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 import com.infomatiq.jsi.IntProcedure;
12
13 public class Mesh implements Iterable<Mesh.T> {
14
15     public static final float EPSILON = (float)0.0001;
16     public static final Random random = new Random();
17
18     private RTree<T>         triangles = new RTree<T>();
19     private PointSet<Vertex> vertices  = new PointSet<Vertex>();
20
21     public boolean immutableVertices;
22     public Mesh    error_against      = null;
23     public double  error              = 0;
24
25     public Mesh(boolean immutableVertices) { this.immutableVertices = immutableVertices; }
26
27     public void makeVerticesImmutable() { this.immutableVertices = true; }
28     public float error() { return (float)error; }
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.times(v.p), true);
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 HasQuadric implements Visitor {
78         public Point p, oldp, goodp;
79         E e;                // some edge *leaving* this point
80
81         Matrix binding = Matrix.ONE;
82         Vertex bound_to = this;
83         private boolean illegal = false;
84
85         public Point getPoint() { return p; }
86         public float error() { return olderror; }
87
88         private Vertex(Point p) {
89             this.p = p;
90             this.goodp = p;
91             if (vertices.get(p) != null) throw new Error();
92             vertices.add(this);
93         }
94
95         public void reinsert() {
96             vertices.remove(this);
97             vertices.add(this);
98             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) e.t.reinsert();
99         }
100
101         public float olderror = 0;
102         public void setError(float nerror) {
103             error -= olderror;
104             olderror = nerror;
105             error += olderror;
106         }
107
108         public float averageTriangleArea() {
109             int count = 0;
110             float ret = 0;
111             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
112                 ret += e.t.area();
113                 count++;
114             }
115             return ret/count;
116         }
117         public float averageEdgeLength() {
118             int count = 0;
119             float ret = 0;
120             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
121                 ret += e.length();
122                 count++;
123             }
124             return ret/count;
125         }
126
127         public Matrix _recomputeFundamentalQuadric() {
128             Matrix m = Matrix.ZERO;
129             int count = 0;
130             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
131                 m = m.plus(e.t.norm().fundamentalQuadric(e.t.centroid()));
132                 count++;
133             }
134             return m.times(1/(float)count);
135         }
136
137         public HasQuadric nearest() { return error_against==null ? null : error_against.vertices.nearest(p, this); }
138         public void computeError() {
139             if (error_against==null) return;
140             float nerror =
141                 nearest_in_other_mesh != null
142                 ? nearest_in_other_mesh.fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p)
143                 : nearest().fundamentalQuadric().preAndPostMultiply(p);
144             if (quadric_count != 0)
145                 nerror = (nerror + quadric.preAndPostMultiply(p))/(quadric_count+1);
146
147             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
148                 double ang = Math.abs(e.dihedralAngle());
149                 if (ang > Math.PI) throw new Error();
150                 float minangle = (float)(Math.PI * 0.8);
151                 if (ang > minangle) nerror += (ang - minangle);
152                 /*
153                 if (e.t.aspect() < 0.2) {
154                     nerror += (0.2-e.t.aspect()) * 10;
155                 }
156                 */
157             }
158
159             setError(nerror);
160         }
161
162         public boolean move(Matrix m, boolean ignoreProblems) {
163             boolean good = true;
164             for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
165                 good &= p.transform(m.times(p.p), ignoreProblems);
166             for(Vertex p = this; p != null; p = (p.bound_to==this)?null:p.bound_to)
167                 if (good || ignoreProblems)  p.reComputeErrorAround();
168                 else                         p.transform(p.oldp, true);
169             return good;
170         }
171
172         /** does NOT update bound pairs! */
173         private boolean transform(Point newp, boolean ignoreProblems) {
174             this.oldp = this.p;
175             if (immutableVertices) throw new Error();
176
177             unApplyQuadricToNeighbor();
178             this.p = newp;
179             reinsert();
180             applyQuadricToNeighbor();
181
182             if (!ignoreProblems) {
183                 illegal = false;
184                 checkLegality();
185             }
186             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) e.p2.quadricStale = true;
187             return !illegal;
188         } 
189
190         public void checkLegality() {
191             /*
192             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next) {
193                 if (Math.abs(e.dihedralAngle()) > (Math.PI * 0.9) ||
194                     Math.abs(e.next.dihedralAngle()) > (Math.PI * 0.9)) illegal = true;
195                 if (e.t.aspect() < 0.1) illegal = true;
196             }
197             */
198             if (!illegal) triangles.range(oldp, this.p, (Visitor<T>)this);
199         }
200
201         public void reComputeErrorAround() {
202             reComputeError();
