output.c

   1 /*
   2  * Generates an STL file
   3  *  usage: ./output+<size> <thickness> <unit-circle-diameter>
   4  *    thickness is in original moebius unit circle units
   5  *    unit circle diameter is in whatever dimensions the STL file uses
   6  *
   7  * We have to:
   8  *   - add some thickness
   9  *   - define a shape for the rim so that it is solid
  10  *   - scale the coordinates
  11  *   - translate the coordinates so they're all positive
  12  */
  13 /*
  14  * Re STL, see:
  15  *  http://www.ennex.com/~fabbers/StL.asp
  16  *  http://en.wikipedia.org/wiki/STL_%28file_format%29
  17  *    saved here as stl-format-wikipedia.txt
  18  */
  19
  20 /*
  21  * We add thickness by adding vertices as follows:
  22  *
  23  *                     :axis of symmetry
  24  *             sides | :
  25  *               swap| :
  26  *                   | :
  27  *       *F          | : *F              *F              *F              *F
  28  *                   | :
  29  *      *E      *G   | :*E      *G      *E      *G      *E      *G      *E
  30  *                   | :
  31  *    *D ____________|*D ____________ *D ____________ *D ____________ *D __
  32  *    /\          3  |/\   0          /\              /\              /\
  33  *   /  \            / :\            /  \            /  \            /  \
  34  *       \    *A   4/ \: \5   *B    /    \    *B    /    \    *B    /    \
  35  *        \        /   \  \    1   /      \        /      \        /
  36  *         \      /    :\  \      /        \      /        \      /
  37  *    *B    \    /    *B2|  \2  1/   0*A    \    /    *A    \    /    *A
  38  *           \  /      : |   \  / . '        \  /            \  /
  39  *   _______  *C _____ :_|___ *C' __________  *C ___________  *C _________
  40  *            /\       : | 3  /\.  0          /\              /\
  41  *           /  \      :3|   /  \ ` .        /  \            /  \
  42  *    *A    /    \    *A |  /4  5\   5*B    /    \    *B    /    \    *B
  43  *         /      \   1: / /      \        /      \        /      \
  44  *        /        \   :/ /    4   \      /        \      /        \
  45  *       /    *B2  2\  / /1   *A    \    /    *A    \    /    *A    \    /
  46  *   \  /            \/:/     0      \  /            \  /            \  /
  47  *    *C ____________|*C ____________ *C ___________  *C ___________  *C __
  48  *    /\          3  | :   0          /\              /\              /\
  49  *   /  \            / :\            /  \            /  \            /  \
  50  *       \    *A3  4/ \: \5  5*B    /    \    *B    /    \    *B    /    \
  51  *        \        /   \  \        /      \        /      \        /
  52  *         \      /   4:\  \      /        \      /        \      /
  53  *    *B    \    /    *B |  \    /    *A    \    /    *A    \    /    *A
  54  *           \  /      : |   \  / . '        \  /            \  /
  55  *   _______  *C _____ :_|___ *C' __________  *C ___________  *C _________
  56  *            /\       : | 3  /\.  0          /\              /\
  57  *           /  \      : |   /  \ ` .        /  \            /  \
  58  *                     :
  59  *         .      .    :   .      .        .      .        .      .
  60  *                     :
  61
  62  *           \  /      : |   \  / . '        \  /            \  /
  63  *   _______  *C _____ :_|___ *C' __________  *C ___________  *C _________
  64  *            /\       : | 3  /\.  0          /\              /\
  65  *           /  \      : |   /  \ ` .        /  \            /  \
  66  *    *A    /    \    *A |  /4  5\    *B    /    \    *B    /    \    *B
  67  *         /      \   1: / /      \        /      \        /      \
  68  *        /        \   :/ /        \      /        \      /        \
  69  *       /    *B2  2\  / /1  0*A    \    /    *A    \    /    *A    \    /
  70  *   \  /            \/:/            \  /            \  /            \  /
  71  *    *D ____________|*D ____________ *D ___________  *D ___________  *D __
  72  *                 3 | :   0
  73  *      *E    *G     | :*E    *G        *E    *G        *E    *G        *E
  74  *                   | :
  75  *       *F          | : *F              *F              *F              *F
  76  *                   | :
  77  *
  78  * Each A,B,C,D represents two vertices - one on each side of the
  79  * surface.  Each E,F,G represents a several vertices in an arc around
  80  * the rim.  Digits are `e' values for edges or relative AB
  81  * outvertices.
  82  *
  83  * The constructions we use are:
  84  *
  85  *  A, B:  Extend the normal vector of the containing intriangle
  86  *         from its centroid for thickness.
  87  *
  88  *  C:     Take mean position (centroid) of all surrounding
  89  *         computed A and B, and extend from base point in
  90  *         direction of that centroid for thickness.
