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