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 outfacets 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 #define OUTPUT_ARRAY_LIST(DO_OUTPUT_ARRAY)      \
 134   DO_OUTPUT_ARRAY(ovAB)                         \
 135   DO_OUTPUT_ARRAY(ovC)                          \
 136   DO_OUTPUT_ARRAY(ovDEF)                        \
 137   DO_OUTPUT_ARRAY(ovG)
 138
 139 static OutVertex ovAB[N][2][2]; /* indices: vertex to W, A=0 B=1, side */
 140 static OutVertex ovC[N][2];
 141 static OutVertex ovDEF[X][2][NDEF]; /* x, !!y, angle */
 142 static OutVertex ovG[X][2][NG]; /* x, !!y, angle; for G to the East of x */
 143
 144 static Vertices in;
 145
 146 static double thick; /* in input units */
 147 static double scale;
 148
 149 static void outfacet(int rev, const OutVertex *a,
 150                      const OutVertex *b, const OutVertex *c);
 151
 152 static void normalise_thick(double a[D3]) {
 153   /* multiplies a by a scalar so that its magnitude is thick */
 154   int k;
 155   double multby= thick / magnD(a);
 156   K a[k] *= multby;
 157 }
 158
 159 static void triangle_normal(double normal[D3], const double a[D3],
 160                             const double b[D3], const double c[D3]) {
 161   double ab[D3], ac[D3];
 162   int k;
 163
 164   K ab[k]= b[k] - a[k];
 165   K ac[k]= c[k] - a[k];
 166   xprod(normal,ab,ac);
 167 }
 168
 169 static OutVertex *invertex2outvertexab(int v0, int e, int side) {
 170   int vref, vchk, ab;
 171   switch (e) {
 172   case 0:  vref=v0;               vchk=EDGE_END2(v0,1);  ab=0;   break;
 173   case 1:  vref=                  vchk=EDGE_END2(v0,2);  ab=1;   break;
 174   case 2:  vref=EDGE_END2(v0,3);  vchk=EDGE_END2(v0,2);  ab=0;   break;
 175   case 3:  vref=EDGE_END2(v0,3);  vchk=EDGE_END2(v0,4);  ab=1;   break;
 176   case 4:  vref=                  vchk=EDGE_END2(v0,4);  ab=0;   break;
 177   case 5:  vref=v0;               vchk=EDGE_END2(v0,5);  ab=1;   break;
 178   default: abort();
 179   }
 180   if (vchk<0) return 0;
 181   int sw= vertices_span_join_p(v0,vref);
 182   return &ovAB[vref][ab^sw][side^sw];
 183 }
 184
 185 /*---------- output vertices ----------*/
 186
 187 #define Ok(ov, value) ((ov).p[k]= outvertex_coord_check(value))
 188
 189 static double outvertex_coord_check(double value) {
 190   assert(-10 < value && value < 10);
 191   return value;
 192 }
 193
 194 static void compute_outvertices(void) {
 195   int v0,k,side,ab,x,y;
 196
 197   FOR_VERTEX(v0) {
 198     for (ab=0; ab<2; ab++) {
 199       int v1= EDGE_END2(v0, ab?5:0);
 200       int v2= EDGE_END2(v0, ab?0:1);
 201       if (v1<0 || v2<0)
 202         continue;
 203       double normal[D3], centroid[D3];
 204       triangle_normal(normal, in[v0],in[v1],in[v2]);
 205       normalise_thick(normal);
 206       K centroid[k]= (in[v0][k] + in[v1][k] + in[v2][k]) / 3.0;
 207       K Ok(ovAB[v0][ab][0], centroid[k] + normal[k]);
 208       K Ok(ovAB[v0][ab][1], centroid[k] - normal[k]);
 209     }
 210   }
 211   FOR_VERTEX(v0) {
 212     int vw= EDGE_END2(v0,3);
 213     int vnw= EDGE_END2(v0,2);
 214     int vsw= EDGE_END2(v0,4);
 215     if (vnw<0 || vsw<0 || vw<0)
 216       continue;
 217     FOR_SIDE {
 218       double adjust[D3];
 219       int e;
 220       K adjust[k]= 0;
 221       FOR_VPEDGE(e) {
 222         OutVertex *ovab= invertex2outvertexab(v0,e,side);
 223         K {
 224           assert(!isnan(ovab->p[k]));
 225           adjust[k] += ovab->p[k];
 226         }
 227       }
 228       K adjust[k] /= 6;
 229       K adjust[k] -= in[v0][k];
 230       normalise_thick(adjust);
 231       K Ok(ovC[v0][side], in[v0][k] + adjust[k]);
 232     }
 233   }
 234   FOR_RIM_VERTEX(y,x,v0) {
 235     double rim[D3], inner[D3], radius_cos[D3], radius_sin[D3];
 236     int vback, vfwd, around;
 237
 238     /* compute mean rim vector, which is just the vector between