  91  *
  92  *  D, E, F:
  93  *         Compute notional rim vector R as mean of the two
  94  *         adjoining rim edges, and consider plane P as
  95  *         that passing through the base point normal to R.
  96  *         Project the centroid of the two adjoining non-rim
  97  *         vertices onto P.  Now D(EF)+ED is the semicircle
  98  *         in P centred on the base point with radius thickness
  99  *         and which is opposite that centroid.
 100  *
 101  *  G:     Each F is the mean of those two adjacent Es with the
 102  *         same angle in their respective Ps.
 103  *
 104  * The outtriangles are:
 105  *
 106  *  For each non-rim vertex on each side, the six triangles formed by
 107  *  its C and the surrounding A's and B's.
 108  *
 109  *  For each rim vertex on each side, the two triangles formed by its
 110  *  D and the nearest As and Bs (two As and one B or vice versa).
 111  *
 112  *  For each rim edge on each side, the triangle formed by that edge's
 113  *  ends' Ds and the corresponding A or B.
 114  *
 115  *  For each G, the six triangles formed by that G and the adjacent
 116  *  four Fs (or two Fs and two Ds) and two Es.
 117  */
 118
 119 #include "mgraph.h"
 120 #include "common.h"
 121
 122 /*---------- declarations and useful subroutines ----------*/
 123
 124 #define FOR_SIDE for (side=0; side<2; side++)
 125
 126 typedef struct {
 127   double p[D3];
 128 } OutVertex;
 129
 130 #define NG   10
 131 #define NDEF (NG*2+1)
 132
 133 static OutVertex ovAB[N][2][2]; /* indices: vertex to W, A=0 B=1, side */
 134 static OutVertex ovC[N][2];
 135 static OutVertex ovDEF[X][2][NDEF]; /* x, !!y, angle */
 136 static OutVertex ovG[X][2][NG]; /* x, !!y, angle; for G to the East of x */
 137
 138 static Vertices in;
 139
 140 static double thick; /* in input units */
 141 static double scale;
 142
 143 static void normalise_thick(double a[D3]) {
 144   /* multiplies a by a scalar so that its magnitude is thick */
 145   int k;
 146   double multby= thick / magnD(a);
 147   K a[k] *= multby;
 148 }
 149
 150 static void triangle_normal(double normal[D3], const double a[D3],
 151                             const double b[D3], const double c[D3]) {
 152   double ab[D3], ac[D3];
 153   int k;
 154
 155   K ab[k]= b[k] - a[k];
 156   K ac[k]= c[k] - a[k];
 157   xprod(normal,ab,ac);
 158 }
 159
 160 static OutVertex *invertex2outvertexab(int v0, int e, int side) {
 161   int vref, ab;
 162   switch (e) {
 163   case 0:  vref=          v0   ;  ab=0;   break;
 164   case 1:  vref=EDGE_END2(v0,2);  ab=1;   break;
 165   case 2:  vref=EDGE_END2(v0,3);  ab=0;   break;
 166   case 3:  vref=EDGE_END2(v0,3);  ab=1;   break;
 167   case 4:  vref=EDGE_END2(v0,4);  ab=0;   break;
 168   case 5:  vref=          v0   ;  ab=1;   break;
 169   default: abort();
 170   }
 171   if (vref<0) return 0;
 172   int sw= VERTICES_SPAN_JOIN_P(v0,vref);
 173   return &ovAB[vref][ab^sw][side^sw];
 174 }
 175
 176 /*---------- output vertices ----------*/
 177
 178 static void compute_outvertices(void) {
 179   int v0,k,side,ab,x,y;
 180
 181   FOR_VERTEX(v0) {
 182     for (ab=0; ab<2; ab++) {
 183       int v1= EDGE_END2(v0, ab?5:0);
 184       int v2= EDGE_END2(v0, ab?0:1);
 185       if (v1<0 || v2<0) {
 186         K ovAB[v0][ab][0].p[k]= ovAB[v0][ab][1].p[k]= NAN;
 187         continue;
 188       }
 189       double normal[D3], centroid[D3];
 190       triangle_normal(normal, in[v0],in[v1],in[v2]);
 191       normalise_thick(normal);
 192       K centroid[k]= (in[v0][k] + in[v1][k] + in[v2][k]) / 3.0;
 193       K ovAB[v0][ab][0].p[k]= centroid[k] + normal[k];
 194       K ovAB[v0][ab][1].p[k]= centroid[k] - normal[k];
 195     }
 196   }
 197   FOR_VERTEX(v0) {
 198     double centroid[D3];
