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 RTree<T>         triangles = new RTree<T>();
18     private PointSet<Vertex> vertices  = new PointSet<Vertex>();
19
20     public boolean immutableVertices;
21     public boolean ignorecollision    = false;
22     public Mesh    score_against      = null;
23     public double  score              = 0;
24
25     public Mesh(boolean immutableVertices) { this.immutableVertices = immutableVertices; }
26
27     public void makeVerticesImmutable() { this.immutableVertices = true; }
28     public float score() { return (float)score; }
29
30     public int size() { return vertices.size(); }
31     public Iterable<Vertex> vertices() { return vertices; }
32     public Iterator<T> iterator() { return triangles.iterator(); }
33
34     public void rebindPoints() {
35         // unbind all points
36         for(Mesh.T t : this) {
37             t.v1().unbind();
38             t.v2().unbind();
39             t.v3().unbind();
40         }
41         // ask edges to re-implement their bindings
42         for(Mesh.T t : this) {
43             t.e1().dobind();
44             t.e2().dobind();
45             t.e3().dobind();
46         }
47     }
48
49     public void transform(Matrix m) {
50         ArrayList<Vertex> set = new ArrayList<Vertex>();
51         for(Vertex v : vertices) set.add(v);
52         for(Vertex v : set) v.transform(m);
53     }
54
55     public void rebuild() { /*vertices.rebuild();*/ }
56     public Vec diagonal() { return vertices.diagonal(); }
57     public Point centroid() { return vertices.centroid(); }
58     public Vertex nearest(Point p) { return vertices.nearest(p); }
59
60     /** compute the volume of the mesh */
61     public float volume() {
62         double total = 0;
63         for(T t : this) {
64             double area = t.area();
65             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
66             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
67             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
68             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
69         }
70         return (float)total;
71     }
72
73
74     // Vertexices //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
75
76     /** a vertex in the mesh */
77     public final class Vertex extends HasPoint implements Visitor<T> {
78         public String toString() { return p.toString(); }
79         public Point p;
80         E e;                // some edge *leaving* this point
81
82         /** the nearest vertex in the "score_against" mesh */
83         Vertex   nearest_in_other_mesh;
84         /** the number of vertices in the other mesh for which this is the nearest_in_other_mesh */
85         int    quadric_count;
86         /** the total error quadric (contributions from all vertices in other mesh for which this is nearest) */
87         Matrix quadric = Matrix.ZERO;
88
89         Matrix binding = Matrix.ONE;
90         Vertex bound_to = this;
91         float oldscore = 0;
92         boolean quadricStale = false;
93
94         public Matrix errorQuadric() { return quadric; }
95         public Point getPoint() { return p; }
96         public float score() { return oldscore; }
97
98         private Matrix fundamentalQuadric = null;
99         public Matrix fundamentalQuadric() {
100             if (fundamentalQuadric == null) recomputeFundamentalQuadric();
101             return fundamentalQuadric;
102         }
103
104         private Vertex(Point p) {
105             this.p = p;
106             if (vertices.get(p) != null) throw new Error();
107             vertices.add(this);
108         }
109
110         private void glNormal(GL gl) {
111             Vec norm = norm();
112             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
113         }
114
115         public void recomputeFundamentalQuadricIfNeighborChanged() {
116             if (score_against.nearest(p) == nearest_in_other_mesh) return;
117             recomputeFundamentalQuadric();
118         }
119         public void recomputeFundamentalQuadric() {
120             unApplyQuadricToNeighbor();
121             if (quadricStale || fundamentalQuadric==null) {
122                 Matrix m = Matrix.ZERO;
123                 int count = 0;
124                 for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
125                     T t = e.t;
126                     m = m.plus(t.norm().fundamentalQuadric(t.centroid()));
127                     count++;
128                 }
129                 quadricStale = false;
130                 fundamentalQuadric = m.times(1/(float)count);
131             }
132             applyQuadricToNeighbor();
133         }
134
135         public void unApplyQuadricToNeighbor() {
136             if (nearest_in_other_mesh == null) return;
137             if (fundamentalQuadric == null) return;
138             nearest_in_other_mesh.unComputeError();
139             nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.minus(fundamentalQuadric);
140             nearest_in_other_mesh.quadric_count--;
141             if (nearest_in_other_mesh.quadric_count==0)
142                 nearest_in_other_mesh.quadric = Matrix.ZERO;
143             nearest_in_other_mesh.computeError();
144             nearest_in_other_mesh = null;
145         }
146
147         public void applyQuadricToNeighbor() {
148             if (score_against == null) return;
149
150             Vertex new_nearest = score_against.nearest(p);
151             if (nearest_in_other_mesh != null && new_nearest == nearest_in_other_mesh) return;
152
153             if (nearest_in_other_mesh != null) unApplyQuadricToNeighbor();
154             if (nearest_in_other_mesh != null) throw new Error();
155
156             nearest_in_other_mesh = new_nearest;
157                 
158             // don't attract to vertices that face the other way
159             if (nearest_in_other_mesh.e == null || nearest_in_other_mesh.norm().dot(norm()) < 0) {
160                 nearest_in_other_mesh = null;
161             } else {
162                 nearest_in_other_mesh.unComputeError();
163                 nearest_in_other_mesh.quadric = nearest_in_other_mesh.quadric.plus(fundamentalQuadric());
164                 nearest_in_other_mesh.quadric_count++;
165                 nearest_in_other_mesh.computeError();
166             }
167             reComputeError();
168         }
