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  *  ./output-64 <dense-64.cfm 0.1 50 >t.stl
  15  *  ./output-125 <best-125.cfm >t.stl 0.1 50
  16  *  meshlab t.stl
  17  */
  18 /*
  19  * Re STL, see:
  20  *  http://www.ennex.com/~fabbers/StL.asp
  21  *  http://en.wikipedia.org/wiki/STL_%28file_format%29
  22  *    saved here as stl-format-wikipedia.txt
  23  */
  24
  25 /*
  26  * We add thickness by adding vertices as follows:
  27  *
  28  *                     :axis of symmetry
  29  *             sides | :
  30  *               swap| :
  31  *                   | :
  32  *       *F          | : *F              *F              *F              *F
  33  *                   | :
  34  *      *E      *G   | :*E      *G      *E      *G      *E      *G      *E
  35  *                   | :
  36  *    *D ____________|*D ____________ *D ____________ *D ____________ *D __
  37  *    /\          3  |/\   0          /\              /\              /\
  38  *   /  \            / :\            /  \            /  \            /  \
  39  *       \    *A   4/ \: \5   *B    /    \    *B    /    \    *B    /    \
  40  *        \        /   \  \    1   /      \        /      \        /
  41  *         \      /    :\  \      /        \      /        \      /
  42  *    *B    \    /    *B2|  \2  1/   0*A    \    /    *A    \    /    *A
  43  *           \  /      : |   \  / . '        \  /            \  /
  44  *   _______  *C _____ :_|___ *C' __________  *C ___________  *C _________
  45  *            /\       : | 3  /\.  0          /\              /\
  46  *           /  \      :3|   /  \ ` .        /  \            /  \
  47  *    *A    /    \    *A |  /4  5\   5*B    /    \    *B    /    \    *B
  48  *         /      \   1: / /      \        /      \        /      \
  49  *        /        \   :/ /    4   \      /        \      /        \
  50  *       /    *B2  2\  / /1   *A    \    /    *A    \    /    *A    \    /
  51  *   \  /            \/:/     0      \  /            \  /            \  /
  52  *    *C ____________|*C ____________ *C ___________  *C ___________  *C __
  53  *    /\          3  |/\   0          /\              /\              /\
  54  *   /  \            / :\            /  \            /  \            /  \
  55  *       \    *A3  4/ \: \5  5*B    /    \    *B    /    \    *B    /    \
  56  *        \        /   \  \        /      \        /      \        /
  57  *         \      /   4:\  \      /        \      /        \      /
  58  *    *B    \    /    *B |  \    /    *A    \    /    *A    \    /    *A
  59  *           \  /      : |   \  / . '        \  /            \  /
  60  *   _______  *C _____ :_|___ *C' __________  *C ___________  *C _________
  61  *            /\       : | 3  /\   0          /\              /\
  62  *           /  \      : |   /  \            /  \            /  \
  63  *                     :
  64  *         .      .    :   .      .        .      .        .      .
  65  *                     :
  66
  67  *           \  /      : |   \  /            \  /            \  /
  68  *   _______  *C _____ :_|___ *C ___________  *C ___________  *C _________
  69  *            /\       : | 3  /\   0          /\              /\
  70  *           /  \      : |   /  \            /  \            /  \
  71  *    *A    /    \    *A |  /4  5\    *B    /    \    *B    /    \    *B
  72  *         /      \   1: / /      \        /      \        /      \
  73  *        /        \   :/ /        \      /        \      /        \
  74  *       /    *B2  2\  / /1  0*A    \    /    *A    \    /    *A    \    /
  75  *   \  /            \/:/            \  /            \  /            \  /
  76  *    *D ____________|*D ____________ *D ___________  *D ___________  *D __
  77  *                 3 | :   0
  78  *      *E    *G     | :*E    *G        *E    *G        *E    *G        *E
  79  *                   | :
  80  *       *F          | : *F              *F              *F              *F
  81  *                   | :
  82  *
  83  * Each A,B,C,D represents two vertices - one on each side of the
  84  * surface.  Each E,F,G represents a several vertices in an arc around
  85  * the rim.  Digits are `e' values for edges or relative AB
  86  * outvertices.
  87  *
  88  * The constructions we use are:
  89  *
  90  *  A, B:  Extend the normal vector of the containing intriangle
  91  *         from its centroid for thickness.
