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