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 float EPSILON = (float)0.0001;
  15     public static Random random = new Random();
  16
  17     private PointSet<Vert> pointset = new PointSet<Vert>();
  18     public Vert nearest(Point p) { return pointset.nearest(p); }
  19     private HashMap<Point,Vert> verts = new HashMap<Point,Vert>();
  20
  21     public Iterable<E> edges() {
  22         return
  23             new Iterable<E>() {
  24             public Iterator<E> iterator() {
  25                 // HACK
  26                 HashSet<E> hse = new HashSet<E>();
  27                 for(T t : Mesh.this) {
  28                     hse.add(t.e1());
  29                     hse.add(t.e2());
  30                     hse.add(t.e3());
  31                     hse.add(t.e1().pair);
  32                     hse.add(t.e2().pair);
  33                     hse.add(t.e3().pair);
  34                 }
  35                 return hse.iterator();
  36             } };
  37     }
  38
  39     public Iterator<T> iterator() {
  40         for(Vert v : pointset)
  41             if (v.e != null && v.e.t != null)
  42                 return new FaceIterator(v);
  43         return new FaceIterator();
  44     }
  45
  46     public Point origin() { return new Point(0, 0, 0); }
  47
  48     public Mesh score_against = null;
  49     public double score = 0;
  50     public float score() { return (float)score; }
  51
  52     public int numedges = 0;
  53     public float avgedge = 0;
  54
  55     public void unbind() {
  56         for(Mesh.T t : this) {
  57             t.v1().unbind();
  58             t.v2().unbind();
  59             t.v3().unbind();
  60         }
  61     }
  62
  63     public void bind() {
  64         for(Mesh.T t : this) {
  65             t.e1().dobind();
  66             t.e2().dobind();
  67             t.e3().dobind();
  68         }
  69     }
  70
  71     public float rescore() {
  72         int num = 0;
  73         double dist = 0;
  74         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
  75         for(T t : this)
  76             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
  77                 if (done.contains(p)) continue;
  78                 done.add(p);
  79                 p.rescore();
  80             }
  81         /*
  82         for(T t : this)
  83             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
  84                 p.kdremove();
  85         pointset.clear();
  86         for(T t : this)
  87             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
  88                 p.kdinsert();
  89         */
  90         return (float)(dist/num);
  91     }
  92
  93     public void transform(Matrix m) {
  94         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
  95         for (Vert v : pointset)
  96             set.add(v);
  97         for(Vert v : set) v.transform(m);
  98     }
  99
 100     public Vec diagonal() { return pointset.diagonal(); }
 101     public Point centroid() { return pointset.centroid(); }
 102
 103     public float volume() {
 104         double total = 0;
 105         for(T t : this) {
 106             double area = t.area();
 107             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
 108             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
 109             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
 110             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
 111         }
 112         return (float)total;
 113     }
 114
 115
 116     public class BindingGroup {
 117         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
 118         public BindingGroup() { }
 119         public BindingGroup(E e) {
 120             es.add(e);
 121         }
 122         public void add(E e) {
 123             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
 124             es.add(e);
 125             e.bg = this;
 126         }
 127         public void merge(BindingGroup bg) {
 128             for(E e : bg.es) {
 129                 e.bg = null;
 130                 add(e);
 131             }
 132         }
 133     }
 134
 135     public Vert register(Point p) { Vert v = verts.get(p); return v==null ? new Vert(p) : v; }
 136     public final class Vert extends HasPoint {
 137         public Point p;
 138         public Point getPoint() { return p; }
 139         private Vert(Point p) {
 140             this.p = p;
 141             if (verts.get(p) != null) throw new Error();
 142             verts.put(this.p, this);
 143             pointset.add(this);
 144         }
 145         public void reinsert() {
 146             pointset.remove(this);
 147             pointset.add(this);
 148         }
 149         public void kdremove() {
 150             if (!inserted) return;
 151             inserted = false;
 152             pointset.remove(this);
 153         }
 154         public void kdinsert() {
 155             if (inserted) return;
 156             inserted = true;
 157             pointset.add(this);
 158         }
 159
 160         public float score() { return oldscore; }
 161         public void unscore() {
 162             if (watch == null) return;
 163             watch.watch_x -= p.x;
 164             watch.watch_y -= p.y;
 165             watch.watch_z -= p.z;
 166             watch.watch_count--;
 167             if (watch.watch_count==0) {
 168                 watch.watch_x = 0;
 169                 watch.watch_y = 0;
 170                 watch.watch_z = 0;
 171             }
 172             watch = null;
 173         }
 174         public Vert partner() { return watch==null ? this : watch; }
 175         public Vert watchback() { return watch_count==0 ? partner() :
 176                 register(new Point(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count)); }
 177         public void rescore() {
 178             if (score_against == null) return;
 179
 180             score -= oldscore;
 181             oldscore = 0;
 182
 183             if (watch != null) unscore();
 184             Vert po = this;
 185             if (watch == null) {
 186                 watch = score_against.nearest(po.p);
 187
 188                 // don't attract to vertices that face the other way
 189                 if (watch.e == null || watch.norm().dot(norm()) < 0) {