  92  *
  93  *  C:     Take mean position (centroid) of all surrounding
  94  *         computed A and B, and extend from base point in
  95  *         direction of that centroid for thickness.
  96  *
  97  *  D, E, F:
  98  *         Compute notional rim vector R as mean of the two
  99  *         adjoining rim edges, and consider plane P as
 100  *         that passing through the base point normal to R.
 101  *         Project the centroid of the two adjoining non-rim
 102  *         vertices onto P.  Now D(EF)+ED is the semicircle
 103  *         in P centred on the base point with radius thickness
 104  *         and which is opposite that centroid.
 105  *
 106  *  G:     Each F is the mean of those two adjacent Es with the
 107  *         same angle in their respective Ps.
 108  *
 109  * The outfacets are:
 110  *
 111  *  For each input vertex on each side, the six (or perhaps only three)
 112  *  triangles formed by its C or D and the surrounding Cs and/or Ds.
 113  *
 114  *  For each G, the six triangles formed by that G and the adjacent
 115  *  four Fs (or two Fs and two Ds) and two Es.
 116  */
 117
 118 #include "mgraph.h"
 119 #include "common.h"
 120
 121 /*---------- declarations and useful subroutines ----------*/
 122
 123 #define FOR_SIDE for (side=0; side<2; side++)
 124
 125 typedef struct {
 126   double p[D3];
 127 } OutVertex;
 128
 129 #define NG   10
 130 #define NDEF (NG*2+1)
 131
 132 #define OUTPUT_ARRAY_LIST(DO_OUTPUT_ARRAY)      \
 133   DO_OUTPUT_ARRAY(ovAB)                         \
 134   DO_OUTPUT_ARRAY(ovC)                          \
 135   DO_OUTPUT_ARRAY(ovDEF)                        \
 136   DO_OUTPUT_ARRAY(ovG)
 137
 138 static OutVertex ovAB[N][2][2]; /* indices: vertex to W, A=0 B=1, side */
 139 static OutVertex ovC[N][2];
 140 static OutVertex ovDEF[X][2][NDEF]; /* x, !!y, angle */
 141 static OutVertex ovG[X][2][NG]; /* x, !!y, angle; for G to the East of x */
 142
 143 static Vertices in;
 144
 145 static double thick; /* in input units */
 146 static double scale;
 147
 148 static void outfacet(int rev, const OutVertex *a,
 149                      const OutVertex *b, const OutVertex *c);
 150
 151 typedef int int_map(int);
 152 static int defs_aroundmap_swap(int around) { return NDEF-1-around; }
 153 static int int_identity_function(int i) { return i; }
 154
 155 static void normalise_thick(double a[D3]) {
 156   /* multiplies a by a scalar so that its magnitude is thick */
 157   int k;
 158   double multby= thick / magnD(a);
 159   K a[k] *= multby;
 160 }
 161
 162 static void triangle_normal(double normal[D3], const double a[D3],
 163                             const double b[D3], const double c[D3]) {
 164   double ab[D3], ac[D3];
 165   int k;
 166
 167   K ab[k]= b[k] - a[k];
 168   K ac[k]= c[k] - a[k];
 169   xprod(normal,ab,ac);
 170 }
 171
 172 static OutVertex *invertex2outvertexab(int v0, int e, int side) {
 173   int vref, vchk, ab;
 174   switch (e) {
 175   case 0:  vref=v0;               vchk=EDGE_END2(v0,1);  ab=0;   break;
 176   case 1:  vref=                  vchk=EDGE_END2(v0,2);  ab=1;   break;
 177   case 2:  vref=EDGE_END2(v0,3);  vchk=EDGE_END2(v0,2);  ab=0;   break;
 178   case 3:  vref=EDGE_END2(v0,3);  vchk=EDGE_END2(v0,4);  ab=1;   break;
 179   case 4:  vref=                  vchk=EDGE_END2(v0,4);  ab=0;   break;