203             if (nearest_in_other_mesh != null)
204                 nearest_in_other_mesh.reComputeError();
205             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
206                 e.p2.reComputeError();
207         }
208
209         public boolean visit(Object o) {
210             if (o instanceof Vertex)
211                 return ((Vertex)o).e != null && ((Vertex)o).norm().dot(Vertex.this.norm()) >= 0;
212             T t = (T)o;
213             if (illegal) return false;
214             for(E e = Vertex.this.e; e!=null; e=e.pair.next==Vertex.this.e?null:e.pair.next) {
215                 if (!t.has(e.p1) && !t.has(e.p2) && e.intersects(t)) { illegal = true; }
216                 if (e.t != null) {
217                     if (!e.t.has(t.e1().p1) && !e.t.has(t.e1().p2) && t.e1().intersects(e.t)) { illegal = true; }
218                     if (!e.t.has(t.e2().p1) && !e.t.has(t.e2().p2) && t.e2().intersects(e.t)) { illegal = true; }
219                     if (!e.t.has(t.e3().p1) && !e.t.has(t.e3().p2) && t.e3().intersects(e.t)) { illegal = true; }
220                 }
221             }
222             return !illegal;
223         }
224
225         public E getFreeIncident() {
226             E ret = getFreeIncident(e, e);
227             if (ret != null) return ret;
228             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
229                 System.out.println(e + " " + e.t);
230             throw new Error("unable to find free incident to " + this);
231         }
232
233         public E getFreeIncident(E start, E before) {
234             for(E e = start; e!=null; e=e.pair.next==before?null:e.pair.next)
235                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null)
236                     return e.pair;
237             return null;
238         }
239
240         public E getE(Point p2) {
241             Vertex v = vertices.get(p2);
242             if (v==null) return null;
243             return getE(v);
244         }
245         public E getE(Vertex p2) {
246             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
247                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
248             return null;
249         }
250
251         private void glNormal(GL gl) {
252             Vec norm = norm();
253             gl.glNormal3f(norm.x, norm.y, norm.z);
254         }
255         public Vec norm() {
256             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
257             for(E e = this.e; e!=null; e=e.pair.next==this.e?null:e.pair.next)
258                 if (e.t != null)
259                     norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
260             return norm.norm();
261         }
262
263         public boolean isBoundTo(Vertex p) {
264             for(Vertex px = p; px!=null; px=(px.bound_to==p?null:px.bound_to))
265                 if (px==this)
266                     return true;
267             return false;
268         }
269
270         public void unbind() { bound_to = this; binding = Matrix.ONE; }
271         public void bind(Vertex p) { bind(p, Matrix.ONE); }
272         public void bind(Vertex p, Matrix binding) {
273             if (isBoundTo(p)) return;
274             Vertex temp_bound_to = p.bound_to;
275             Matrix temp_binding = p.binding;
276             p.bound_to = this.bound_to;
277             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
278             this.bound_to = temp_bound_to;
279             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
280         }
281     }
282
283     public class BindingGroup {
284         private HashSet<E> set = new HashSet<E>();
285         public BindingGroup bind_others;
286         public BindingGroup other() { return bind_others; }
287         public BindingGroup(BindingGroup bind_others) { this.bind_others = bind_others; }
288         public BindingGroup() { this.bind_others = new BindingGroup(this); }
289         public BindingGroup(E e) { this(); set.add(e); }
290         public void add(E e) {
291             if (set.contains(e)) return;
292             set.add(e);
293             BindingGroup e_bind_peers = e.bind_peers;
294             BindingGroup e_bind_to    = e.bind_to;
295             e.bind_peers = this;
296             e.bind_to    = bind_others;
297             for (E epeer  : e_bind_peers.set) add(epeer);
298             for (E eother : e_bind_to.set)    bind_others.add(eother);
299
300             for(E eother : bind_others.set) {
301                 if (e.next.bind_to.set.contains(eother.prev)) {
302                     e.next.next.bindEdge(eother.prev.prev);
303                 }
304                 if (e.prev.bind_to.set.contains(eother.next)) {
305                     e.prev.prev.bindEdge(eother.next.next);
306                 }
307             }
308
309         }
310         public void dobind(E e) {
311             for(E ebound : set) {
312                 e.p1.bind(ebound.p2);
313                 e.p2.bind(ebound.p1);
314             }
315         }
316         public void shatter(BindingGroup bg1, BindingGroup bg2, boolean triangles) {
317             for(E e : set) {
318                 e.shatter(e.midpoint(), bg1, bg2, triangles);
319             }
320         }
321     }
322
323     /** [UNIQUE] an edge */
324     public final class E implements Comparable<E> {
325
326         public final Vertex p1, p2;
327         T t;     // triangle to our "left"
328         E prev;  // previous half-edge
329         E next;  // next half-edge
330         E pair;  // partner half-edge
331         public BindingGroup bind_peers  = new BindingGroup(this);
332         public BindingGroup bind_to     = bind_peers.other();
333         boolean shattered = false;
334
335         public boolean intersects(T t) { return t.intersects(p1.p, p2.p); }