 190                     watch = null;
 191                 } else {
 192                     watch.watch_x += po.p.x;
 193                     watch.watch_y += po.p.y;
 194                     watch.watch_z += po.p.z;
 195                     watch.watch_count++;
 196                 }
 197             }
 198
 199             double s1, s2;
 200             if (watch_count==0) s1 = 0;
 201             else                s1 = p.distance(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count);
 202             s2 = watch==null ? 0 : po.p.distance(watch.p);
 203             oldscore = (float)(s1 + s2);
 204             score += oldscore;
 205         }
 206
 207         /** does NOT update bound pairs! */
 208         public boolean transform(Matrix m) {
 209             // FIXME: screws up kdtree
 210             // FIXME: screws up hashmap
 211             unscore();
 212             try {
 213                 if (verts.get(this.p)==null) throw new Error();
 214                 verts.remove(this.p);
 215                 pointset.remove(this);
 216                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
 217                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
 218                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
 219                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
 220                 // FIXME: what if we move onto exactly where another point is?
 221                 pointset.add(this);
 222                 verts.put(this.p,(Vert)this);
 223             } catch (Exception e) {
 224                 throw new RuntimeException(e);
 225             }
 226             rescore();
 227             boolean good = true;
 228             /*
 229             for(T t : this) {
 230                 for(E e = this.e; ;) {
 231                     if (e.intersects(t)) { good = false; break; }
 232                     e = e.pair.next;
 233                     if (e == this.e) break;
 234                 }
 235             }
 236             */
 237             /*
 238                 if (t==this.t) continue;
 239                 if (this.intersects(t)) good = false;
 240             }
 241             */
 242             return good;
 243         }
 244         public boolean move(Vec v) {
 245             Matrix m = new Matrix(v);
 246             Vert p = this;
 247             boolean good = true;
 248             do {
 249                 good &= p.transform(m);
 250                 v = v.times(binding); // bleh wrong
 251                 p = p.bound_to;
 252             } while (p != this);
 253             return good;
 254         }
 255
 256         public E makeE(Vert p2) {
 257             E e = getE(p2);
 258             if (e != null) return e;
 259             e = p2.getE(this);
 260             if (this.e == null && p2.e == null) return this.e = new E(this, p2);
 261             if (this.e == null && p2.e != null) return p2.makeE(this).pair;
 262             return new E(getFreeIncident(), p2);
 263         }
 264
 265         public E getFreeIncident() {
 266             E ret = getFreeIncident(e, e);
 267             if (ret != null) return ret;
 268             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
 269             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
 270             return ret;
 271         }
 272
 273         public E getFreeIncident(E start, E before) {
 274             E e = start;
 275             do {
 276                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
 277                 e = e.pair.next;
 278             } while(e != before);
 279             return null;
 280         }
 281
 282         public E getE(Vert p2) {
 283             E e = this.e;
 284             do {
 285                 if (e==null) return null;
 286                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
 287                 e = e.pair.next;
 288             } while (e!=this.e);
 289             return null;
 290         }
 291
 292         public boolean isBoundTo(Vert p) {
 293             Vert px = p;
 294             do {
 295                 if (px==this) return true;
 296                 px = px.bound_to;
 297             } while(px != p);
 298             return false;
 299         }
 300
 301         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
 302         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
 303         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
 304             if (isBoundTo(p)) return;
 305             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
 306             Matrix temp_binding = p.binding;
 307             p.bound_to = this.bound_to;
 308             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
 309             this.bound_to = temp_bound_to;
 310             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
 311         }
 312         public Vec norm() {
 313             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
 314             E e = this.e;
 315             do {
 316                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
 317                 e = e.pair.next;
 318             } while(e != this.e);
 319             return norm.norm();
 320         }
 321
 322         Vert bound_to = this;
 323         int watch_count;
 324         float watch_x;
 325         float watch_y;
 326         float watch_z;
 327         Vert watch;
 328         E e;                // some edge *leaving* this point
 329         Matrix binding = new Matrix();
 330         float oldscore = 0;
 331         boolean inserted = false;
 332     }
 333
 334     /** [UNIQUE] an edge */
 335     public final class E implements Comparable<E> {
 336
 337         public boolean intersects(T t) {
 338             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
 339             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
 340             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
 341             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
 342             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
 343             double J0, J1, J2;
 344             double K0, K1, K2;
 345             double i0, i1, i2;
 346             double a0, a1, a2;
 347             double b0, b1, b2;