 180   case 5:  vref=v0;               vchk=EDGE_END2(v0,5);  ab=1;   break;
 181   default: abort();
 182   }
 183   if (vchk<0) return 0;
 184   int sw= vertices_span_join_p(v0,vref);
 185   return &ovAB[vref][ab^sw][side^sw];
 186 }
 187
 188 /*---------- output vertices ----------*/
 189
 190 #define Ok(ov, value) ((ov).p[k]= outvertex_coord_check(value))
 191
 192 static double outvertex_coord_check(double value) {
 193   assert(-10 < value && value < 10);
 194   return value;
 195 }
 196
 197 static void compute_outvertices(void) {
 198   int v0,k,side,ab,x,y;
 199
 200   FOR_VERTEX(v0) {
 201     for (ab=0; ab<2; ab++) {
 202       int v1= EDGE_END2(v0, ab?5:0);
 203       int v2= EDGE_END2(v0, ab?0:1);
 204       if (v1<0 || v2<0)
 205         continue;
 206       double normal[D3], centroid[D3];
 207       triangle_normal(normal, in[v0],in[v1],in[v2]);
 208       normalise_thick(normal);
 209       K centroid[k]= (in[v0][k] + in[v1][k] + in[v2][k]) / 3.0;
 210       K Ok(ovAB[v0][ab][0], centroid[k] + normal[k]);
 211       K Ok(ovAB[v0][ab][1], centroid[k] - normal[k]);
 212     }
 213   }
 214   FOR_VERTEX(v0) {
 215     int vw= EDGE_END2(v0,3);
 216     int vnw= EDGE_END2(v0,2);
 217     int vsw= EDGE_END2(v0,4);
 218     if (vnw<0 || vsw<0 || vw<0)
 219       continue;
 220     FOR_SIDE {
 221       double adjust[D3];
 222       int e;
 223       K adjust[k]= 0;
 224       FOR_VPEDGE(e) {
 225         OutVertex *ovab= invertex2outvertexab(v0,e,side);
 226         K {
 227           assert(!isnan(ovab->p[k]));
 228           adjust[k] += ovab->p[k];
 229         }
 230       }
 231       K adjust[k] /= 6;
 232       K adjust[k] -= in[v0][k];
 233       normalise_thick(adjust);
 234       K Ok(ovC[v0][side], in[v0][k] + adjust[k]);
 235     }
 236   }
 237   FOR_RIM_VERTEX(y,x,v0) {
 238     double rim[D3], inner[D3], radius_cos[D3], radius_sin[D3];
 239     int vback, vfwd, around;
 240
 241     /* compute mean rim vector, which is just the vector between
 242      * the two adjacent rim vertex (ignoring the base vertex) */
 243     vback= EDGE_END2(v0,3);
 244     vfwd=  EDGE_END2(v0,0);
 245     assert(vback>=0 && vfwd>=0);
 246     K rim[k]= in[vfwd][k] - in[vback][k];
 247
 248     /* compute the inner centroid */
 249     vback= EDGE_END2(v0,4);
 250     if (vback>=0) { /* North rim */
 251       vfwd= EDGE_END2(v0,5);
 252     } else { /* South rim */
 253       vback= EDGE_END2(v0,2);
 254       vfwd=  EDGE_END2(v0,1);
 255     }
 256     assert(vback>=0 && vfwd>=0);
 257     K inner[k]= (in[vback][k] + in[vfwd][k]) / 2;
 258     K inner[k] -= in[v0][k];
 259
 260     /* we compute the radius cos and sin vectors by cross producting
 261      * the vector to the inner with the rim, and then again, and
 262      * normalising. */
 263     xprod(radius_cos,rim,inner);
 264     xprod(radius_sin,rim,radius_cos);
 265     normalise_thick(radius_cos);
 266     normalise_thick(radius_sin);
 267
 268     int_map *around_map= y ? int_identity_function : defs_aroundmap_swap;
 269
 270     for (around=0; around<NDEF; around++) {
 271       double angle= around_map(around) * M_PI / (NDEF-1);
 272       K Ok(ovDEF[x][!!y][around],
 273            in[v0][k] +
 274            cos(angle) * radius_cos[k] +
 275            sin(angle) * radius_sin[k]);
 276     }
 277   }
 278   FOR_RIM_VERTEX(y,x,v0) {
 279     int vfwd= EDGE_END2(v0,0);
