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