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     private KDTree kd = new KDTree(3);
15
16     public static float EPSILON = (float)0.0001;
17     public static Random random = new Random();
18
19     private HashMap<Point,Vert>  ps = new HashMap<Point,Vert>();
20     public  HashSet<E>           es = new HashSet<E>();
21     public  ArrayList<T>         ts = new ArrayList<T>();
22
23     public Iterator<T> iterator() { return ts.iterator(); }
24
25     public Point origin() { return new Point(0, 0, 0); }
26
27     public Mesh score_against = null;
28     public double score = 0;
29     public float score() { return (float)score; }
30
31     public int numedges = 0;
32     public float avgedge = 0;
33
34     public void unbind() {
35         for(Mesh.T t : this) {
36             t.p1().unbind();
37             t.p2().unbind();
38             t.p3().unbind();
39         }
40     }
41
42     public void bind() {
43         for(Mesh.T t : this) {
44             t.e1().dobind();
45             t.e2().dobind();
46             t.e3().dobind();
47         }
48     }
49
50     public float rescore() {
51         int num = 0;
52         double dist = 0;
53         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
54         for(T t : ts)
55             for(Vert p : new Vert[] { t.p1(), t.p2(), t.p3() }) {
56                 if (done.contains(p)) continue;
57                 done.add(p);
58                 p.rescore();
59             }
60         for(T t : ts)
61             for(Vert p : new Vert[] { t.p1(), t.p2(), t.p3() })
62                 p.kdremove();
63         kd = new KDTree(3);
64         for(T t : ts)
65             for(Vert p : new Vert[] { t.p1(), t.p2(), t.p3() })
66                 p.kdinsert();
67         return (float)(dist/num);
68     }
69
70     public void transform(Matrix m) {
71         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
72         set.addAll(ps.values());
73         for(Vert v : set) v.transform(m);
74     }
75
76     public Vec diagonal() {
77         float min_x = Float.MAX_VALUE;
78         float min_y = Float.MAX_VALUE;
79         float min_z = Float.MAX_VALUE;
80         float max_x = Float.MIN_VALUE;
81         float max_y = Float.MIN_VALUE;
82         float max_z = Float.MIN_VALUE;
83         for(Point p : ps.keySet()) {
84             if (p.x < min_x) min_x = p.x;
85             if (p.y < min_y) min_y = p.y;
86             if (p.z < min_z) min_z = p.z;
87             if (p.x > max_x) max_x = p.x;
88             if (p.y > max_y) max_y = p.y;
89             if (p.z > max_z) max_z = p.z;
90         }
91         return new Vec(max_x - min_x, max_y - min_y, max_z - min_z);
92     }
93
94     public Point centroid() {
95         float min_x = Float.MAX_VALUE;
96         float min_y = Float.MAX_VALUE;
97         float min_z = Float.MAX_VALUE;
98         float max_x = Float.MIN_VALUE;
99         float max_y = Float.MIN_VALUE;
100         float max_z = Float.MIN_VALUE;
101         for(Point p : ps.keySet()) {
102             if (p.x < min_x) min_x = p.x;
103             if (p.y < min_y) min_y = p.y;
104             if (p.z < min_z) min_z = p.z;
105             if (p.x > max_x) max_x = p.x;
106             if (p.y > max_y) max_y = p.y;
107             if (p.z > max_z) max_z = p.z;
108         }
109         return new Point((float)(max_x + min_x)/2,
110                      (float)(max_y + min_y)/2,
111                      (float)(max_z + min_z)/2);
112     }
113
114     public float volume() {
115         double total = 0;
116         for(T t : ts) {
117             double area = t.area();
118             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
119             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
120             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
121             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
122         }
123         return (float)total;
124     }
125
126     public Vert nearest(Point p) {
127         Object[] results;
128         try { results = kd.nearest(new double[]{p.x,p.y,p.z},1); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
129         return (Vert)results[0];
130     }
131
132     public T newT(Vert p1, Vert p2, Vert p3, Vec norm) {
133         if (norm != null) {
134             Vec norm2 = p3.p.minus(p1.p).cross(p2.p.minus(p1.p));
135             float dot = norm.dot(norm2);
136             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within epsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
137             if (dot < 0) { Vert p = p1; p1=p2; p2 = p; }
138         }
139         E e12 = p1.makeE(p2);
140         E e23 = p2.makeE(p3);
141         E e31 = p3.makeE(p1);
142         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
143             e12.makeAdjacent(e23);
144             e23.makeAdjacent(e31);
145             e31.makeAdjacent(e12);
146         }
147         T ret = e12.makeT();
148         if (e12.t == null) throw new Error();
149         if (e23.t == null) throw new Error();
150         if (e31.t == null) throw new Error();
151         return ret;
152     }
153
154     public class BindingGroup {
155         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
156         public BindingGroup() { }
157         public BindingGroup(E e) {
158             es.add(e);
159         }
160         public void add(E e) {
161             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
162             es.add(e);
163             e.bg = this;
164         }
165         public void merge(BindingGroup bg) {
166             for(E e : bg.es) {
167                 e.bg = null;
168                 add(e);
169             }
170         }
171     }
172
173     public Vert register(Point p) { Vert v = ps.get(p); return v==null ? new Vert(p) : v; }
174     public final class Vert {
175         public Point p;
176         private Vert(Point p) {
177             this.p = p;
178             if (ps.get(p) != null) throw new Error();
179             ps.put(this.p, this);
180         }
181         public void kdremove() {
182             if (!inserted) return;
183             inserted = false;
184             try { kd.delete(new double[]{p.x,p.y,p.z}); } catch (Exception e) { }
185         }
186         public void kdinsert() {
187             if (inserted) return;
188             inserted = true;
189             try { kd.insert(new double[]{p.x,p.y,p.z},this); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