 239      * the two adjacent rim vertex (ignoring the base vertex) */
 240     vback= EDGE_END2(v0,3);
 241     vfwd=  EDGE_END2(v0,0);
 242     assert(vback>=0 && vfwd>=0);
 243     K rim[k]= in[vfwd][k] - in[vback][k];
 244
 245     /* compute the inner centroid */
 246     vback= EDGE_END2(v0,4);
 247     if (vback>=0) { /* North rim */
 248       vfwd= EDGE_END2(v0,5);
 249     } else { /* South rim */
 250       vback= EDGE_END2(v0,2);
 251       vfwd=  EDGE_END2(v0,1);
 252     }
 253     assert(vback>=0 && vfwd>=0);
 254     K inner[k]= (in[vback][k] + in[vfwd][k]) / 2;
 255     K inner[k] -= in[v0][k];
 256
 257     /* we compute the radius cos and sin vectors by cross producting
 258      * the vector to the inner with the rim, and then again, and
 259      * normalising. */
 260     xprod(radius_cos,rim,inner);
 261     xprod(radius_sin,rim,radius_cos);
 262     normalise_thick(radius_cos);
 263     normalise_thick(radius_sin);
 264
 265     for (around=0; around<NDEF; around++) {
 266       double angle= around * M_PI / (NDEF-1);
 267       K Ok(ovDEF[x][!!y][around],
 268            in[v0][k] +
 269            cos(angle) * radius_cos[k] +
 270            sin(angle) * radius_sin[k]);
 271     }
 272   }
 273   FOR_RIM_VERTEX(y,x,v0) {
 274     int vfwd= EDGE_END2(v0,0);
 275     assert(vfwd >= 0);
 276     int around;
 277     for (around=0; around<NG; around++) {
 278       K Ok(ovG[x][!!y][around],
 279            0.5 * (ovDEF[ x          ][!!y][around*2].p[k] +
 280                   ovDEF[vfwd & XMASK][!!y][around*2].p[k]));
 281     }
 282   }
 283 }
 284
 285 /*---------- output facets ----------*/
 286
 287 static void outfacets_around(int reverse, OutVertex *middle,
 288                              int nsurr, OutVertex *surround[nsurr]) {
 289   /* Some entries in surround may be 0, in which case all affected
 290    *  facets will be skipped */
 291   int i;
 292   for (i=0; i<nsurr; i++) {
 293     OutVertex *s0= surround[i];
 294     OutVertex *s1= surround[(i+1) % nsurr];
 295     if (!s0 || !s1) continue;
 296     outfacet(reverse, middle,s0,s1);
 297   }
 298 }
 299
 300 static int defs_aroundmap_swap(int around) { return NDEF-around; }
 301 static int int_identity_function(int i) { return i; }
 302
 303 static void outfacets(void) {
 304   int v0,e,side,aroung, k;
 305
 306   FOR_VERTEX(v0) {
 307     OutVertex *defs=0, *defs1=0;
 308     int (*defs1aroundmap)(int)=0, rimy=-1;
 309     if (RIM_VERTEX_P(v0)) {
 310       OutVertex *gs;
 311       rimy= !!(v0 & ~XMASK);
 312       int v1= EDGE_END2(v0,0);  assert(v1>=0);
 313       gs=    ovG  [v0 & XMASK][rimy];
 314       defs=  ovDEF[v0 & XMASK][rimy];
 315       defs1= ovDEF[v1 & XMASK][rimy];
 316       defs1aroundmap= vertices_span_join_p(v0,v1)
 317         ? defs_aroundmap_swap : int_identity_function;
 318
 319       for (aroung=0; aroung<NG; aroung++) {
 320         int around= aroung*2;
 321         OutVertex *surround[6];
 322         for (e=0; e<3; e++) {
 323           surround[e  ]= &defs1[defs1aroundmap(around  +e)];
 324           surround[e+3]= &defs [               around+2-e ];
 325         }
 326         outfacets_around(rimy, &gs[aroung], 6,surround);
 327       }
 328     }
 329
 330     FOR_SIDE {
 331       OutVertex *cd;
 332       if (defs) {
 333         int around= side ? NDEF-1 : 0;
 334         cd= &defs[around];
 335         OutVertex *ab= &ovAB[v0][!rimy][side];
 336         OutVertex *cd1= &defs1[defs1aroundmap(around)];
 337         outfacet(side^rimy,cd,ab,cd1);
 338       } else {
 339         cd= &ovC[v0][side];
 340       }
 341       OutVertex *ab[6];
 342       FOR_VPEDGE(e) {
 343         ab[e]= invertex2outvertexab(v0,e,side);
 344         if (ab[e])
 345           K assert(!isnan(ab[e]->p[k]));
 346       }
 347       outfacets_around(side, cd, 6,ab);
