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