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() {
24         if (es.size() == 0) return new FaceIterator();
25         return new FaceIterator(es.iterator().next().p1);
26     }
27
28     public Point origin() { return new Point(0, 0, 0); }
29
30     public Mesh score_against = null;
31     public double score = 0;
32     public float score() { return (float)score; }
33
34     public int numedges = 0;
35     public float avgedge = 0;
36
37     public void unbind() {
38         for(Mesh.T t : this) {
39             t.v1().unbind();
40             t.v2().unbind();
41             t.v3().unbind();
42         }
43     }
44
45     public void bind() {
46         for(Mesh.T t : this) {
47             t.e1().dobind();
48             t.e2().dobind();
49             t.e3().dobind();
50         }
51     }
52
53     public float rescore() {
54         int num = 0;
55         double dist = 0;
56         HashSet<Vert> done = new HashSet<Vert>();
57         for(T t : this)
58             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() }) {
59                 if (done.contains(p)) continue;
60                 done.add(p);
61                 p.rescore();
62             }
63         for(T t : this)
64             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
65                 p.kdremove();
66         kd = new KDTree(3);
67         for(T t : this)
68             for(Vert p : new Vert[] { t.v1(), t.v2(), t.v3() })
69                 p.kdinsert();
70         return (float)(dist/num);
71     }
72
73     public void transform(Matrix m) {
74         ArrayList<Vert> set = new ArrayList<Vert>();
75         set.addAll(ps.values());
76         for(Vert v : set) v.transform(m);
77     }
78
79     public Vec diagonal() {
80         float min_x = Float.MAX_VALUE;
81         float min_y = Float.MAX_VALUE;
82         float min_z = Float.MAX_VALUE;
83         float max_x = Float.MIN_VALUE;
84         float max_y = Float.MIN_VALUE;
85         float max_z = Float.MIN_VALUE;
86         for(Point p : ps.keySet()) {
87             if (p.x < min_x) min_x = p.x;
88             if (p.y < min_y) min_y = p.y;
89             if (p.z < min_z) min_z = p.z;
90             if (p.x > max_x) max_x = p.x;
91             if (p.y > max_y) max_y = p.y;
92             if (p.z > max_z) max_z = p.z;
93         }
94         return new Vec(max_x - min_x, max_y - min_y, max_z - min_z);
95     }
96
97     public Point centroid() {
98         float min_x = Float.MAX_VALUE;
99         float min_y = Float.MAX_VALUE;
100         float min_z = Float.MAX_VALUE;
101         float max_x = Float.MIN_VALUE;
102         float max_y = Float.MIN_VALUE;
103         float max_z = Float.MIN_VALUE;
104         for(Point p : ps.keySet()) {
105             if (p.x < min_x) min_x = p.x;
106             if (p.y < min_y) min_y = p.y;
107             if (p.z < min_z) min_z = p.z;
108             if (p.x > max_x) max_x = p.x;
109             if (p.y > max_y) max_y = p.y;
110             if (p.z > max_z) max_z = p.z;
111         }
112         return new Point((float)(max_x + min_x)/2,
113                      (float)(max_y + min_y)/2,
114                      (float)(max_z + min_z)/2);
115     }
116
117     public float volume() {
118         double total = 0;
119         for(T t : this) {
120             double area = t.area();
121             Vec origin_to_centroid = new Vec(new Point(0, 0, 0), t.centroid());
122             boolean facingAway = t.norm().dot(origin_to_centroid) > 0;
123             double height = Math.abs(t.norm().dot(origin_to_centroid));
124             total += ((facingAway ? 1 : -1) * area * height) / 3.0;
125         }
126         return (float)total;
127     }
128
129     public Vert nearest(Point p) {
130         Object[] results;
131         try { results = kd.nearest(new double[]{p.x,p.y,p.z},1); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
132         return (Vert)results[0];
