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