 280     assert(vfwd >= 0);
 281     int aroung;
 282     int_map *around_map= vertices_span_join_p(v0,vfwd)
 283       ? defs_aroundmap_swap : int_identity_function;
 284     for (aroung=0; aroung<NG; aroung++) {
 285       K Ok(ovG[x][!!y][aroung],
 286            0.5 * (ovDEF[ x          ][!! y             ][aroung*2+1].p[k] +
 287                   ovDEF[vfwd & XMASK][!!(vfwd & ~XMASK)][around_map(aroung*2+1)].p[k]));
 288     }
 289   }
 290 }
 291
 292 /*---------- output facets ----------*/
 293
 294 static void outfacets_around(int reverse, OutVertex *middle,
 295                              int nsurr, OutVertex *surround[nsurr]) {
 296   /* Some entries in surround may be 0, in which case all affected
 297    *  facets will be skipped */
 298   int i;
 299   for (i=0; i<nsurr; i++) {
 300     OutVertex *s0= surround[i];
 301     OutVertex *s1= surround[(i+1) % nsurr];
 302     if (!s0 || !s1) continue;
 303     outfacet(reverse, middle,s0,s1);
 304   }
 305 }
 306
 307 static OutVertex *invertex2outvertexcd(v0,side) {
 308   if (!RIM_VERTEX_P(v0)) return &ovC[v0][side];
 309
 310   int around= side ? NDEF-1 : 0;
 311   int rimy= !!(v0 & ~XMASK);
 312   return &ovDEF[v0 & XMASK][rimy][around];
 313 }
 314
 315 static void outfacets(void) {
 316   int v0,e,side,aroung;
 317
 318   FOR_VERTEX(v0) {
 319     OutVertex *defs=0, *defs1=0;
 320     int rimy=-1;
 321     int_map *defs1aroundmap= 0;
 322     if (RIM_VERTEX_P(v0)) {
 323       OutVertex *gs;
 324       rimy= !!(v0 & ~XMASK);
 325       int v1= EDGE_END2(v0,0);  assert(v1>=0);
 326       gs=    ovG  [v0 & XMASK][rimy];
 327       defs=  ovDEF[v0 & XMASK][rimy];
 328       defs1= ovDEF[v1 & XMASK][!!(v1 & ~XMASK)];
 329       defs1aroundmap= vertices_span_join_p(v0,v1)
 330         ? defs_aroundmap_swap : int_identity_function;
 331
 332       for (aroung=0; aroung<NG; aroung++) {
 333         int around= aroung*2;
 334         OutVertex *surround[6];
 335         for (e=0; e<3; e++) {
 336           surround[e  ]= &defs1[defs1aroundmap(around  +e)];
 337           surround[e+3]= &defs [               around+2-e ];
 338         }
 339         outfacets_around(rimy, &gs[aroung], 6,surround);
 340       }
 341     }
 342
 343     FOR_SIDE {
 344       int ab;
 345       for (ab=0; ab<2; ab++) {
 346         int v1= EDGE_END2(v0, ab ? 5 : 0);
 347         int v2= EDGE_END2(v0, ab ? 0 : 1);
 348         if (v1<0 || v2<0) continue;
 349         outfacet(side,
 350                  invertex2outvertexcd(v0,side),
 351                  invertex2outvertexcd(v1,side^vertices_span_join_p(v0,v1)),
 352                  invertex2outvertexcd(v2,side^vertices_span_join_p(v0,v2)));
 353       }
 354     }
 355   }
 356 }
 357
 358 /*---------- operations on very output vertex ----------*/
 359
 360 #define DO_OUTPUT_ARRAY_OUTVERTEX_ARRAY(fn,ovX) \
 361   ((fn)(sizeof((ovX))/sizeof(OutVertex), (OutVertex*)(ovX)))
 362
 363 static void blank_outvertex_array(int n, OutVertex ovX[n]) {
 364   int i, k;
 365   for (i=0; i<n; i++)
 366     K ovX[i].p[k]= NAN;
 367 }
 368
 369 static void blank_outvertices(void) {
 370 #define BLANK_OUTPUT_ARRAY(ovX) \
 371       DO_OUTPUT_ARRAY_OUTVERTEX_ARRAY(blank_outvertex_array, ovX);
 372   OUTPUT_ARRAY_LIST(BLANK_OUTPUT_ARRAY)
 373 }
 374
 375 static void transform_outvertex_array(int n, OutVertex ovX[n]) {
 376   int i, k;
 377   for (i=0; i<n; i++) {