133     }
134
135     public class BindingGroup {
136         public HashSet<E> es = new HashSet<E>();
137         public BindingGroup() { }
138         public BindingGroup(E e) {
139             es.add(e);
140         }
141         public void add(E e) {
142             if (e.bg != null) { merge(e.bg); return; }
143             es.add(e);
144             e.bg = this;
145         }
146         public void merge(BindingGroup bg) {
147             for(E e : bg.es) {
148                 e.bg = null;
149                 add(e);
150             }
151         }
152     }
153
154     public Vert register(Point p) { Vert v = ps.get(p); return v==null ? new Vert(p) : v; }
155     public final class Vert {
156         public Point p;
157         private Vert(Point p) {
158             this.p = p;
159             if (ps.get(p) != null) throw new Error();
160             ps.put(this.p, this);
161         }
162         public void kdremove() {
163             if (!inserted) return;
164             inserted = false;
165             try { kd.delete(new double[]{p.x,p.y,p.z}); } catch (Exception e) { }
166         }
167         public void kdinsert() {
168             if (inserted) return;
169             inserted = true;
170             try { kd.insert(new double[]{p.x,p.y,p.z},this); } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
171         }
172
173         public float score() { return oldscore; }
174         public void unscore() {
175             if (watch == null) return;
176             watch.watch_x -= p.x;
177             watch.watch_y -= p.y;
178             watch.watch_z -= p.z;
179             watch.watch_count--;
180             if (watch.watch_count==0) {
181                 watch.watch_x = 0;
182                 watch.watch_y = 0;
183                 watch.watch_z = 0;
184             }
185             watch = null;
186         }
187         public Vert partner() { return watch==null ? this : watch; }
188         public Vert watchback() { return watch_count==0 ? partner() :
189                 register(new Point(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count)); }
190         public void rescore() {
191             if (score_against == null) return;
192
193             score -= oldscore;
194             oldscore = 0;
195
196             if (watch != null) unscore();
197             Vert po = this;
198             if (watch == null) {
199                 watch = score_against.nearest(po.p);
200
201                 // don't attract to vertices that face the other way
202                 if (watch.norm().dot(norm()) < 0) {
203                     watch = null;
204                 } else {
205                     watch.watch_x += po.p.x;
206                     watch.watch_y += po.p.y;
207                     watch.watch_z += po.p.z;
208                     watch.watch_count++;
209                 }
210             }
211
212             double s1, s2;
213             if (watch_count==0) s1 = 0;
214             else                s1 = p.distance(watch_x/watch_count, watch_y/watch_count, watch_z/watch_count);
215             s2 = watch==null ? 0 : po.p.distance(watch.p);
216             oldscore = (float)(s1 + s2);
217             score += oldscore;
218         }
219
220         /** does NOT update bound pairs! */
221         public boolean transform(Matrix m) {
222             // FIXME: screws up kdtree 
223             // FIXME: screws up hashmap
224             unscore();
225             try {
226                 if (ps.get(this.p)==null) throw new Error();
227                 ps.remove(this.p);
228                 float newx = m.a*p.x + m.b*p.y + m.c*p.z + m.d;
229                 float newy = m.e*p.x + m.f*p.y + m.g*p.z + m.h;
230                 float newz = m.i*p.x + m.j*p.y + m.k*p.z + m.l;
231                 this.p = new Point(newx, newy, newz);
232                 // FIXME: what if we move onto exactly where another point is?