 348             double c0, c1, c2;
 349             double in_det;
 350             double R00, R01, R02, R03,
 351                 R10, R11, R12, R13,
 352                 R20, R21, R22, R23,
 353                 R30, R31, R32, R33;
 354
 355
 356             /* a = B - A */
 357             a0 = B0 - A0;
 358             a1 = B1 - A1;
 359             a2 = B2 - A2;
 360             /* b = C - B */
 361             b0 = C0 - A0;
 362             b1 = C1 - A1;
 363             b2 = C2 - A2;
 364             /* c = a &times; b */
 365             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
 366             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
 367             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
 368
 369             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
 370             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
 371             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
 372             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
 373             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
 374             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
 375             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
 376             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
 377             R20 = (c0) * in_det;
 378             R21 = (c1) * in_det;
 379             R22 = (c2) * in_det;
 380
 381             /* O = M^(-1) * A */
 382             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
 383             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
 384             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
 385
 386             /* fill in last row of 4x4 matrix */
 387             R30 = R31 = R32 = 0;
 388             R33 = 1;
 389
 390             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
 391             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
 392             if (J2 * K2 >= 0) return false;
 393
 394             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
 395             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
 396             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
 397             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
 398
 399             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
 400             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
 401             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
 402             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
 403
 404             return true;
 405         }
 406
 407         public int compareTo(E e) {
 408             return e.length() > length() ? 1 : -1;
 409         }
 410
 411         public final Vert p1, p2;
 412         T t;     // triangle to our "left"
 413         E prev;  // previous half-edge
 414         E next;  // next half-edge
 415         E pair;  // partner half-edge
 416
 417
 418         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
 419
 420         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
 421         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
 422
 423         public void dobind() {
 424             if (bg==null) return;
 425             for(E ex : bg.es) {
 426                 if (ex==this) continue;
 427                 p1.bind(ex.p1);
 428                 p2.bind(ex.p2);
 429             }
 430         }
 431
 432         boolean shattered = false;
 433         public Vert shatter() { return shatter(register(midpoint()), null, null); }
 434         public Vert shatter(Vert mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
 435             if (shattered) return mid;
 436             shattered = true;
 437
 438             Vert r = next.p2;
 439             E next = this.next;
 440             E prev = this.prev;
 441
 442             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
 443             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
 444             for(E e : bg.es) e.shatter(register(e.midpoint()), bg1, bg2);
 445             pair.shatter();
 446             destroy();
 447
 448             newT(r, p1, mid, null);
 449             newT(r, mid, p2, null);
 450             bg1.add(p1.getE(mid));
 451             bg2.add(mid.getE(p2));
 452             return mid;
 453         }
 454
 455         public boolean destroyed = false;
 456         public void destroy() {
 457             if (destroyed) return;
 458             destroyed = true;
 459             pair.destroyed = true;
 460             if (next.t != null) next.t.destroy();
 461             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
 462             next.t = null;
 463             prev.t = null;
 464             pair.next.t = null;
 465             pair.prev.t = null;
 466             this.bg = null;
 467             pair.bg = null;
 468             pair.prev.next = next;
 469             next.prev = pair.prev;
 470             prev.next = pair.next;
 471             pair.next = prev;
 472             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
 473             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
 474             avgedge -= this.length();
 475             avgedge -= pair.length();
 476             numedges--;
 477             numedges--;
 478         }
 479
 480         private void sync() {
 481             this.prev.next = this;
 482             this.next.prev = this;
 483             this.pair.pair = this;
 484             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
 485             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
 486             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
 487             if (!added) {
 488                 added = true;
 489                 numedges++;
 490                 avgedge += length();
 491             }
 492         }
 493         private boolean added = false;
 494
 495         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
 496
 497         /** angle between this half-edge and the next */
 498         public double angle() {
 499             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
 500             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
