massively improved demo
[anneal.git] / src / Geom.java
index 9c639e1..08b7cc1 100644 (file)
@@ -5,14 +5,19 @@ import javax.swing.*;
 import javax.media.opengl.*;
 import javax.media.opengl.glu.*;
 
+// FEATURE: octree for nearest-point queries?  Could make moving points around problematic.
+
 public class Geom implements Iterable<Geom.T> {
 
+    public static float EPSILON = (float)0.000001;
+
     private HashMap<P,P> ps = new HashMap<P,P>();
     private HashMap<E,E> es = new HashMap<E,E>();
     private HashSet<T>   ts = new HashSet<T>();
 
     public Iterator<T> iterator() { return ts.iterator(); }
 
+    public P newP(double x, double y, double z) { return newP((float)x, (float)y, (float)z); }
     public P newP(float x, float y, float z) {
         P p = new P(x, y, z);
         P p2 = ps.get(p);
@@ -29,21 +34,73 @@ public class Geom implements Iterable<Geom.T> {
         return e;
     }
 
-    public T newT(E e1, E e2, E e3) {
+    public T newT(P p1, P p2, P p3) {
+        return newT(newE(p1, p2), newE(p2, p3), newE(p3, p1), p3.minus(p1).cross(p2.minus(p1)));
+    }
+
+    /** ensures that e1.cross(e2).norm()==e2.cross(e3).norm()==e3.cross(e1).norm()==t.norm() */
+    public T newT(E e1, E e2, E e3, V norm) {
+        P p12 = e1.shared(e2);
+        P p23 = e2.shared(e3);
+        P p31 = e3.shared(e1);
+        V norm2 = p31.minus(p12).cross(p23.minus(p12));
+        float dot = norm.dot(norm2);
+        if (Math.abs(dot) < EPSILON) throw new Error("dot products within epsilon of each other: "+norm+" "+norm2);
+        if (dot < 0) { E t = e1; e1 = e3; e2 = e2; e3 = t; }
         if (e1.t1 != null && e1.t1.hasE(e1) && e1.t1.hasE(e2) && e1.t1.hasE(e3)) return e1.t1;
         if (e1.t2 != null && e1.t2.hasE(e1) && e1.t2.hasE(e2) && e1.t2.hasE(e3)) return e1.t2;
         if (e2.t1 != null && e2.t1.hasE(e1) && e2.t1.hasE(e2) && e2.t1.hasE(e3)) return e2.t1;
         if (e2.t2 != null && e2.t2.hasE(e1) && e2.t2.hasE(e2) && e2.t2.hasE(e3)) return e2.t2;
         if (e3.t1 != null && e3.t1.hasE(e1) && e3.t1.hasE(e2) && e3.t1.hasE(e3)) return e3.t1;
         if (e3.t2 != null && e3.t2.hasE(e1) && e3.t2.hasE(e2) && e3.t2.hasE(e3)) return e3.t2;
-        return new T(e1, e2, e3);
+        T ret = new T(e1, e2, e3);
+        ts.add(ret);
+        return ret;
     }
 
     /** [UNIQUE] point in 3-space */
     public final class P {
-        public final float x, y, z;
+        
+        float x, y, z;
+
+        private T t = null;  // any of the triangles incident at this point
+
+        private M binding = new M();
+        private P bound_to = this;
+
+        public void unbind() { bound_to = null; binding = null; }
+        public void bind(P p) { bind(p, new M()); }
+        public void bind(P p, M binding) {
+
+            P px = p;
+            do {
+                if (px==this) return; // already bound
+                px = px.bound_to;
+            } while(px != p);
+
+            P temp_bound_to = p.bound_to;
+            M temp_binding = p.binding;
+            p.bound_to = this.bound_to;
+            p.binding = binding.times(this.binding); // FIXME: may have order wrong here
+            this.bound_to = temp_bound_to;
+            this.binding = temp_binding.times(temp_binding); // FIXME: may have order wrong here
+        }
+
+        public void move(V v) {
+            P p = this;
+            do {
+                p.x = p.x+v.x;
+                p.y = p.y+v.y;
+                p.z = p.z+v.z;
+                v = v.times(binding);
+                p = p.bound_to;
+            } while (p != this);
+        }
+
         public P(float x, float y, float z) { this.x = x; this.y = y; this.z = z; }
         public V minus(P p) { return new V(x-p.x, y-p.y, z-p.z); }
+        public P plus(V v) { return newP(x+v.x, y+v.y, z+v.z); }
+        public P times(M m) { return m.apply(this); }
         public boolean equals(Object o) {
             if (o==null || !(o instanceof P)) return false;
             P p = (P)o;
@@ -56,24 +113,46 @@ public class Geom implements Iterable<Geom.T> {
                 Float.floatToIntBits(z);
         }
         public void glVertex(GL gl) { gl.glVertex3f(x, y, z); }
+        public String toString() { return "("+x+","+y+","+z+")"; }
+        public V norm() {
+            if (t==null) throw new Error("attempt to get vertex normal for point which does not belong to any triangles");
+            T ti = t;
+            V norm = new V(0, 0, 0);
+            do {
+                norm = norm.plus(ti.norm().times((float)ti.angle(this)));
+                ti = ti.nextT(this);
+            } while(ti != t);
+            return norm.norm();
+        }
     }
 