233                 ps.put(this.p,(Vert)this);
234             } catch (Exception e) {
235                 throw new RuntimeException(e);
236             }
237             rescore();
238             boolean good = true;
239             /*
240             for(T t : ts) {
241                 for(E e = this.e; ;) {
242                     if (e.intersects(t)) { good = false; break; }
243                     e = e.pair.next;
244                     if (e == this.e) break;
245                 }
246             }
247             */
248             /*
249                 if (t==this.t) continue;
250                 if (this.intersects(t)) good = false;
251             }
252             */
253             return good;
254         }
255         public boolean move(Vec v) {
256             Matrix m = new Matrix(v);
257             Vert p = this;
258             boolean good = true;
259             do {
260                 good &= p.transform(m);
261                 v = v.times(binding); // bleh wrong
262                 p = p.bound_to;
263             } while (p != this);
264             return good;
265         }
266
267         public E makeE(Vert p2) {
268             E e = getE(p2);
269             if (e != null) return e;
270             e = p2.getE(this);
271             if (this.e == null && p2.e == null) return this.e = new E(this, p2);
272             if (this.e == null && p2.e != null) return p2.makeE(this).pair;
273             return new E(getFreeIncident(), p2);
274         }
275
276         public E getFreeIncident() {
277             E ret = getFreeIncident(e, e);
278             if (ret != null) return ret;
279             ret = getFreeIncident(e.pair.next, e.pair.next);
280             if (ret == null) throw new Error("unable to find free incident to " + this);
281             return ret;
282         }
283
284         public E getFreeIncident(E start, E before) {
285             E e = start;
286             do {
287                 if (e.pair.p2 == this && e.pair.t == null && e.pair.next.t == null) return e.pair;
288                 e = e.pair.next;
289             } while(e != before);
290             return null;
291         }
292
293         public E getE(Vert p2) {
294             E e = this.e;
295             do {
296                 if (e==null) return null;
297                 if (e.p1 == this && e.p2 == p2) return e;
298                 e = e.pair.next;
299             } while (e!=this.e);
300             return null;
301         }
302
303         public boolean isBoundTo(Vert p) {
304             Vert px = p;
305             do {
306                 if (px==this) return true;
307                 px = px.bound_to;
308             } while(px != p);
309             return false;
310         }
311
312         public void unbind() { bound_to = this; binding = new Matrix(); }
313         public void bind(Vert p) { bind(p, new Matrix()); }
314         public void bind(Vert p, Matrix binding) {
315             if (isBoundTo(p)) return;
316             Vert temp_bound_to = p.bound_to;
317             Matrix temp_binding = p.binding;
318             p.bound_to = this.bound_to;
319             p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
320             this.bound_to = temp_bound_to;
321             this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
322         }
323         public Vec norm() {
324             Vec norm = new Vec(0, 0, 0);
325             E e = this.e;
326             do {
327                 if (e.t != null) norm = norm.plus(e.t.norm().times((float)e.prev.angle()));
328                 e = e.pair.next;
329             } while(e != this.e);
330             return norm.norm();
331         }
332
333         Vert bound_to = this;
334         int watch_count;
335         float watch_x;
336         float watch_y;
337         float watch_z;
338         Vert watch;
339         E e;                // some edge *leaving* this point
340         Matrix binding = new Matrix();
341         float oldscore = 0;
342         boolean inserted = false;
343     }
344
345     /** [UNIQUE] an edge */
346     public final class E implements Comparable<E> {
347
348         public boolean intersects(T t) {
349             double A0=t.v1().p.x, A1=t.v1().p.y, A2=t.v1().p.z;
