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