 199     int vw= EDGE_END2(v0,3);
 200     int vnw= EDGE_END2(v0,2);
 201     int vsw= EDGE_END2(v0,4);
 202     if (vnw<0 || vsw<0 || vw<0) {
 203       K ovC[v0][0].p[k]= ovC[v0][1].p[k]= NAN;
 204       continue;
 205     }
 206     FOR_SIDE {
 207       K adjust[k]= 0;
 208       FOR_VPEDGE(e) {
 209         OutVertex *ovab= invertex2outvertexab(v0,e,side);
 210         K adjust[k] += ovab->k[k];
 211       }
 212       K adjust[k] /= 6;
 213       K adjust[k] -= in[v0][k];
 214       normalise_thick(adjust);
 215       K ovC[v0][side].p[k]= in[v0][k] + adjust[k];
 216     }
 217   }
 218   FOR_RIM_VERTEX(y,x,v0) {
 219     double rim[D3], inner[D3], radius_cos[D3];, radius_sin[D3];
 220     int vback, vfwd, around;
 221
 222     /* compute mean rim vector, which is just the vector between
 223      * the two adjacent rim vertex (ignoring the base vertex) */
 224     vback= EDGE_END2(v0,3);
 225     vfwd=  EDGE_END2(v0,0);
 226     assert(vback>=0 && vfwd>=0);
 227     K rim[k]= in[fwd][k] - in[vback][k];
 228
 229     /* compute the inner centroid */
 230     vback= EDGE_END2(v0,4);
 231     if (vback>=0) { /* North rim */
 232       vfwd= EDGE_END2(v0,5);
 233     } else { /* South rim */
 234       vback= EDGE_END2(v0,2);
 235       vfwd=  EDGE_END2(v0,1);
 236     }
 237     assert(vback>=0 && vfwd>=0);
 238     K inner[k]= (in[vback][k] + in[vfwd][k]) / 2;
 239     K inner[k] -= in[v0][k];
 240
 241     /* we compute the radius cos and sin vectors by cross producting
 242      * the vector to the inner with the rim, and then again, and
 243      * normalising. */
 244     xprod(radius_cos,rim,inner);
 245     xprod(radius_sin,rim,radius_cos);
 246     normalise_thick(radius_cos);
 247     normalise_thick(radius_sin);
 248
 249     for (around=0; around<NDEF; around++) {
 250       double angle= around * PI / (NDEF-1);
 251       double result[D3];
 252       K ovDEF[x][!!y][around].p[k]=
 253             in[v0][k] +
 254             cos(angle) * radius_cos[k] +
 255             sin(angle) * radius_sin[k];
 256     }
 257   }
 258   FOR_RIM_VERTEX(y,x,v0) {
 259     int vfwd= EDGE_END2(v0,0);
 260     assert(vfwd >= 0);
 261     for (around=0; around<NG; around++) {
 262       K ovG[x][!!y][around].p[k]=
 263         (ovDEF[ x          ][!!y][around*2].p[k] +
 264          ovDEF[vfwd & XMASK][!!y][around*2].p[k]) / 2;
 265     }
 266   }
 267 }
 268
 269 /*---------- output triangles ----------*/
 270
 271 static void outtriangles_around(int reverse, OutVertex *middle,
 272                                 int nsurr, OutVertex *surround[nsurr]) {
 273   /* Some entries in surround may be 0, in which case all affected
 274    *  triangles will be skipped */
 275   int i;
 276   for (i=0; i<nsurr; i++) {
 277     OutVertex *s0= surround[i];
 278     OutVertex *s1= surround[(i+1) % nsurr];
 279     if (!s0 || !s1) continue;
 280     outtriangle(reverse, middle,s0,s1);
 281   }
 282 }
 283
 284 static void outtriangles(void) {
 285   int v0,e0,e1;
 286
 287   FOR_VERTEX(v0) {
 288     OutVertex *defs=0, *defs1=0;
 289     int (*defs1aroundmap)(int)=0, rimy;
 290     if (RIM_VERTEX_P(v0)) {
 291       Outvertex *gs;
 292       rimy= !!(v0 & ~XMASK);
 293       int v1= EDGE_END2(v0,0);  assert(v1>=0);
 294       gs=    ovG  [v0 & XMASK][rimy];
 295       defs=  ovDEF[v0 & XMASK][rimy];
 296       defs1= ovDEF[v1 & XMASK][rimy];
 297       defs1aroundmap= VERTICES_SPAN_JOIN_P(v0,v1)
 298         ? defs_aroundmap_swap : int_identity_function;
 299
 300       for (aroung=0; aroung<NG; aroung++) {
 301         int around= aroung*2;
 302         OutVertex *surround[6];
 303         for (e=0; e<3; e++) {
 304           surround[e  ]= &defs1[defs1aroundmap(around  +e)];
 305           surround[e+3]= &defs [               around+2-e ];