350             double B0=t.v2().p.x, B1=t.v2().p.y, B2=t.v2().p.z;
351             double C0=t.v3().p.x, C1=t.v3().p.y, C2=t.v3().p.z;
352             double j0=p1.p.x, j1=p1.p.y, j2=p1.p.z;
353             double k0=p2.p.x, k1=p2.p.y, k2=p2.p.z;
354             double J0, J1, J2;
355             double K0, K1, K2;
356             double i0, i1, i2;
357             double a0, a1, a2;
358             double b0, b1, b2;
359             double c0, c1, c2;
360             double in_det;
361             double R00, R01, R02, R03,
362                 R10, R11, R12, R13,
363                 R20, R21, R22, R23,
364                 R30, R31, R32, R33;
365
366
367             /* a = B - A */
368             a0 = B0 - A0; 
369             a1 = B1 - A1; 
370             a2 = B2 - A2;
371             /* b = C - B */
372             b0 = C0 - A0;
373             b1 = C1 - A1;
374             b2 = C2 - A2;
375             /* c = a &times; b */
376             c0 = a1 * b2 - a2 * b1;
377             c1 = a2 * b0 - a0 * b2;
378             c2 = a0 * b1 - a1 * b0;
379  
380             /* M^(-1) = (1/det(M)) * adj(M) */
381             in_det = 1 / (c0 * c0 + c1 * c1 + c2 * c2);
382             R00 = (b1 * c2 - b2 * c1) * in_det;
383             R01 = (b2 * c0 - b0 * c2) * in_det;
384             R02 = (b0 * c1 - b1 * c0) * in_det;
385             R10 = (c1 * a2 - c2 * a1) * in_det;
386             R11 = (c2 * a0 - c0 * a2) * in_det;
387             R12 = (c0 * a1 - c1 * a0) * in_det;
388             R20 = (c0) * in_det;
389             R21 = (c1) * in_det;
390             R22 = (c2) * in_det;
391   
392             /* O = M^(-1) * A */
393             R03 = -(R00 * A0 + R01 * A1 + R02 * A2);
394             R13 = -(R10 * A0 + R11 * A1 + R12 * A2);
395             R23 = -(R20 * A0 + R21 * A1 + R22 * A2);
396  
397             /* fill in last row of 4x4 matrix */
398             R30 = R31 = R32 = 0;
399             R33 = 1;
400   
401             J2 = R20 * j0 + R21 * j1 + R22 * j2 + R23;
402             K2 = R20 * k0 + R21 * k1 + R22 * k2 + R23;
403             if (J2 * K2 >= 0) return false;
404
405             J0 = R00 * j0 + R01 * j1 + R02 * j2 + R03;
406             K0 = R00 * k0 + R01 * k1 + R02 * k2 + R03;
407             i0 = J0 + J2 * ((K0 - J0) / (J2 - K2));
408             if (i0 < 0 || i0 > 1) return false;
409   
410             J1 = R10 * j0 + R11 * j1 + R12 * j2 + R13;
411             K1 = R10 * k0 + R11 * k1 + R12 * k2 + R13;
412             i1 = J1 + J2 * ((K1 - J1) / (J2 - K2));
413             if (i1 < 0 || i1 > 1 || i0 + i1 > 1) return false;
414
415             return true;            
416         }
417
418         public int compareTo(E e) {
419             return e.length() > length() ? 1 : -1;
420         }
421
422         public final Vert p1, p2;
423         T t;     // triangle to our "left"
424         E prev;  // previous half-edge
425         E next;  // next half-edge
426         E pair;  // partner half-edge
427
428
429         public BindingGroup bg = new BindingGroup(this);
430
431         public void bind(E e) { bind(e, new Matrix()); }
432         public void bind(E e, Matrix m) { e.bg.add(this); }
433
434         public void dobind() {
435             if (bg==null) return;
436             for(E ex : bg.es) {
437                 if (ex==this) continue;
438                 p1.bind(ex.p1);
439                 p2.bind(ex.p2);
440             }
441         }
442
443         boolean shattered = false;
444         public Vert shatter() { return shatter(register(midpoint()), null, null); }
445         public Vert shatter(Vert mid, BindingGroup bg1, BindingGroup bg2) {
446             if (shattered) return mid;
447             shattered = true;
448
449             Vert r = next.p2;
450             E next = this.next;
451             E prev = this.prev;
452
453             if (bg1==null) bg1 = new BindingGroup();
454             if (bg2==null) bg2 = new BindingGroup();
455             for(E e : bg.es) e.shatter(register(e.midpoint()), bg1, bg2);
456             pair.shatter();
457             destroy();
458
459             newT(r, p1, mid, null);
460             newT(r, mid, p2, null);
461             bg1.add(p1.getE(mid));
462             bg2.add(mid.getE(p2));
463             return mid;