190         }
191
192         public float score() { return oldscore; }
193         public void unscore() {
194             if (watch == null) return;
195             watch.watch_x -= p.x;
196             watch.watch_y -= p.y;
197             watch.watch_z -= p.z;
198             watch.watch_count--;
199             if (watch.watch_count==0) {
200                 watch.watch_x = 0;
201                 watch.watch_y = 0;
202                 watch.watch_z = 0;
203             }
204             watch = null;
205         }
206         public Vert partner() { return watch==null ? this : watch; }
207         public Vert watchback() { return watch_count==0 ? partner() :
208                 register(new Point(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count)); }
209         public void rescore() {
210             if (score_against == null) return;
211
212             score -= oldscore;
213             oldscore = 0;
214
215             if (watch != null) unscore();
216             Vert po = this;
217             if (watch == null) {
218                 watch = score_against.nearest(po.p);
219
220                 // don't attract to vertices that face the other way
221                 if (watch.norm().dot(norm()) < 0) {
222                     watch = null;
223                 } else {
224                     watch.watch_x += po.p.x;
225                     watch.watch_y += po.p.y;
226                     watch.watch_z += po.p.z;
227                     watch.watch_count++;
228                 }
229             }
230
231             double s1, s2;
232             if (watch_count==0) s1 = 0;
233             else                s1 = p.distance(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count);
234             s2 = watch==null ? 0 : po.p.distance(watch.p);
235             oldscore = (float)(s1 + s2);
236             score += oldscore;
237         }
238
239         /** does NOT update bound pairs! */
240         public boolean transform(Matrix m) {
241             // FIXME: screws up kdtree 
242             // FIXME: screws up hashmap
243             unscore();
244             try {
245                 if (ps.get(this.p)==null) throw new Error();
246                 ps.remove(this.p);
247                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
248                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
249                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
250                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
251                 // FIXME: what if we move onto exactly where another point is?
252                 ps.put(this.p,(Vert)this);
253             } catch (Exception e) {
254                 throw new RuntimeException(e);
255             }
256             rescore();
257             boolean good = true;
258             /*
259             for(T t : ts) {
260                 for(E e = this.e; ;) {
261                     if (e.intersects(t)) { good = false; break; }
262                     e = e.pair.next;
263                     if (e == this.e) break;
264                 }
265             }
266             */
267             /*
268                 if (t==this.t) continue;
269                 if (this.intersects(t)) good = false;
270             }
271             */
272             return good;
273         }
274         public boolean move(Vec v) {
275             Matrix m = new Matrix(v);
276             Vert p = this;
277             boolean good = true;
278             do {
279                 good &= p.transform(m);
280                 v = v.times(binding); // bleh wrong
281                 p = p.bound_to;
282             } while (p != this);
283             return good;
284         }
285
286         public E makeE(Vert p2) {
287             E e = getE(p2);
288             if (e != null) return e;
289             e = p2.getE(this);
290             if (this.e == null && p2.e == null) return this.e = new E(this, p2);
291             if (this.e == null && p2.e != null) return p2.makeE(this).pair;
292             return new E(getFreeIncident(), p2);
293         }
294
295         public E getFreeIncident() {
296             E ret = getFreeIncident(e, e);
297             if (ret != null) return ret;
298             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
299             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
300             return ret;
301         }
302
303         public E getFreeIncident(E start, E before) {
304             E e = start;
305             do {
306                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
307                 e = e.pair.next;
308             } while(e != before);
309             return null;
310         }
311
312         public E getE(Vert p2) {
313             E e = this.e;
314             do {
315                 if (e==null) return null;
316                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
317                 e = e.pair.next;
318             } while (e!=this.e);
319             return null;
320         }
321
322         public boolean isBoundTo(Vert p) {
323             Vert px = p;
324             do {
325                 if (px==this) return true;
326                 px = px.bound_to;
327             } while(px != p);
328             return false;
329         }
330
331         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
332         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
333         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
334             if (isBoundTo(p)) return;
335             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
336             Matrix temp_binding = p.binding;
337             p.bound_to = this.bound_to;
338             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
339             this.bound_to = temp_bound_to;
340             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
341         }
342         public Vec norm() {
343             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
344             E e = this.e;
345             do {
346                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
347                 e = e.pair.next;
348             } while(e != this.e);
349             return norm.norm();
350         }
351
352         Vert bound_to = this;
353         int watch_count;
354         float watch_x;