 306         }
 307         outtriangles_around(rimy, &gs[aroung], 6,surround);
 308       }
 309     }
 310
 311     FOR_SIDE {
 312       if (defs) {
 313         int around= side ? NDEF-1 : 0;
 314         cd= &defs[around];
 315         OutVertex *ab= ovAB[v0][!rimy][side];
 316         OutVertex *cd1= &defs1[defs1aroundmap(around)];
 317         outtriangle(side^rimy,cd,ab,cd1);
 318       } else {
 319         cd= &ovC[v0][side];
 320       }
 321       OutVertex *abs[6];
 322       FOR_VPEDGE(e)
 323         abs[e0]= invertex2outvertexab(v0,e,side);
 324       outtriangles_around(side, cd, 6,abs);
 325     }
 326   }
 327 }
 328
 329 /*---------- transformation (scale and perhaps shift) ----------*/
 330
 331 static void scaleshift_outvertex_array(int n, OutVertex ovX[n]) {
 332   for (i=0; i<n; i++)
 333     K ovX[i].p[k] *= scale;
 334   /*
 335    *   double min[D3]= thick;
 336    *            if (ovX[i].p[k] < min)
 337    *        min= ovX[i].p[k];
 338    *      for (i=0; i<n; i++) {
 339    *  K ovX[k].p[k] -= min;
 340    */
 341 }
 342
 343 #define SCALESHIFT_OUTVERTEX_ARRAY(ovX) \
 344   scaleshift_outvertex_array(sizeof((ovX))/sizeof(OutVertex),(OutVertex*)(ovX))
 345
 346 static void scaleshift_outvertices(void) {
 347   SCALESHIFT_OUTVERTEX_ARRAY(ovAB);
 348   SCALESHIFT_OUTVERTEX_ARRAY(ovC);
 349   SCALESHIFT_OUTVERTEX_ARRAY(ovDEF);
 350   SCALESHIFT_OUTVERTEX_ARRAY(ovG);
 351 }
 352
 353 /*---------- output file ----------*/
 354
 355 static void wr(const void *p, size_t sz) {
 356   if (fwrite(p,sz,1,stdout) != 1)
 357     diee("fwrite");
 358 }
 359
 360 #define WR(x) wr((const void*)&(x), sizeof((x)))
 361
 362 static void wf(double d) {
 363 #if sizeof(float)==4
 364   typedef float ieee754single;
 365 #endif
 366
 367 #if defined(BIG_ENDIAN)
 368   union { Byte b[4]; ieee754single f; } value;  value.f= d;
 369   int i;  for (i=3; i>=0; i--) WR(value.b[i]);
 370 #elif defined(LITTLE_ENDIAN)
 371   ieee754single f= d;
 372   WR(f);
 373 #else
 374 # error not little or big endian!
 375 #endif
 376 }
 377
 378 static uint32_t nouttriangles;
 379 static uint32_t nouttriangles_counted;
 380
 381 static void outtriangle(int rev, OutVertex *a, OutVertex *b, OutVertex *c) {
 382   if (rev) { outtriangle(0, c,b,a); return; }
 383   nouttriangles++;
 384   if (!~nouttriangles_counted) return;
 385
 386   triangle_normal(normal, a.p, b.p, c.p);
 387   double multby= 1/magnD(normal);
 388   K normal[k] *= multby;
 389
 390   K wf(normal[k]);
 391   K wf(a.p[k]);
 392   K wf(b.p[k]);
 393   K wf(c.p[k]);
 394   uint16_t attrbc;
 395   WR(attrbc);
 396 }
 397
 398 static void write_file(void) {
 399   static const char header[80]= "#!/usr/bin/meshlab\n" "binary STL file\n";
 400
 401   if (isatty(stdout)) die("will not write binary stl to tty!");
 402
 403   WR(header);
 404
 405   nouttriangles_counted=~(uint32_t)0;
 406   nouttriangles=0;
 407   outtriangles();
 408   WR(nouttriangles);
 409
 410   nouttriangles_counted= nouttriangles;
 411   nouttriangles=0;
 412   outtriangles();
 413   assert(nouttriangles == nouttriangles_counted);
 414
 415   if (fflush(stdout)) diee("fflush stdout");
 416 }
 417
 418
 419 /*---------- main program etc. ----------*/
 420
 421 int main(int argc, const char *const *argv) {
 422   int r;
 423
 424   if (argc!=3 || argv[1][0]=='-') { fputs("bad usage\n",stderr); exit(8); }
 425   thick= atof(argv[1]);
 426   scale= atof(argv[2]) * 0.5; /* circle is unit radius but arg is diameter */
 427
 428   errno= 0; r= fread(&in,sizeof(in),1,stdin);
 429   if (r!=1) diee("fread");
 430
 431   compute_outvertices();
 432   scaleshift_outvertices();
 433   write_file();
 434   if (fclose(stdout)) diee("fclose stdout");
 435   return 0;
 436 }