 348     }
 349   }
 350 }
 351
 352 /*---------- operations on very output vertex ----------*/
 353
 354 #define DO_OUTPUT_ARRAY_OUTVERTEX_ARRAY(fn,ovX) \
 355   ((fn)(sizeof((ovX))/sizeof(OutVertex), (OutVertex*)(ovX)))
 356
 357 static void blank_outvertex_array(int n, OutVertex ovX[n]) {
 358   int i, k;
 359   for (i=0; i<n; i++)
 360     K ovX[i].p[k]= NAN;
 361 }
 362
 363 static void blank_outvertices(void) {
 364 #define BLANK_OUTPUT_ARRAY(ovX) \
 365       DO_OUTPUT_ARRAY_OUTVERTEX_ARRAY(blank_outvertex_array, ovX);
 366   OUTPUT_ARRAY_LIST(BLANK_OUTPUT_ARRAY)
 367 }
 368
 369 static void transform_outvertex_array(int n, OutVertex ovX[n]) {
 370   int i, k;
 371   for (i=0; i<n; i++)
 372     K ovX[i].p[k] *= scale;
 373   /*
 374    *   double min[D3]= thick;
 375    *            if (ovX[i].p[k] < min)
 376    *        min= ovX[i].p[k];
 377    *      for (i=0; i<n; i++) {
 378    *  K ovX[k].p[k] -= min;
 379    */
 380 }
 381
 382 static void transform_outvertices(void) {
 383 #define TRANSFORM_OUTPUT_ARRAY(ovX) \
 384       DO_OUTPUT_ARRAY_OUTVERTEX_ARRAY(transform_outvertex_array, ovX);
 385   OUTPUT_ARRAY_LIST(TRANSFORM_OUTPUT_ARRAY)
 386 }
 387
 388 /*---------- output file ----------*/
 389
 390 static void wr(const void *p, size_t sz) {
 391   if (fwrite(p,sz,1,stdout) != 1)
 392     diee("fwrite");
 393 }
 394
 395 #define WR(x) wr((const void*)&(x), sizeof((x)))
 396
 397 static void wf(double d) {
 398   typedef float ieee754single;
 399
 400   assert(sizeof(ieee754single)==4);
 401   assert(!isnan(d));
 402
 403 assert(d >= -1e3 && d <= 1e3);
 404
 405 #if BYTE_ORDER==BIG_ENDIAN
 406   union { uint8_t b[4]; ieee754single f; } value;  value.f= d;
 407   int i;  for (i=3; i>=0; i--) WR(value.b[i]);
 408 #elif BYTE_ORDER==LITTLE_ENDIAN
 409   ieee754single f= d;
 410   WR(f);
 411 #else
 412 # error not little or big endian!
 413 #endif
 414 }
 415
 416 static uint32_t noutfacets;
 417 static uint32_t noutfacets_counted;
 418
 419 static void outfacet(int rev, const OutVertex *a,
 420                      const OutVertex *b, const OutVertex *c) {
 421   if (rev) { outfacet(0, c,b,a); return; }
 422
 423   double normal[D3];
 424   int k;
 425
 426   K {
 427     assert(!isnan(a->p[k]));
 428     assert(!isnan(b->p[k]));
 429     assert(!isnan(c->p[k]));
 430   }
 431
 432   triangle_normal(normal, a->p, b->p, c->p);
 433   double multby= 1/magnD(normal);
 434
 435   if (multby > 1e6)
 436     return;
 437
 438   noutfacets++;
 439   if (!~noutfacets_counted) return;
 440
 441   K normal[k] *= multby;
 442
 443   K wf(normal[k]);
 444   K wf(a->p[k]);
 445   K wf(b->p[k]);
 446   K wf(c->p[k]);
 447   uint16_t attrbc=0;
 448   WR(attrbc);
 449 }
 450
 451 static void write_file(void) {
 452   static const char header[80]= "#!/usr/bin/meshlab\n" "binary STL file\n";
 453
 454   if (isatty(1)) fail("will not write binary stl to tty!\n");
 455
 456   WR(header);
 457
 458   noutfacets_counted=~(uint32_t)0;
 459   noutfacets=0;
 460   outfacets();
 461   WR(noutfacets);
 462
 463   noutfacets_counted= noutfacets;
 464   noutfacets=0;
 465   outfacets();
 466   assert(noutfacets == noutfacets_counted);
 467
 468   if (fflush(stdout)) diee("fflush stdout");
 469 }
 470
 471
 472 /*---------- main program etc. ----------*/
 473
 474 int main(int argc, const char *const *argv) {
 475   int r;
 476
 477   if (argc!=3 || argv[1][0]=='-') { fputs("bad usage\n",stderr); exit(8); }
 478   thick= atof(argv[1]);
 479   scale= atof(argv[2]) * 0.5; /* circle is unit radius but arg is diameter */
 480
 481   errno= 0; r= fread(&in,sizeof(in),1,stdin);
 482   if (r!=1) diee("fread");
 483
 484   blank_outvertices();
 485   compute_outvertices();
 486   transform_outvertices();
 487   write_file();
 488   if (fclose(stdout)) diee("fclose stdout");
 489   return 0;
 490 }