chiark / gitweb /
afdc3df5d02bfef56bfdd87d2a730459cc0daa00
[moebius2.git] / 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 }