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