     /** vector in 3-space */
     public final class V {
-        private final float x, y, z;
+        public final float x, y, z;
+        public V(double x, double y, double z) { this((float)x, (float)y, (float)z); }
         public V(float x, float y, float z) { this.x = x; this.y = y; this.z = z; }
-        public boolean sameDirection(V v) { throw new Error(); }
         public V cross(V v) { return new V(y*v.z-z*v.y, z*v.x-x*v.z, x*v.y-y*v.x); }
+        public V plus(V v) { return new V(x+v.x, y+v.y, z+v.z); }
+        public V norm() { return div(mag()); }
+        public V times(M m) { return m.apply(this); }
         public float mag() { return (float)Math.sqrt(x*x+y*y+z*z); }
-        public V norm() { float m = mag(); return new V(x/m, y/m, z/m); }
+        public float dot(V v) { return x*v.x + y*v.y + z*v.z; }
+        public V times(float mag) { return new V(x*mag, y*mag, z*mag); }
+        public V div(float mag) { return new V(x/mag, y/mag, z/mag); }
+        public String toString() { return "<"+x+","+y+","+z+">"; }
     }
 
     /** [UNIQUE] an edge */
     public final class E {
         public final P p1, p2;
         T t1, t2;
-        public E(P p1, P p2) { this.p1 = p1; this.p2 = p2; }
+        public E(P p1, P p2) {
+            if (p1==p2) throw new Error("attempt to create edge with single vertex: " + p1);
+            this.p1 = p1;
+            this.p2 = p2;
+        }
         public int hashCode() { return p1.hashCode() ^ p2.hashCode(); }
+        public float length() { return p1.minus(p2).mag(); }
         public boolean equals(Object o) {
             if (o==null || !(o instanceof E)) return false;
             E e = (E)o;
@@ -95,29 +174,44 @@ public class Geom implements Iterable<Geom.T> {
             if (p2==e.p2) return p1;
             throw new Error("no shared vertex in unshared()");
         }
+        public T other(T t) {
+            if (t1==t) return t2;
+            if (t2==t) return t1;
+            throw new Error("edge " + this + " does not own triangle " + t);
+        }
+        public P other(P p) {
+            if (p==p1) return p2;
+            if (p==p2) return p1;
+            throw new Error("edge " + this + " does not own point " + p);
+        }
     }
 
