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 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 unApplyQuadricToNeighborAll() {
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.unApplyQuadricToNeighbor();
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 applyQuadricToNeighborAll() {
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.applyQuadricToNeighbor();
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             unApplyQuadricToNeighbor();
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             applyQuadricToNeighbor();
184         }
185
186         public void unApplyQuadricToNeighbor() {
187             if (nearest_in_other_mesh == null) return;
188             if (fundamentalQuadric == null) return;
189             nearest_in_other_mesh.unComputeError();
190             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.minus(fundamentalQuadric);
191             nearest_in_other_mesh.quadric_count--;
192             if (nearest_in_other_mesh.quadric_count==0)
193                 nearest_in_other_mesh.quadric = Matrix.ZERO;
194             nearest_in_other_mesh.computeError();
195             nearest_in_other_mesh = null;
196         }
197
198         public void applyQuadricToNeighbor() {
199             if (score_against == null) return;
200
201             if (nearest_in_other_mesh != null) unApplyQuadricToNeighbor();
202             if (nearest_in_other_mesh == null) {
203                 nearest_in_other_mesh = score_against.nearest(p);
204
205                 // don't attract to vertices that face the other way
206                 if (nearest_in_other_mesh.e == null || nearest_in_other_mesh.norm().dot(norm()) < 0) {
207                     nearest_in_other_mesh = null;
208                 } else {
209                     nearest_in_other_mesh.unComputeError();
210                     nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
211                     nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
212                     nearest_in_other_mesh.computeError();
213                 }
214             }
215             reComputeError();
216         }
217
218         public void reComputeError() {
219             unComputeError();
220             computeError();
221         }
222         public void unComputeError() {
223             score -= oldscore;
224             oldscore = 0;
225         }
226         public void computeError() {
227             oldscore = quadric_count == 0 ? 0 : (quadric.preAndPostMultiply(p) / quadric_count);
228             score += oldscore;
229         }
230
231         /** does NOT update bound pairs! */
232         public boolean transform(Matrix m) {
233             unApplyQuadricToNeighbor();
234             try {
235                 if (pointset.get(this.p)==null) throw new Error();
236                 pointset.remove(this);
237                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
238                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
239                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
240                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
241                 pointset.add(this);
242             } catch (Exception e) {
243                 throw new RuntimeException(e);
244             }
245             applyQuadricToNeighbor();
246
247             // should recompute fundamental quadrics of all vertices sharing a face, but we defer...
248             // FIXME: intersection test needed?
249             return true;
250         }
251
252         public boolean move(Vec v) {
253             Matrix m = new Matrix(v);
254             Vert p = this;
255             boolean good = true;
256             do {
257                 good &= p.transform(m);
258                 p = p.bound_to;
259             } while (p != this);
260             return good;
261         }
262
263         public E getFreeIncident() {
264             E ret = getFreeIncident(e, e);
265             if (ret != null) return ret;
266             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
267             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
268             return ret;
269         }
270
271         public E getFreeIncident(E start, E before) {
272             E e = start;
273             do {
274                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
275                 e = e.pair.next;
276             } while(e != before);
277             return null;
278         }
279
280         public E getE(Point p2) {
281             Vert v = pointset.get(p2);
282             if (v==null) return null;
283             return getE(v);
284         }
285         public E getE(Vert p2) {
286             E e = this.e;
287             do {
288                 if (e==null) return null;
289                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
290                 e = e.pair.next;
291             } while (e!=this.e);
292             return null;
293         }
294
295         public Vec norm() {
296             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
297             E e = this.e;
298             do {
299                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
300                 e = e.pair.next;
301             } while(e != this.e);
302             return norm.norm();
303         }
304
305         public boolean isBoundTo(Vert p) {
306             Vert px = p;
307             do {
308                 if (px==this) return true;
309                 px = px.bound_to;
310             } while(px != p);
311             return false;
312         }
313         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
314         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
315         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
316             if (isBoundTo(p)) return;
317             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
318             Matrix temp_binding = p.binding;
319             p.bound_to = this.bound_to;
320             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
321             this.bound_to = temp_bound_to;
322             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
323         }
324     }
325
326     /** [UNIQUE] an edge */
327     public final class E implements Comparable<E> {
328
329         public final Vert p1, p2;
330         T t;     // triangle to our "left"
331         E prev;  // previous half-edge
332         E next;  // next half-edge
333         E pair;  // partner half-edge
334         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
335         boolean shattered = false;
