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