169
170         public void reComputeErrorAround() {
171             reComputeError();
172             if (nearest_in_other_mesh != null) nearest_in_other_mesh.reComputeError();
173             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
174                 e.p2.reComputeError();
175         }
176         public void reComputeError() {
177             unComputeError();
178             computeError();
179         }
180         public void unComputeError() {
181             score -= oldscore;
182             oldscore = 0;
183         }
184         public void computeError() {
185             oldscore =
186                 quadric_count != 0
187                 ? (quadric.preAndPostMultiply(p) * 100) / quadric_count
188                 : immutableVertices
189                 ? oldscore
190                 : nearest_in_other_mesh != null
191                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
192                 : score_against != null
193                 ? score_against.nearest(p).fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p) * 100 * 10
194                 : 0;
195             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
196                 double ang = Math.abs(e.crossAngle());
197                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
198                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
199                 if (ang > minangle)
200                     oldscore += (ang - minangle);
201             }
202             score += oldscore;
203         }
204
205         private void removeTrianglesFromRTree() {
206             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
207                 if (e.t != null) e.t.removeFromRTree();
208         }
209         private void addTrianglesToRTree() {
210             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
211                 if (e.t != null) e.t.addToRTree();
212         }
213
214         /** does NOT update bound pairs! */
215         public boolean transform(Matrix m) {
216             if (immutableVertices) throw new Error();
217
218             unApplyQuadricToNeighbor();
219             Point oldp = this.p;
220
221             if (vertices.get(this.p)==null) throw new Error();
222             vertices.remove(this);
223             removeTrianglesFromRTree();
224             float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
225             float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
226             float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
227             this.p = new Point(newx, newy, newz);
228             addTrianglesToRTree();
229             vertices.add(this);
230
231             applyQuadricToNeighbor();
232
233             good = true;
234
235             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
236                 if (Math.abs(e.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9) || Math.abs(e.next.crossAngle()) > (Math.PI * 0.9)) good = false;
237                 if (e.t.aspect() < 0.1) good = false;
238                 e.p2.quadricStale = true;
239             }
240
241             if (!ignorecollision && good) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
242
243             reComputeErrorAround();
244             return good;
245         }
246
247         public void visit(T t) {
248             if (!good) return;
249             for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
250                 if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { good = false; }
251                 if (e.t != null) {
252                     if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { good = false; }
253                     if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { good = false; }
254                     if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { good = false; }
255                 }
256             }
257         }
258         private boolean good;
259
260         public boolean move(Vec v) {
261             Matrix m = Matrix.translate(v);
262             Vertex p = this;
263             boolean good = true;
264             do {
265                 good &= p.transform(m);
266                 p = p.bound_to;
267             } while (p != this);
268             return good;
269         }
270
271         public E getFreeIncident() {
272             E ret = getFreeIncident(e, e);
273             if (ret != null) return ret;
274             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
275                 System.out.println(e + " " + e.t);
276             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
277         }
278
279         public E getFreeIncident(E start, E before) {
280             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
281                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
282                     return e.pair;
283             return null;
284         }
285
286         public E getE(Point p2) {
287             Vertex v = vertices.get(p2);
288             if (v==null) return null;
289             return getE(v);
290         }
291         public E getE(Vertex p2) {
292             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
293                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
294             return null;
295         }
296
297         public Vec norm() {
298             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
299             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
300                 if (e.t != null)
301                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
302             return norm.norm();
303         }
304
305         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
306             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
307                 if (px==this)
308                     return true;
309             return false;
310         }
311
312         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
313         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
314         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
315             if (isBoundTo(p)) return;
316             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
317             Matrix temp_binding = p.binding;
318             p.bound_to = this.bound_to;
319             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
