f96346d8eebc375c0ac50ee60e02535ebfbdf395
[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 unbind() {
54         for(Mesh.T t : this) {
55             t.v1().unbind();
56             t.v2().unbind();
57             t.v3().unbind();
58         }
59     }
60
61     public void bind() {
62         for(Mesh.T t : this) {
63             t.e1().dobind();
64             t.e2().dobind();
65             t.e3().dobind();
66         }
67     }
68
69     public void unscore() {
70         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
71         for(T t : this)
72             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
73                 if (done.contains(p)) continue;
74                 done.add(p);
75                 p.unscore();
76             }
77     }
78     public void fundamental() {
79         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
80         for(T t : this)
81             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
82                 if (done.contains(p)) continue;
83                 done.add(p);
84                 p.recomputeFundamentalQuadric();
85             }
86     }
87     public float rescore() {
88         int num = 0;
89         double dist = 0;
90         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
91         for(T t : this)
92             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
93                 if (done.contains(p)) continue;
94                 done.add(p);
95                 p.rescore();
96                 
97             }
98         return (float)(dist/num);
99     }
100
101     public void transform(Matrix m) {
102         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
103         for (Vert v : pointset)
104             set.add(v);
105         for(Vert v : set) v.transform(m);
106     }
107
108     public float volume() {
109         double total = 0;
110         for(T t : this) {
111             double area = t.area();
112             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
113             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
114             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
115             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
116         }
117         return (float)total;
118     }
119
120     public class BindingGroup {
121         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
122         public BindingGroup() { }
123         public BindingGroup(E e) {
124             es.add(e);
125         }
126         public void add(E e) {
127             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
128             es.add(e);
129             e.bg = this;
130         }
131         public void merge(BindingGroup bg) {
132             for(E e : bg.es) {
133                 e.bg = null;
134                 add(e);
135             }
136         }
137     }
138
139     public Vec diagonal() { return pointset.diagonal(); }
140     public Point centroid() { return pointset.centroid(); }
141     public Vert nearest(Point p) { return pointset.nearest(p); }
142
143     public final class Vert extends HasPoint {
144         public Point p;
145         E e;                // some edge *leaving* this point
146
147         Vert bound_to = this;
148
149         /** the nearest vertex in the "score_against" mesh */
150         Vert   nearest_in_other_mesh;
151         /** the number of vertices in the other mesh for which this is the nearest_in_other_mesh */
152         int    quadric_count;
153         /** the total error quadric (contributions from all vertices in other mesh for which this is nearest) */
154         Matrix quadric = Matrix.ZERO;
155
156         Matrix binding = new Matrix();
157         float oldscore = 0;
158         boolean inserted = false;
159
160         public Matrix errorQuadric() { return quadric; }
161
162         private Matrix fundamentalQuadric = null;
163         public Matrix fundamentalQuadric() {
164             if (fundamentalQuadric == null) recomputeFundamentalQuadric();
165             return fundamentalQuadric;
166         }
167
168         public Point getPoint() { return p; }
169         private Vert(Point p) {
170             this.p = p;
171             if (pointset.get(p) != null) throw new Error();
172             pointset.add(this);
173         }
174         public float score() { return oldscore; }
175
176         public void recomputeFundamentalQuadric() {
177             unscore();
178             Matrix m = Matrix.ZERO;
179             E e = this.e;
180             do {
181                 T t = e.t;
182                 m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
183                 e = e.pair.next;
184             } while(e != this.e);
185             fundamentalQuadric = m;
186             rescore();
187         }
188
189         public void unscore() {
190             if (nearest_in_other_mesh == null) return;
191             if (fundamentalQuadric == null) return;
192             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.minus(fundamentalQuadric);
193             nearest_in_other_mesh.quadric_count--;
194             if (nearest_in_other_mesh.quadric_count==0)
195                 nearest_in_other_mesh.quadric = Matrix.ZERO;
196             nearest_in_other_mesh = null;
197         }
198
199         public void rescore() {
200             if (score_against == null) return;
201
202             score -= oldscore;
203             oldscore = 0;
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             oldscore = quadric_count == 0 ? 0 : (quadric.preAndPostMultiply(p) / quadric_count);
219             score += oldscore;
220         }
221
222         /** does NOT update bound pairs! */
223         public boolean transform(Matrix m) {
224             unscore();
225             try {
226                 if (pointset.get(this.p)==null) throw new Error();
227                 pointset.remove(this);
228                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
229                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
230                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
231                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
232                 pointset.add(this);
233             } catch (Exception e) {
234                 throw new RuntimeException(e);
235             }
236             rescore();
237
238             // should recompute fundamental quadrics of all vertices sharing a face, but we defer...
239             // FIXME: intersection test needed?
