t == null) throw new Error();
610         if (e31.t == null) throw new Error();
611         return ret;
612     }
613
614
615     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
616         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
617         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
618         public FaceIterator() { }
619         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
620         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
621         public void remove() { throw new Error(); }
622         public T next() {
623             T ret = next.removeFirst();
624             if (ret == null) return null;
625             visited.add(ret);
626             T t1 = ret.e1().pair.t;
627             T t2 = ret.e2().pair.t;
628             T t3 = ret.e3().pair.t;
629             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
630             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
631             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
632             return ret;
633         }
634     }
635
636     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
637     public final class T extends Triangle {
638         public final E e1;
639         public final int color;
640
641         public void destroy() {
642         }
643
644         T(E e1) {
645             this.e1 = e1;
646             E e2 = e1.next;
647             E e3 = e2.next;
648             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
649             if (e3.next!=e1) throw new Error();
650             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
651             e1.t = this;
652             e1.next.t = this;
653             e1.next.next.t = this;
654
655             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
656
657             int color = Math.abs(random.nextInt());
658             while(true) {
659                 color = color % 4;
660                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
661                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
662                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
663                 break;
664             }
665             this.color = color;
666
667             v1().kdinsert();
668             v2().kdinsert();
669             v3().kdinsert();
670         }
671         public E e1() { return e1; }
672         public E e2() { return e1.next; }
673         public E e3() { return e1.prev; }
674         public Vert v1() { return e1.p1; }
675         public Vert v2() { return e1.p2; }
676         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
677         public Point p1() { return e1.p1.p; }
678         public Point p2() { return e1.p2.p; }
679         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
680         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
681         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
682     }
683
684 }