320             this.bound_to = temp_bound_to;
321             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
322         }
323     }
324
325     public class BindingGroup {
326         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
327         public BindingGroup bind_others;
328         public BindingGroup other() { return bind_others; }
329         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
330         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
331         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
332         public void add(E e) {
333             if (set.contains(e)) return;
334             set.add(e);
335             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
336             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
337             e.bind_peers = this;
338             e.bind_to    = bind_others;
339             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
340             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
341
342             for(E eother : bind_others.set) {
343                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
344                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
345                 }
346                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
347                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
348                 }
349             }
350
351         }
352         public void dobind(E e) {
353             for(E ebound : set) {
354                 e.p1.bind(ebound.p2);
355                 e.p2.bind(ebound.p1);
356             }
357         }
358         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
359             for(E e : set) {
360                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2);
361             }
362         }
363     }
364
365     /** [UNIQUE] an edge */
366     public final class E implements Comparable<E> {
367
368         public final Vertex p1, p2;
369         T t;     // triangle to our "left"
370         E prev;  // previous half-edge
371         E next;  // next half-edge
372         E pair;  // partner half-edge
373         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
374         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
375         boolean shattered = false;
376
377         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
378         public float comparator() {
379             Vertex nearest = score_against.nearest(midpoint());
380             return (float)Math.max(length(), midpoint().distance(nearest.p));
381         }
382         public int compareTo(E e) {
383             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
384         }
385         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
386         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
387
388         public Point shatter() { return shatter(midpoint(), null, null); }
389         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
390             if (shattered || destroyed) return mid;
391             shattered = true;
392
393             Vertex r = next.p2;
394             E next = this.next;
395             E prev = this.prev;
396
397             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
398             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
399             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
400             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
401             bind_peers.shatter(bg1, bg2);
402             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other());
403             pair.shatter();
404             destroy();
405
406             newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
407             newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
408             bg1.add(p1.getE(mid));
409             bg2.add(p2.getE(mid).pair);
410             return mid;
411         }
412
413         public boolean destroyed = false;
414         public void destroy() {
415             if (destroyed) return;
416             destroyed = true;
417             pair.destroyed = true;
418
419             if (t != null) t.destroy();
420             t = null;
421
422             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
423             pair.t = null;
424
425             if (next.t != null) next.t.destroy();
426             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
427             next.t = null;
428             prev.t = null;
429
430             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
431             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
432             pair.next.t = null;
433             pair.prev.t = null;
434
435             this.bind_to = null;
436             pair.bind_to = null;
437             this.bind_peers = null;
438             pair.bind_peers = null;
439             pair.prev.next = next;
440             next.prev = pair.prev;
441             prev.next = pair.next;
442             pair.next = prev;
443             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
444             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
445         }
446
447         private void sync() {
448             this.prev.next = this;
449             this.next.prev = this;
450             this.pair.pair = this;
451             bind_peers.add(this);
452             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
453             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
454             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
455             if (!added) added = true;
456         }
457         private boolean added = false;
458
459         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
460
461         public double crossAngle() {
462             Vec v1 = t.norm().times(-1);
463             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
464             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
465         }
466
467         /** angle between this half-edge and the next */
468         public double angle() {
469             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
470             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
471             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
472         }
473
474         public void makeAdjacent(E e) {
475             if (this.next == e) return;