355         float watch_y;
356         float watch_z;
357         Vert watch;
358         E e;                // some edge *leaving* this point
359         Matrix binding = new Matrix();
360         float oldscore = 0;
361         boolean inserted = false;
362     }
363
364     /** [UNIQUE] an edge */
365     public final class E implements Comparable<E> {
366
367         public boolean intersects(T t) {
368             double A0=t.p1().p.x, A1=t.p1().p.y, A2=t.p1().p.z;
369             double B0=t.p2().p.x, B1=t.p2().p.y, B2=t.p2().p.z;
370             double C0=t.p3().p.x, C1=t.p3().p.y, C2=t.p3().p.z;
371             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
372             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
373             double J0, J1, J2;
374             double K0, K1, K2;
375             double i0, i1, i2;
376             double a0, a1, a2;
377             double b0, b1, b2;
378             double c0, c1, c2;
379             double in_det;
380             double R00, R01, R02, R03,
381                 R10, R11, R12, R13,
382                 R20, R21, R22, R23,
383                 R30, R31, R32, R33;
384
385
386             /* a = B - A */
387             a0 = B0 - A0; 
388             a1 = B1 - A1; 
389             a2 = B2 - A2;
390             /* b = C - B */
391             b0 = C0 - A0;
392             b1 = C1 - A1;
393             b2 = C2 - A2;
394             /* c = a &times; b */
395             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
396             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
397             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
398  
399             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
400             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
401             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
402             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
403             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
404             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
405             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
406             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
407             R20 = (c0) * in_det;
408             R21 = (c1) * in_det;
409             R22 = (c2) * in_det;
410   
411             /* O = M^(-1) * A */
412             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
413             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
414             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
415  
416             /* fill in last row of 4x4 matrix */
417             R30 = R31 = R32 = 0;
418             R33 = 1;
419   
420             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
421             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
422             if (J2 * K2 >= 0) return false;
423
424             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
425             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
426             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
427             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
428   
429             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
430             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
431             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
432             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
433
434             return true;            
435         }
436
437         public int compareTo(E e) {
438             return e.length() > length() ? 1 : -1;
439         }
440
441         public final Vert p1, p2;
442         T t;     // triangle to our "left"
443         E prev;  // previous half-edge
444         E next;  // next half-edge
445         E pair;  // partner half-edge
446
447
448         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
449
450         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
451         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
452
453         public void dobind() {
454             if (bg==null) return;
455             for(E ex : bg.es) {
456                 if (ex==this) continue;
457                 p1.bind(ex.p1);
458                 p2.bind(ex.p2);
459             }
460         }
461
462         boolean shattered = false;
463         public Vert shatter() { return shatter(register(midpoint()), null, null); }
464         public Vert shatter(Vert mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
465             if (shattered) return mid;
466             shattered = true;
467
468             Vert r = next.p2;
469             E next = this.next;
470             E prev = this.prev;
471
472             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
473             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
474             for(E e : bg.es) e.shatter(register(e.midpoint()), bg1, bg2);
475             pair.shatter();
476             destroy();
477
478             newT(r, p1, mid, null);
479             newT(r, mid, p2, null);
480             bg1.add(p1.getE(mid));
481             bg2.add(mid.getE(p2));
482             return mid;
483         }
484
485         public boolean destroyed = false;
486         public void destroy() {
487             if (destroyed) return;
488             destroyed = true;
489             pair.destroyed = true;
490             if (next.t != null) next.t.destroy();
491             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
492             if (pair.next.t != null) ts.remove(pair.next.t);
493             if (pair.prev.t != null) ts.remove(pair.prev.t);
494             next.t = null;
495             prev.t = null;
496             pair.next.t = null;
497             pair.prev.t = null;
498             this.bg = null;
499             pair.bg = null;
500             pair.prev.next = next;
501             next.prev = pair.prev;
502             prev.next = pair.next;
503             pair.next = prev;
504             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
505             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
506             es.remove(this);
507             es.remove(pair);
508             avgedge -= this.length();
509             avgedge -= pair.length();
510             numedges--;
511             numedges--;
512         }
513
514         private void sync() {