 501             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
 502         }
 503
 504         public void makeAdjacent(E e) {
 505             if (this.next == e) return;
 506             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
 507             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
 508
 509             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
 510
 511             e.prev.next = freeIncident.next;
 512             freeIncident.next.prev = e.prev;
 513
 514             freeIncident.next = this.next;
 515             this.next.prev = freeIncident;
 516
 517             this.next = e;
 518             e.prev = this;
 519
 520             sync();
 521             freeIncident.sync();
 522         }
 523
 524         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
 525         public E(Vert p1, Vert p2) {
 526             if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
 527             this.p1 = p1;
 528             this.p2 = p2;
 529             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
 530             sync();
 531         }
 532
 533         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
 534         public E(E prev, Vert p2) {
 535             this.p1 = prev.p2;
 536             this.p2 = p2;
 537             this.prev = prev;
 538             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
 539             if (p2.e==null) {
 540                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
 541             } else {
 542                 E q = p2.getFreeIncident();
 543                 this.next = q.next;
 544                 this.next.prev = this;
 545                 E z = prev.next;
 546                 this.prev.next = this;
 547                 this.pair = new E(q, this, z);
 548             }
 549             sync();
 550         }
 551
 552         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
 553         public E(E prev, E pair, E next) {
 554             this.p1 = prev.p2;
 555             this.p2 = next.p1;
 556             this.prev = prev;
 557             this.next = next;
 558             this.pair = pair;
 559             sync();
 560         }
 561         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); }
 562         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
 563         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
 564         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
 565     }
 566
 567     public T newT(Vert p1, Vert p2, Vert p3, Vec norm) {
 568         if (norm != null) {
 569             Vec norm2 = p3.p.minus(p1.p).cross(p2.p.minus(p1.p));
 570             float dot = norm.dot(norm2);
 571             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within evertsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
 572             if (dot < 0) { Vert p = p1; p1=p2; p2 = p; }
 573         }
 574         E e12 = p1.makeE(p2);
 575         E e23 = p2.makeE(p3);
 576         E e31 = p3.makeE(p1);
 577         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
 578             e12.makeAdjacent(e23);
 579             e23.makeAdjacent(e31);
 580             e31.makeAdjacent(e12);
 581         }
 582         T ret = e12.makeT();
 583         if (e12.t == null) throw new Error();
 584         if (e23.t == null) throw new Error();
 585         if (e31.t == null) throw new Error();
 586         return ret;
 587     }
 588
 589
 590     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
 591         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
 592         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
 593         public FaceIterator() { }
 594         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
 595         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
 596         public void remove() { throw new Error(); }
 597         public T next() {
 598             T ret = next.removeFirst();
 599             if (ret == null) return null;
 600             visited.add(ret);
 601             T t1 = ret.e1().pair.t;
 602             T t2 = ret.e2().pair.t;
 603             T t3 = ret.e3().pair.t;
 604             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
 605             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
 606             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
 607             return ret;
 608         }
 609     }
 610
 611     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
 612     public final class T extends Triangle {
 613         public final E e1;
 614         public final int color;
 615
 616         public void destroy() {
 617         }
 618
 619         T(E e1) {
 620             this.e1 = e1;
 621             E e2 = e1.next;
 622             E e3 = e2.next;
 623             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
 624             if (e3.next!=e1) throw new Error();
 625             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
 626             e1.t = this;
 627             e1.next.t = this;
 628             e1.next.next.t = this;
 629
 630             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
 631
 632             int color = Math.abs(random.nextInt());
 633             while(true) {
 634                 color = color % 4;
 635                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
 636                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
 637                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
 638                 break;
 639             }
 640             this.color = color;
 641
 642             v1().kdinsert();
 643             v2().kdinsert();
 644             v3().kdinsert();
 645         }
 646         public E e1() { return e1; }
 647         public E e2() { return e1.next; }
 648         public E e3() { return e1.prev; }
 649         public Vert v1() { return e1.p1; }
 650         public Vert v2() { return e1.p2; }
 651         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
 652         public Point p1() { return e1.p1.p; }
 653         public Point p2() { return e1.p2.p; }
 654         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
 655         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
 656         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
 657     }
 658
 659 }