336
337         public int compareTo(E e) { return e.length() > length() ? 1 : -1; }
338
339         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
340         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
341
342         public void dobind() {
343             if (bg==null) return;
344             for(E ex : bg.es) {
345                 if (ex==this) continue;
346                 p1.bind(ex.p1);
347                 p2.bind(ex.p2);
348             }
349         }
350
351         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
352         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
353             if (shattered) return mid;
354             shattered = true;
355
356             Vert r = next.p2;
357             E next = this.next;
358             E prev = this.prev;
359
360             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
361             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
362             for(E e : bg.es) e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
363             pair.shatter();
364             destroy();
365
366             newT(r.p, p1.p, mid, null);
367             newT(r.p, mid, p2.p, null);
368             bg1.add(p1.getE(mid));
369             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
370             return mid;
371         }
372
373         public boolean destroyed = false;
374         public void destroy() {
375             if (destroyed) return;
376             destroyed = true;
377             pair.destroyed = true;
378             if (next.t != null) next.t.destroy();
379             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
380             next.t = null;
381             prev.t = null;
382             pair.next.t = null;
383             pair.prev.t = null;
384             this.bg = null;
385             pair.bg = null;
386             pair.prev.next = next;
387             next.prev = pair.prev;
388             prev.next = pair.next;
389             pair.next = prev;
390             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
391             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
392             avgedge -= this.length();
393             avgedge -= pair.length();
394             numedges--;
395             numedges--;
396         }
397
398         private void sync() {
399             this.prev.next = this;
400             this.next.prev = this;
401             this.pair.pair = this;
402             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
403             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
404             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
405             if (!added) {
406                 added = true;
407                 numedges++;
408                 avgedge += length();
409             }
410         }
411         private boolean added = false;
412
413         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
414
415         /** angle between this half-edge and the next */
416         public double angle() {
417             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
418             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
419             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
420         }
421
422         public void makeAdjacent(E e) {
423             if (this.next == e) return;
424             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
425             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
426
427             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
428
429             e.prev.next = freeIncident.next;
430             freeIncident.next.prev = e.prev;
431
432             freeIncident.next = this.next;
433             this.next.prev = freeIncident;
434             
435             this.next = e;
436             e.prev = this;
437
438             sync();
439             freeIncident.sync();
440         }
441
442         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
443         public E(Point p1, Point p2) {
444             if (pointset.get(p1) != null) throw new Error();
445             if (pointset.get(p2) != null) throw new Error();
446             this.p1 = new Vert(p1);
447             this.p2 = new Vert(p2);
448             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
449             this.p1.e = this;
450             this.p2.e = this.pair;
451             sync();
452         }
453
454         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
455         public E(E prev, Point p) {
456             Vert p2;
457             p2 = pointset.get(p);
458             if (p2 == null) p2 = new Vert(p);
459             this.p1 = prev.p2;
460             this.p2 = p2;
461             this.prev = prev;
462             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
463             if (p2.e==null) {
464                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
465             } else {
466                 E q = p2.getFreeIncident();
467                 this.next = q.next;
468                 this.next.prev = this;
469                 E z = prev.next;
470                 this.prev.next = this;
471                 this.pair = new E(q, this, z);
472             }
473             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
474             sync();
475         }
476
477         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
478         public E(E prev, E pair, E next) {
479             this.p1 = prev.p2;
480             this.p2 = next.p1;
481             this.prev = prev;
482             this.next = next;
483             this.pair = pair;
484             sync();
485         }
486         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); }
487         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
488         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
489         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
490
491         public boolean intersects(T t) {
492             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
493             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
494             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
495             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
496             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
497             double J0, J1, J2;
498             double K0, K1, K2;
499             double i0, i1, i2;
500             double a0, a1, a2;
501             double b0, b1, b2;
502             double c0, c1, c2;
503             double in_det;
504             double R00, R01, R02, R03,