     /** [UNIQUE] a triangle (face) */
     public final class T {
         public final E e1, e2, e3;
-        public T(E e1, E e2, E e3, V normal) {
-            P p1 = e1.shared(e2);
-            P p2 = e2.shared(e3);
-            P p3 = e3.shared(e1);
-            V norm = p2.minus(p1).cross(p3.minus(p1));
-            if (norm.sameDirection(normal)) {
-                this.e1 = e1;
-                this.e2 = e2;
-                this.e3 = e3;
-            } else {
-                this.e1 = e3;
-                this.e2 = e2;
-                this.e3 = e1;
-            }
+        T(E e1, E e2, E e3) {
+            if (e1.p1.t==null) e1.p1.t = this;
+            if (e1.p2.t==null) e1.p2.t = this;
+            if (e2.p1.t==null) e2.p1.t = this;
+            if (e2.p2.t==null) e2.p2.t = this;
+            if (e3.p1.t==null) e3.p1.t = this;
+            if (e3.p2.t==null) e3.p2.t = this;
+            if (e1==e2) throw new Error("attempt to create triangle with duplicate edge: " + e1);
+            if (e2==e3) throw new Error("attempt to create triangle with duplicate edge: " + e2);
+            if (e3==e1) throw new Error("attempt to create triangle with duplicate edge: " + e3);
+            // check that each pair of edges shares a vertex
+            e1.shared(e2);
+            e2.shared(e3);
+            e3.shared(e1);
+            this.e1 = e1;
+            this.e2 = e2;
+            this.e3 = e3;
+            // FEATURE: colinearity/sliverness check?
             if (e1.t1 == null) e1.t1 = this; else if (e1.t2 == null) e1.t2 = this; else throw new Error("non-manifold surface");
             if (e2.t1 == null) e2.t1 = this; else if (e2.t2 == null) e2.t2 = this; else throw new Error("non-manifold surface");
             if (e3.t1 == null) e3.t1 = this; else if (e3.t2 == null) e3.t2 = this; else throw new Error("non-manifold surface");
-            ts.add(this);
+            // FIXME: check that triangles we share an edge with agree on the direction of the normal vector
+            // FIXME: check for sealed/watertight surface once construction is complete (and infer normal(s)?)
         }
         public V norm() {
             P p1 = e1.shared(e2);
@@ -125,25 +219,60 @@ public class Geom implements Iterable<Geom.T> {
             P p3 = e3.shared(e1);
             return p2.minus(p1).cross(p3.minus(p1)).norm();
         }
-        public T(E e1, E e2, E e3) {
-            this.e1 = e1;
-            this.e2 = e2;
-            this.e3 = e3;
-            if (e1.t1 == null) e1.t1 = this; else if (e1.t2 == null) e1.t2 = this; else throw new Error("non-manifold surface");
-            if (e2.t1 == null) e2.t1 = this; else if (e2.t2 == null) e2.t2 = this; else throw new Error("non-manifold surface");
-            if (e3.t1 == null) e3.t1 = this; else if (e3.t2 == null) e3.t2 = this; else throw new Error("non-manifold surface");
-            ts.add(this);
-        }
         public boolean hasE(E e) { return e1==e || e2==e || e3==e; }
         public void glVertices(GL gl) {
-            e1.unshared(e2).glVertex(gl);
-            e1.shared(e2).glVertex(gl);
-            e2.shared(e3).glVertex(gl);
+            p1().glVertex(gl);
+            p2().glVertex(gl);
+            p3().glVertex(gl);
         }
+        public P p1() { return e1.shared(e2); }
+        public P p2() { return e1.shared(e3); }
+        public P p3() { return e3.shared(e2); }
+        public P centroid() { return newP((p1().x+p2().x+p3().x)/3,
+                                          (p1().y+p2().y+p3().y)/3, 
+                                          (p1().z+p2().z+p3().z)/3); }
+        public float diameter() {
+            // FIXME: what is this supposed to be?
+            return Math.max(Math.max(e1.length(), e2.length()), e3.length()) / 2;
+        }
+
+        /** returns the next triangle walking clockwise around the vertex normal */
+        public T nextT(P p) { return prevE(p).other(this); }
+        public T prevT(P p) { return nextE(p).other(this); }
+
+        /** edge "after" this point, moving clockwise around the normal */
+        public E nextE(P p) {
+            if      (p == e1.shared(e2)) return e1;
+            else if (p == e2.shared(e3)) return e2;
+            else if (p == e3.shared(e1)) return e3;
+            else throw new Error("triangle " + this + " does not own point " + p);
+        }
+
+        /** edge "before" this point, moving clockwise around the normal */
+        public E prevE(P p) {
+            if      (p == e1.shared(e2)) return e2;
+            else if (p == e2.shared(e3)) return e3;
+            else if (p == e3.shared(e1)) return e1;
+            else throw new Error("triangle " + this + " does not own point " + p);
+        }
+
+        /** returns the angle at point p */
+        public double angle(P p) {
+            V v1 = nextE(p).other(p).minus(p);
+            V v2 = prevE(p).other(p).minus(p);
+            return Math.acos(v1.norm().dot(v2.norm()));
+        }
+
     }
 
+
     /** matrix */
     public class M {
+        public M() { }
+        public P apply(P p) { return p; }
+        public V apply(V v) { return v; }
+        public M invert() { return this; }
+        public M times(M m) { return this; }
     }
 
 }