464         }
465
466         public boolean destroyed = false;
467         public void destroy() {
468             if (destroyed) return;
469             destroyed = true;
470             pair.destroyed = true;
471             if (next.t != null) next.t.destroy();
472             if (prev.t != null) prev.t.destroy();
473             if (pair.next.t != null) ts.remove(pair.next.t);
474             if (pair.prev.t != null) ts.remove(pair.prev.t);
475             next.t = null;
476             prev.t = null;
477             pair.next.t = null;
478             pair.prev.t = null;
479             this.bg = null;
480             pair.bg = null;
481             pair.prev.next = next;
482             next.prev = pair.prev;
483             prev.next = pair.next;
484             pair.next = prev;
485             if (p1.e == this) p1.e = prev.next;
486             if (pair.p1.e == pair) pair.p1.e = pair.prev.next;
487             es.remove(this);
488             es.remove(pair);
489             avgedge -= this.length();
490             avgedge -= pair.length();
491             numedges--;
492             numedges--;
493         }
494
495         private void sync() {
496             this.prev.next = this;
497             this.next.prev = this;
498             this.pair.pair = this;
499             if (this.next.p1 != p2) throw new Error();
500             if (this.prev.p2 != p1) throw new Error();
501             if (this.p1.e == null) this.p1.e = this;
502             es.add(this);
503             if (!added) {
504                 added = true;
505                 numedges++;
506                 avgedge += length();
507             }
508         }
509         private boolean added = false;
510
511         public T makeT() { return t==null ? (t = new T(this)) : t; }
512
513         /** angle between this half-edge and the next */
514         public double angle() {
515             Vec v1 = next.p2.p.minus(p2.p);
516             Vec v2 = this.p1.p.minus(p2.p);
517             return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
518         }
519
520         public void makeAdjacent(E e) {
521             if (this.next == e) return;
522             if (p2 != e.p1) throw new Error("cannot make adjacent -- no shared vertex");
523             if (t != null || e.t != null) throw new Error("cannot make adjacent -- edges not both free");
524
525             E freeIncident = p2.getFreeIncident(e, this);
526
527             e.prev.next = freeIncident.next;
528             freeIncident.next.prev = e.prev;
529
530             freeIncident.next = this.next;
531             this.next.prev = freeIncident;
532             
533             this.next = e;
534             e.prev = this;
535
536             sync();
537             freeIncident.sync();
538         }
539
540         /** creates an isolated edge out in the middle of space */
541         public E(Vert p1, Vert p2) {
542             if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
543             this.p1 = p1;
544             this.p2 = p2;
545             this.prev = this.next = this.pair = new E(this, this, this);
546             sync();
547         }
548
549         /** adds a new half-edge from prev.p2 to p2 */
550         public E(E prev, Vert p2) {
551             this.p1 = prev.p2;
552             this.p2 = p2;
553             this.prev = prev;
554             if (p2.getE(p1) != null) throw new Error();
555             if (p2.e==null) {
556                 this.next = this.pair = new E(this, this, prev.next);
557             } else {
558                 E q = p2.getFreeIncident();
559                 this.next = q.next;
560                 this.next.prev = this;
561                 E z = prev.next;
562                 this.prev.next = this;
563                 this.pair = new E(q, this, z);
564             }
565             sync();
566         }
567
568         /** adds a new half-edge to the mesh with a given predecessor, successor, and pair */
569         public E(E prev, E pair, E next) {
570             this.p1 = prev.p2;
571             this.p2 = next.p1;
572             this.prev = prev;
573             this.next = next;
574             this.pair = pair;
575             sync();
576         }
577         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); }