505                 R10, R11, R12, R13,
506                 R20, R21, R22, R23,
507                 R30, R31, R32, R33;
508
509
510             /* a = B - A */
511             a0 = B0 - A0; 
512             a1 = B1 - A1; 
513             a2 = B2 - A2;
514             /* b = C - B */
515             b0 = C0 - A0;
516             b1 = C1 - A1;
517             b2 = C2 - A2;
518             /* c = a &times; b */
519             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
520             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
521             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
522  
523             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
524             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
525             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
526             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
527             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
528             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
529             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
530             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
531             R20 = (c0) * in_det;
532             R21 = (c1) * in_det;
533             R22 = (c2) * in_det;
534   
535             /* O = M^(-1) * A */
536             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
537             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
538             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
539  
540             /* fill in last row of 4x4 matrix */
541             R30 = R31 = R32 = 0;
542             R33 = 1;
543   
544             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
545             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
546             if (J2 * K2 >= 0) return false;
547
548             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
549             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
550             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
551             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
552   
553             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
554             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
555             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
556             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
557
558             return true;            
559         }
560     }
561
562     public E makeE(Point p1, Point p2) {
563         Vert v1 = pointset.get(p1);
564         Vert v2 = pointset.get(p2);
565         if (v1 != null && v2 != null) {
566             E e = v1.getE(v2);
567             if (e != null) return e;
568             e = v2.getE(v1);
569             if (e != null) return e;
570         }
571         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
572         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
573         return new E(p1, p2);
574     }
575     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm) {
576         if (norm != null) {
577             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
578             float dot = norm.dot(norm2);
579             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
580             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
581         }
582         E e12 = makeE(p1, p2);
583         E e23 = makeE(p2, p3);
584         E e31 = makeE(p3, p1);
585         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
586             e12.makeAdjacent(e23);
587             e23.makeAdjacent(e31);
588             e31.makeAdjacent(e12);
589         }
590         T ret = e12.makeT();
591         if (e12.t == null) throw new Error();
592         if (e23.t == null) throw new Error();
593         if (e31.t == null) throw new Error();
594         return ret;
595     }
596
597
598     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
599         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
600         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
601         public FaceIterator() { }
602         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
603         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
604         public void remove() { throw new Error(); }
605         public T next() {
606             T ret = next.removeFirst();
607             if (ret == null) return null;
608             visited.add(ret);
609             T t1 = ret.e1().pair.t;
610             T t2 = ret.e2().pair.t;
611             T t3 = ret.e3().pair.t;
612             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
613             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
614             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
615             return ret;
616         }
617     }
618
619     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
620     public final class T extends Triangle {
621         public final E e1;
622         public final int color;
623
624         public void destroy() {
625         }
626
627         T(E e1) {
628             this.e1 = e1;
629             E e2 = e1.next;
630             E e3 = e2.next;
631             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
632             if (e3.next!=e1) throw new Error();
633             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
634             e1.t = this;
635             e1.next.t = this;
636             e1.next.next.t = this;
637
638             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
639
640             int color = Math.abs(random.nextInt());
641             while(true) {
642                 color = color % 4;
643                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
644                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
645                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
646                 break;
647             }
648             this.color = color;
649         }
650         public E e1() { return e1; }
651         public E e2() { return e1.next; }
652         public E e3() { return e1.prev; }
653         public Vert v1() { return e1.p1; }
654         public Vert v2() { return e1.p2; }
655         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
656         public Point p1() { return e1.p1.p; }
657         public Point p2() { return e1.p2.p; }
658         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
659         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
660         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
661     }
662
663 }