476             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
477             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
478
479             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
480
481             e.prev.next = freeIncident.next;
482             freeIncident.next.prev = e.prev;
483
484             freeIncident.next = this.next;
485             this.next.prev = freeIncident;
486             
487             this.next = e;
488             e.prev = this;
489
490             sync();
491             freeIncident.sync();
492         }
493
494         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
495         public E(Point p1, Point p2) {
496             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
497             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
498             this.p1 = new Vertex(p1);
499             this.p2 = new Vertex(p2);
500             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
501             this.p1.e = this;
502             this.p2.e = this.pair;
503             sync();
504         }
505
506         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
507         public E(E prev, Point p) {
508             Vertex p2;
509             p2 = vertices.get(p);
510             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
511             this.p1 = prev.p2;
512             this.p2 = p2;
513             this.prev = prev;
514             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
515             if (p2.e==null) {
516                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
517             } else {
518                 E q = p2.getFreeIncident();
519                 this.next = q.next;
520                 this.next.prev = this;
521                 E z = prev.next;
522                 this.prev.next = this;
523                 this.pair = new E(q, this, z);
524             }
525             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
526             sync();
527         }
528
529         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
530         public E(E prev, E pair, E next) {
531             this.p1 = prev.p2;
532             this.p2 = next.p1;
533             this.prev = prev;
534             this.next = next;
535             this.pair = pair;
536             sync();
537         }
538         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); }
539         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
540         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
541         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
542
543     }
544
545     public E makeE(Point p1, Point p2) {
546         Vertex v1 = vertices.get(p1);
547         Vertex v2 = vertices.get(p2);
548         if (v1 != null && v2 != null) {
549             E e = v1.getE(v2);
550             if (e != null) return e;
551             e = v2.getE(v1);
552             if (e != null) return e;
553         }
554         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
555         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
556         return new E(p1, p2);
557     }
558     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
559         if (norm != null) {
560             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
561             float dot = norm.dot(norm2);
562             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
563             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
564         }
565         E e12 = makeE(p1, p2);
566         E e23 = makeE(p2, p3);
567         E e31 = makeE(p3, p1);
568         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
569             e12.makeAdjacent(e23);
570             e23.makeAdjacent(e31);
571             e31.makeAdjacent(e12);
572         }
573         T ret = e12.makeT(colorclass);
574         if (e12.t == null) throw new Error();
575         if (e23.t == null) throw new Error();
576         if (e31.t == null) throw new Error();
577         return ret;
578     }
579
580
581     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
582     public final class T extends Triangle {
583         public final E e1;
584         public final int color;
585         public final int colorclass;
586
587         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
588         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
589
590         public void destroy() { triangles.remove(this); }
591
592         T(E e1, int colorclass) {
593             this.e1 = e1;
594             E e2 = e1.next;
595             E e3 = e2.next;
596             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
597             if (e3.next!=e1) throw new Error();
598             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
599             e1.t = this;
600             e1.next.t = this;
601             e1.next.next.t = this;
602
603             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
604
605             int color = Math.abs(random.nextInt());
606             while(true) {
607                 color = color % 4;
608                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
609                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
610                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
611                 break;
612             }
613             this.color = color;
614             this.colorclass = colorclass;
615             triangles.add(this);
616         }
617         public E e1() { return e1; }
618         public E e2() { return e1.next; }
619         public E e3() { return e1.prev; }
620         public Vertex v1() { return e1.p1; }
621         public Vertex v2() { return e1.p2; }
622         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
623         public Point p1() { return e1.p1.p; }
624         public Point p2() { return e1.p2.p; }
625         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
626         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
627         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
628
629         public boolean shouldBeDrawn() {
630             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
631             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
632             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
633             return true;
634         }
635
636     }
637 }