240             return true;
241         }
242         public boolean move(Vec v) {
243             Matrix m = new Matrix(v);
244             Vert p = this;
245             boolean good = true;
246             do {
247                 good &= p.transform(m);
248                 v = v.times(binding); // bleh wrong
249                 p = p.bound_to;
250             } while (p != this);
251             return good;
252         }
253
254         public E getFreeIncident() {
255             E ret = getFreeIncident(e, e);
256             if (ret != null) return ret;
257             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
258             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
259             return ret;
260         }
261
262         public E getFreeIncident(E start, E before) {
263             E e = start;
264             do {
265                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
266                 e = e.pair.next;
267             } while(e != before);
268             return null;
269         }
270
271         public E getE(Point p2) {
272             Vert v = pointset.get(p2);
273             if (v==null) return null;
274             return getE(v);
275         }
276         public E getE(Vert p2) {
277             E e = this.e;
278             do {
279                 if (e==null) return null;
280                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
281                 e = e.pair.next;
282             } while (e!=this.e);
283             return null;
284         }
285
286         public boolean isBoundTo(Vert p) {
287             Vert px = p;
288             do {
289                 if (px==this) return true;
290                 px = px.bound_to;
291             } while(px != p);
292             return false;
293         }
294
295         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
296         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
297         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
298             if (isBoundTo(p)) return;
299             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
300             Matrix temp_binding = p.binding;
301             p.bound_to = this.bound_to;
302             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
303             this.bound_to = temp_bound_to;
304             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
305         }
306         public Vec norm() {
307             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
308             E e = this.e;
309             do {
310                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
311                 e = e.pair.next;
312             } while(e != this.e);
313             return norm.norm();
314         }
315     }
316
317     /** [UNIQUE] an edge */
318     public final class E implements Comparable<E> {
319
320         public final Vert p1, p2;
321         T t;     // triangle to our "left"
322         E prev;  // previous half-edge
323         E next;  // next half-edge
324         E pair;  // partner half-edge
325         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
326         boolean shattered = false;
327
328         public int compareTo(E e) { return e.length() > length() ? 1 : -1; }
329
330         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
331         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
332
333         public void dobind() {
334             if (bg==null) return;
335             for(E ex : bg.es) {
336                 if (ex==this) continue;
337                 p1.bind(ex.p1);
338                 p2.bind(ex.p2);
339             }
340         }
341
342         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
343         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
344             if (shattered) return mid;
345             shattered = true;
346
347             Vert r = next.p2;
348             E next = this.next;
349             E prev = this.prev;
350
351             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
352             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
353             for(E e : bg.es) e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
354             pair.shatter();
355             destroy();
356
357             newT(r.p, p1.p, mid, null);
358             newT(r.p, mid, p2.p, null);
359             bg1.add(p1.getE(mid));
360             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
361             return mid;
362         }
363
364         public boolean destroyed = false;
365         public void destroy() {
366             if (destroyed) return;
367             destroyed = true;
368             pair.destroyed = true;
369             if (next.t != null) next.t.destroy();
370             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
371             next.t = null;
372             prev.t = null;
373             pair.next.t = null;
374             pair.prev.t = null;
375             this.bg = null;
376             pair.bg = null;
377             pair.prev.next = next;
378             next.prev = pair.prev;
379             prev.next = pair.next;
380             pair.next = prev;
381             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
382             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
383             avgedge -= this.length();
384             avgedge -= pair.length();
385             numedges--;
386             numedges--;
387         }
388
389         private void sync() {
390             this.prev.next = this;
391             this.next.prev = this;
392             this.pair.pair = this;
393             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
394             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
395             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
396             if (!added) {
397                 added = true;
398                 numedges++;
399                 avgedge += length();
400             }
401         }
402         private boolean added = false;
403
404         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
405
406         /** angle between this half-edge and the next */
407         public double angle() {
408             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
409             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
410             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
411         }
412
413         public void makeAdjacent(E e) {
414             if (this.next == e) return;
415             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
416             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
417
418             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
419
420             e.prev.next = freeIncident.next;
421             freeIncident.next.prev = e.prev;
422
423             freeIncident.next = this.next;
424             this.next.prev = freeIncident;
425             
426             this.next = e;
427             e.prev = this;
428
429             sync();
430             freeIncident.sync();
431         }
432
433         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
434         public E(Point p1, Point p2) {
435             if (pointset.get(p1) != null) throw new Error();
436             if (pointset.get(p2) != null) throw new Error();
437             this.p1 = new Vert(p1);
438             this.p2 = new Vert(p2);
439             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
440             this.p1.e = this;
441             this.p2.e = this.pair;
442             sync();
443         }
444
445         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
446         public E(E prev, Point p) {
447             Vert p2;
448             p2 = pointset.get(p);
449             if (p2 == null) p2 = new Vert(p);
450             this.p1 = prev.p2;
451             this.p2 = p2;
452             this.prev = prev;
453             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
454             if (p2.e==null) {
455                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
456             } else {
457                 E q = p2.getFreeIncident();
458                 this.next = q.next;