515             this.prev.next = this;
516             this.next.prev = this;
517             this.pair.pair = this;
518             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
519             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
520             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
521             es.add(this);
522             if (!added) {
523                 added = true;
524                 numedges++;
525                 avgedge += length();
526             }
527         }
528         private boolean added = false;
529
530         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
531
532         /** angle between this half-edge and the next */
533         public double angle() {
534             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
535             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
536             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
537         }
538
539         public void makeAdjacent(E e) {
540             if (this.next == e) return;
541             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
542             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
543
544             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
545
546             e.prev.next = freeIncident.next;
547             freeIncident.next.prev = e.prev;
548
549             freeIncident.next = this.next;
550             this.next.prev = freeIncident;
551             
552             this.next = e;
553             e.prev = this;
554
555             sync();
556             freeIncident.sync();
557         }
558
559         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
560         public E(Vert p1, Vert p2) {
561             if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
562             this.p1 = p1;
563             this.p2 = p2;
564             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
565             sync();
566         }
567
568         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
569         public E(E prev, Vert p2) {
570             this.p1 = prev.p2;
571             this.p2 = p2;
572             this.prev = prev;
573             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
574             if (p2.e==null) {
575                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
576             } else {
577                 E q = p2.getFreeIncident();
578                 this.next = q.next;
579                 this.next.prev = this;
580                 E z = prev.next;
581                 this.prev.next = this;
582                 this.pair = new E(q, this, z);
583             }
584             sync();
585         }
586
587         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
588         public E(E prev, E pair, E next) {
589             this.p1 = prev.p2;
590             this.p2 = next.p1;
591             this.prev = prev;
592             this.next = next;
593             this.pair = pair;
594             sync();
595         }
596         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); }
597         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
598         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
599         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
600     }
601
602     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
603     public final class T {
604         public final E e1;
605         public final int color;
606
607         public void destroy() {
608             ts.remove(this);
609         }
610
611         public Vert nearest(Point p) {
612             float d1 = p1().p.distance(p);
613             float d2 = p2().p.distance(p);
614             float d3 = p3().p.distance(p);
615             if (d1 < d2 && d1 < d3) return p1();
616             if (d2 < d3) return p2();
617             return p3();
618         }
619
620         T(E e1) {
621             this.e1 = e1;
622             E e2 = e1.next;
623             E e3 = e2.next;
624             if (e1==e2     || e1==e3) throw new Error();
625             if (e3.next!=e1) throw new Error();
626             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null)
627                 throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
628             e1.t = this;
629             e1.next.t = this;
630             e1.next.next.t = this;
631
632             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
633
634             int color = Math.abs(random.nextInt());
635             while(true) {
636                 color = color % 4;
637                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
638                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
639                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
640                 break;
641             }
642
643             // FIXME unnecssary
644             ts.add(this);
645             p1().kdinsert();
646             p2().kdinsert();
647             p3().kdinsert();
648
649             this.color = color;
650         }
651         public Vert p1() { return e1.p1; }
652         public Vert p2() { return e1.p2; }
653         public Vert p3() { return e1.next.p2; }
654         public E e1() { return e1; }
655         public E e2() { return e1.next; }
656         public E e3() { return e1.prev; }
657         public Vec norm() { return p2().p.minus(p1().p).cross(p3().p.minus(p1().p)).norm(); }
658         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
659         public boolean has(Vert v) { return p1()==v || p2()==v || p3()==v; }
660
661         public float area() {
662             return (float)Math.abs(0.5 * e1().length() * new Vec(p1().p, p2().p).norm().dot(new Vec(p2().p, p3().p)));
663         }
664
665         public void glVertices(GL gl) {
666             p1().p.glVertex(gl);
667             p2().p.glVertex(gl);
668             p3().p.glVertex(gl);
669         }
670
671         public Point centroid() { return new Point((p1().p.x+p2().p.x+p3().p.x)/3,
672                                           (p1().p.y+p2().p.y+p3().p.y)/3, 
673                                           (p1().p.z+p2().p.z+p3().p.z)/3); }
674         public float diameter() {
675             // FIXME: what is this supposed to be?
676             return Math.max(Math.max(e1().length(), e2().length()), e3().length()) / 2;
677         }
678
679
680     }
681     
682
683 }