336
337         public float stretchRatio() {
338             Vertex nearest = error_against.nearest(midpoint());
339             float nearest_distance = midpoint().distance(nearest.p);
340             float other_distance =
341                 (p1.p.distance(error_against.nearest(p1.p).p)+
342                  p2.p.distance(error_against.nearest(p2.p).p))/2;
343             return nearest_distance/other_distance;
344         }
345         public float comparator() {
346             
347
348             return length();
349             //return t==null?0:(1/t.aspect());
350         }
351         public int compareTo(E e) {
352             return e.comparator() > comparator() ? 1 : -1;
353         }
354         public void bindEdge(E e) { bind_to.add(e); }
355         public void dobind() { bind_to.dobind(this); }
356
357         public Point shatter() { return shatter(true); }
358         public Point shatter(boolean triangles) { return shatter(midpoint(), null, null, triangles); }
359         public Point shatter(Point mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2, boolean triangles) {
360             if (shattered || destroyed) return mid;
361             shattered = true;
362
363             Vertex r = next.p2;
364             E next = this.next;
365             E prev = this.prev;
366
367             int old_colorclass = t==null ? 0 : t.colorclass;
368             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
369             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
370             BindingGroup old_bind_to = bind_to;
371             bind_peers.shatter(bg1, bg2, triangles);
372             old_bind_to.shatter(bg2.other(), bg1.other(), triangles);
373             if (!triangles) {
374                 next.shatter(false);
375                 prev.shatter(false);
376             }
377             pair.shatter();
378             destroy();
379
380             if (triangles) {
381                 newT(r.p, p1.p, mid, null, old_colorclass);
382                 newT(r.p, mid, p2.p, null, old_colorclass);
383                 bg1.add(p1.getE(mid));
384                 bg2.add(p2.getE(mid).pair);
385             }
386             return mid;
387         }
388
389         public boolean destroyed = false;
390         public void destroy() {
391             if (destroyed) return;
392             destroyed = true;
393             pair.destroyed = true;
394
395             if (t != null) t.destroy();
396             t = null;
397
398             if (pair.t != null) pair.t.destroy();
399             pair.t = null;
400
401             if (next.t != null) next.t.destroy();
402             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
403             next.t = null;
404             prev.t = null;
405
406             if (pair.next.t != null) pair.next.t.destroy();
407             if (pair.prev.t != null) pair.next.t.destroy();
408             pair.next.t = null;
409             pair.prev.t = null;
410
411             this.bind_to = null;
412             pair.bind_to = null;
413             this.bind_peers = null;
414             pair.bind_peers = null;
415             pair.prev.next = next;
416             next.prev = pair.prev;
417             prev.next = pair.next;
418             pair.next = prev;
419             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
420             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
421         }
422
423         private void sync() {
424             this.prev.next = this;
425             this.next.prev = this;
426             this.pair.pair = this;
427             bind_peers.add(this);
428             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
429             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
430             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
431             if (!added) added = true;
432         }
433         private boolean added = false;
434
435         public T makeT(int colorclass) { return t==null ? (t = new T(this, colorclass)) : t; }
436
437         public double dihedralAngle() {
438             Vec v1 = t.norm().times(-1);
439             Vec v2 = pair.t.norm().times(-1);
440             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
441         }
442
443         /** angle between this half-edge and the next */
444         public double angle() {
445             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
446             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
447             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
448         }
449
450         public void makeAdjacent(E e) {
451             if (this.next == e) return;
452             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
453             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
454
455             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
456
457             e.prev.next = freeIncident.next;
458             freeIncident.next.prev = e.prev;
459
460             freeIncident.next = this.next;
461             this.next.prev = freeIncident;
462             
463             this.next = e;
464             e.prev = this;
465
466             sync();
467             freeIncident.sync();
468         }
469
470         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
471         public E(Point p1, Point p2) {
472             if (vertices.get(p1) != null) throw new Error();
473             if (vertices.get(p2) != null) throw new Error();
474             this.p1 = new Vertex(p1);
475             this.p2 = new Vertex(p2);
476             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
477             this.p1.e = this;
478             this.p2.e = this.pair;
479             sync();
480         }
481
482         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