 378     ovX[i].p[0] *= -1;
 379     ovX[i].p[1] *= -1;
 380     K ovX[i].p[k] *= scale;
 381   }
 382   /*
 383    *   double min[D3]= thick;
 384    *            if (ovX[i].p[k] < min)
 385    *        min= ovX[i].p[k];
 386    *      for (i=0; i<n; i++) {
 387    *  K ovX[k].p[k] -= min;
 388    */
 389 }
 390
 391 static void transform_outvertices(void) {
 392 #define TRANSFORM_OUTPUT_ARRAY(ovX) \
 393       DO_OUTPUT_ARRAY_OUTVERTEX_ARRAY(transform_outvertex_array, ovX);
 394   OUTPUT_ARRAY_LIST(TRANSFORM_OUTPUT_ARRAY)
 395 }
 396
 397 /*---------- output file ----------*/
 398
 399 static void wr(const void *p, size_t sz) {
 400   if (fwrite(p,sz,1,stdout) != 1)
 401     diee("fwrite");
 402 }
 403
 404 #define WR(x) wr((const void*)&(x), sizeof((x)))
 405
 406 static void wf(double d) {
 407   typedef float ieee754single;
 408
 409   assert(sizeof(ieee754single)==4);
 410   assert(!isnan(d));
 411
 412 assert(d >= -1e3 && d <= 1e3);
 413
 414 #if BYTE_ORDER==BIG_ENDIAN
 415   union { uint8_t b[4]; ieee754single f; } value;  value.f= d;
 416   int i;  for (i=3; i>=0; i--) WR(value.b[i]);
 417 #elif BYTE_ORDER==LITTLE_ENDIAN
 418   ieee754single f= d;
 419   WR(f);
 420 #else
 421 # error not little or big endian!
 422 #endif
 423 }
 424
 425 static uint32_t noutfacets;
 426 static uint32_t noutfacets_counted;
 427 static long badfacets;
 428
 429 static void outfacet(int rev, const OutVertex *a,
 430                      const OutVertex *b, const OutVertex *c) {
 431   if (rev) { outfacet(0, c,b,a); return; }
 432
 433   double normal[D3];
 434   int k;
 435
 436   K {
 437     assert(!isnan(a->p[k]));
 438     assert(!isnan(b->p[k]));
 439     assert(!isnan(c->p[k]));
 440   }
 441
 442   triangle_normal(normal, a->p, b->p, c->p);
 443   double multby= 1/magnD(normal);
 444
 445   if (multby > 1e6) {
 446     badfacets++;
 447     return;
 448   }
 449
 450   noutfacets++;
 451   if (!~noutfacets_counted) return;
 452
 453   K normal[k] *= multby;
 454
 455   K wf(normal[k]);
 456   K wf(a->p[k]);
 457   K wf(b->p[k]);
 458   K wf(c->p[k]);
 459   uint16_t attrbc=0;
 460   WR(attrbc);
 461 }
 462
 463 static void write_file(void) {
 464   static const char header[80]= "#!/usr/bin/meshlab\n" "binary STL file\n";
 465
 466   if (isatty(1)) fail("will not write binary stl to tty!\n");
 467
 468   WR(header);
 469
 470   noutfacets_counted=~(uint32_t)0;
 471   noutfacets=0;
 472   outfacets();
 473   WR(noutfacets);
 474
 475   noutfacets_counted= noutfacets;
 476   noutfacets=0;
 477   outfacets();
 478   assert(noutfacets == noutfacets_counted);
 479
 480   if (fflush(stdout)) diee("fflush stdout");
 481
 482   if (badfacets) {
 483     fprintf(stderr,"%ld degenerate facets!\n",badfacets);
 484     exit(4);
 485   }
 486 }
 487
 488
 489 /*---------- main program etc. ----------*/
 490
 491 int main(int argc, const char *const *argv) {
 492   int r;
 493
 494   if (argc!=3 || argv[1][0]=='-') { fputs("bad usage\n",stderr); exit(8); }
 495   thick= atof(argv[1]);
 496   scale= atof(argv[2]) * 0.5; /* circle is unit radius but arg is diameter */
 497
 498   errno= 0; r= fread(&in,sizeof(in),1,stdin);
 499   if (r!=1) diee("fread");
 500
 501   blank_outvertices();
 502   compute_outvertices();
 503   transform_outvertices();
 504   write_file();
 505   if (fclose(stdout)) diee("fclose stdout");
 506   return 0;
 507 }