578         public boolean has(Vert v) { return v==p1 || v==p2; }
579         public float length() { return p1.p.minus(p2.p).mag(); }
580         public String toString() { return p1+"->"+p2; }
581     }
582
583     public T newT(Vert p1, Vert p2, Vert p3, Vec norm) {
584         if (norm != null) {
585             Vec norm2 = p3.p.minus(p1.p).cross(p2.p.minus(p1.p));
586             float dot = norm.dot(norm2);
587             //if (Math.abs(dot) < EPointSILON) throw new Error("dot products within epsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
588             if (dot < 0) { Vert p = p1; p1=p2; p2 = p; }
589         }
590         E e12 = p1.makeE(p2);
591         E e23 = p2.makeE(p3);
592         E e31 = p3.makeE(p1);
593         while(e12.next != e23 || e23.next != e31 || e31.next != e12) {
594             e12.makeAdjacent(e23);
595             e23.makeAdjacent(e31);
596             e31.makeAdjacent(e12);
597         }
598         T ret = e12.makeT();
599         if (e12.t == null) throw new Error();
600         if (e23.t == null) throw new Error();
601         if (e31.t == null) throw new Error();
602         return ret;
603     }
604
605
606     public class FaceIterator implements Iterator<T> {
607         private HashSet<T> visited = new HashSet<T>();
608         private LinkedList<T> next = new LinkedList<T>();
609         public FaceIterator() { }
610         public FaceIterator(Vert v) { next.addFirst(v.e.t); }
611         public boolean hasNext() { return next.peek()!=null; }
612         public void remove() { throw new Error(); }
613         public T next() {
614             T ret = next.removeFirst();
615             if (ret == null) return null;
616             visited.add(ret);
617             T t1 = ret.e1().pair.t;
618             T t2 = ret.e2().pair.t;
619             T t3 = ret.e3().pair.t;
620             if (t1 != null && !visited.contains(t1)) next.addFirst(t1);
621             if (t2 != null && !visited.contains(t2)) next.addFirst(t2);
622             if (t3 != null && !visited.contains(t3)) next.addFirst(t3);
623             return ret;
624         }
625     }
626
627     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
628     public final class T extends Triangle {
629         public final E e1;
630         public final int color;
631
632         public void destroy() {
633             ts.remove(this);
634         }
635
636         T(E e1) {
637             this.e1 = e1;
638             E e2 = e1.next;
639             E e3 = e2.next;
640             if (e1==e2 || e1==e3) throw new Error();
641             if (e3.next!=e1) throw new Error();
642             if (e1.t!=null || e2.t!=null || e3.t!=null) throw new Error("non-manifold surface or disagreeing normals");
643             e1.t = this;
644             e1.next.t = this;
645             e1.next.next.t = this;
646
647             // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
648
649             int color = Math.abs(random.nextInt());
650             while(true) {
651                 color = color % 4;
652                 if (e1().pair.t != null && color == e1().pair.t.color) { color++; continue; }
653                 if (e2().pair.t != null && color == e2().pair.t.color) { color++; continue; }
654                 if (e3().pair.t != null && color == e3().pair.t.color) { color++; continue; }
655                 break;
656             }
657             this.color = color;
658
659             // FIXME unnecssary?
660             ts.add(this);
661             v1().kdinsert();
662             v2().kdinsert();
663             v3().kdinsert();
664         }
665         public E e1() { return e1; }
666         public E e2() { return e1.next; }
667         public E e3() { return e1.prev; }
668         public Vert v1() { return e1.p1; }
669         public Vert v2() { return e1.p2; }
670         public Vert v3() { return e1.next.p2; }
671         public Point p1() { return e1.p1.p; }
672         public Point p2() { return e1.p2.p; }
673         public Point p3() { return e1.next.p2.p; }
674         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e1.next==e || e1.prev==e; }
675         public boolean has(Vert v) { return v1()==v || v2()==v || v3()==v; }
676     }
677
678 }