483         public E(E prev, Point p) {
484             Vertex p2;
485             p2 = vertices.get(p);
486             if (p2 == null) p2 = new Vertex(p);
487             this.p1 = prev.p2;
488             this.p2 = p2;
489             this.prev = prev;
490             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
491             if (p2.e==null) {
492                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
493             } else {
494                 E q = p2.getFreeIncident();
495                 this.next = q.next;
496                 this.next.prev = this;
497                 E z = prev.next;
498                 this.prev.next = this;
499                 this.pair = new E(q, this, z);
500             }
501             if (p2.e==null) p2.e = this.pair;
502             sync();
503         }
504
505         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
506         public E(E prev, E pair, E next) {
507             this.p1 = prev.p2;
508             this.p2 = next.p1;
509             this.prev = prev;
510             this.next = next;
511             this.pair = pair;
512             sync();
513         }
514         public Point midpoint() { return new Point((p1.p.x+p2.p.x)/2, (p1.p.y+p2.p.y)/2, (p1.p.z+p2.p.z)/2); }
515         public boolean has(Vertex v) { return v==p1 || v==p2; }
516         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
517         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
518
519     }
520
521     public E makeE(Point p1, Point p2) {
522         Vertex v1 = vertices.get(p1);
523         Vertex v2 = vertices.get(p2);
524         if (v1 != null && v2 != null) {
525             E e = v1.getE(v2);
526             if (e != null) return e;
527             e = v2.getE(v1);
528             if (e != null) return e;
529         }
530         if (v1 != null) return new E(v1.getFreeIncident(), p2);
531         if (v2 != null) return new E(v2.getFreeIncident(), p1).pair;
532         return new E(p1, p2);
533     }
534     public T newT(Point p1, Point p2, Point p3, Vec norm, int colorclass) {
535         if (norm != null) {
536             Vec norm2 = p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1));
537             float dot = norm.dot(norm2);
538             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
539             if (dot < 0) { Point p = p1; p1=p2; p2 = p; }
540         }
541         E e12 = makeE(p1, p2);
542         E e23 = makeE(p2, p3);
543         E e31 = makeE(p3, p1);
544         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
545             e12.makeAdjacent(e23);
546             e23.makeAdjacent(e31);
547             e31.makeAdjacent(e12);
548         }
549         T ret = e12.makeT(colorclass);
550         if (e12.t == null) throw new Error();
551         if (e23.t == null) throw new Error();
552         if (e31.t == null) throw new Error();
553         return ret;
554     }
555
556     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
557     public final class T extends Triangle {
558         public final E e1;
559         public final int color;
560         public final int colorclass;
561
562         T(E e1, int colorclass) {
563             this.e1 = e1;
564             E e2 = e1.next;
565             E e3 = e2.next;
566             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
567             if (e3.next!=e1) throw new Error();
568             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
569             e1.t = this;
570             e1.next.t = this;
571             e1.next.next.t = this;
572
573             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
574
575             int color = Math.abs(random.nextInt());
576             while(true) {
577                 color = color % 4;
578                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
579                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
580                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
581                 break;
582             }
583             this.color = color;
584             this.colorclass = colorclass;
585             triangles.add(this);
586         }
587         public E e1() { return e1; }
588         public E e2() { return e1.next; }
589         public E e3() { return e1.prev; }
590         public Vertex v1() { return e1.p1; }
591         public Vertex v2() { return e1.p2; }
592         public Vertex v3() { return e1.next.p2; }
593         public Point p1() { return e1.p1.p; }
594         public Point p2() { return e1.p2.p; }
595         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
596         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
597         public boolean has(Vertex v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
598
599         public void removeFromRTree() { triangles.remove(this); }
600         public void addToRTree() { triangles.insert(this); }
601         public void destroy() { triangles.remove(this); }
602         public void reinsert() { triangles.remove(this); triangles.add(this); }
603
604         public boolean shouldBeDrawn() {
605             if (e1().bind_to.set.size() == 0) return false;
606             if (e2().bind_to.set.size() == 0) return false;
607             if (e3().bind_to.set.size() == 0) return false;
608             return true;
609         }
610
611         /** issue gl.glVertex() for each of the triangle's points */
612         public void glVertices(GL gl) {
613             if (!shouldBeDrawn()) return;
614             norm().glNormal(gl);
615             Point p1 = v1().goodp;
616             Point p2 = v2().goodp;
617             Point p3 = v3().goodp;
618             p1.glVertex(gl);
619             p2.glVertex(gl);
620             p3.glVertex(gl);
621         }
622
623     }
624 }