459                 this.next.prev = this;
460                 E z = prev.next;
461                 this.prev.next = this;
462                 this.pair = new E(q, this, z);
463             }
464             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
465             sync();
466         }
467
468         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
469         public E(E prev, E pair, E next) {
470             this.p1 = prev.p2;
471             this.p2 = next.p1;
472             this.prev = prev;
473             this.next = next;
474             this.pair = pair;
475             sync();
476         }
477         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); }
478         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
479         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
480         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
481
482         public boolean intersects(T t) {
483             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
484             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
485             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
486             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
487             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
488             double J0, J1, J2;
489             double K0, K1, K2;
490             double i0, i1, i2;
491             double a0, a1, a2;
492             double b0, b1, b2;
493             double c0, c1, c2;
494             double in_det;
495             double R00, R01, R02, R03,
496                 R10, R11, R12, R13,
497                 R20, R21, R22, R23,
498                 R30, R31, R32, R33;
499
500
501             /* a = B - A */
502             a0 = B0 - A0; 
503             a1 = B1 - A1; 
504             a2 = B2 - A2;
505             /* b = C - B */
506             b0 = C0 - A0;
507             b1 = C1 - A1;
508             b2 = C2 - A2;
509             /* c = a &times; b */
510             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
511             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
512             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
513  
514             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
515             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
516             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
517             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
518             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
519             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
520             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
521             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
522             R20 = (c0) * in_det;
523             R21 = (c1) * in_det;
524             R22 = (c2) * in_det;
525   
526             /* O = M^(-1) * A */
527             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
528             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
529             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
530  
531             /* fill in last row of 4x4 matrix */
532             R30 = R31 = R32 = 0;
533             R33 = 1;
534   
535             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
536             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
537             if (J2 * K2 >= 0) return false;
538
539             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
540             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
541             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
542             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
543   
544             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
545             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
546             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
547             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
548
549             return true;            
550         }
551     }
552
553     public E makeE(Point p1, Point p2) {
554         Vert v1 = pointset.get(p1);
555         Vert v2 = pointset.get(p2);
556         if (v1 != null && v2 != null) {
557             E e = v1.getE(v2);
558             if (e != null) return e;
559             e = v2.getE(v1);
560             if (e != null) return e;
561         }
562         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
563         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
564         return new E(p1, p2);
565     }
566     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm) {
567         if (norm != null) {
568             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
569             float dot = norm.dot(norm2);
570             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
571             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
572         }
573         E e12 = makeE(p1, p2);
574         E e23 = makeE(p2, p3);
575         E e31 = makeE(p3, p1);
576         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
577             e12.makeAdjacent(e23);
578             e23.makeAdjacent(e31);
579             e31.makeAdjacent(e12);
580         }
581         T ret = e12.makeT();
582         if (e12.t == null) throw new Error();
583         if (e23.t == null) throw new Error();
584         if (e31.t == null) throw new Error();
585         return ret;
586     }
587
588
589     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
590         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
591         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
592         public FaceIterator() { }
593         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
594         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
595         public void remove() { throw new Error(); }
596         public T next() {
597             T ret = next.removeFirst();
598             if (ret == null) return null;
599             visited.add(ret);
600             T t1 = ret.e1().pair.t;
601             T t2 = ret.e2().pair.t;
602             T t3 = ret.e3().pair.t;
603             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
604             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
605             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
606             return ret;
607         }
608     }
609
610     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
611     public final class T extends Triangle {
612         public final E e1;
613         public final int color;
614
615         public void destroy() {
616         }
617
618         T(E e1) {
619             this.e1 = e1;
620             E e2 = e1.next;
621             E e3 = e2.next;
622             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
623             if (e3.next!=e1) throw new Error();
624             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
625             e1.t = this;
626             e1.next.t = this;
627             e1.next.next.t = this;
628
629             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
630
631             int color = Math.abs(random.nextInt());
632             while(true) {
633                 color = color % 4;
634                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
635                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
636                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
637                 break;
638             }
639             this.color = color;
640         }
641         public E e1() { return e1; }
642         public E e2() { return e1.next; }
643         public E e3() { return e1.prev; }
644         public Vert v1() { return e1.p1; }
645         public Vert v2() { return e1.p2; }
646         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
647         public Point p1() { return e1.p1.p; }
648         public Point p2() { return e1.p2.p; }
649         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
650         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
651         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
652     }
653
654 }