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before abandon normalisation effort
[moebius2.git] / energy.c
index e9b93fd2577c1daca16b850baebab3d99e410eb6..1d0360fcc030dafdf62ae7e33c59271f5173bacd 100644 (file)
--- a/energy.c
+++ b/energy.c
@@ -13,6 +13,12 @@ static double best_energy= DBL_MAX;
 static void addcost(double *energy, double tweight, double tcost, int pr);
 #define COST(weight, compute) addcost(&energy, (weight), (compute), printing)
 
+double density;
+
+void energy_init(void) {
+  density= sqrt(N);
+}
+
 /*---------- main energy computation and subroutines ----------*/
 
 double compute_energy(const struct Vertices *vs) {
@@ -27,7 +33,7 @@ double compute_energy(const struct Vertices *vs) {
 
   if (printing) printf("cost > energy |");
 
-  COST(3e2, edgewise_vertex_displacement_cost(vs->a));
+  COST(2.25e3, line_bending_adjcost(vs->a));
   COST(1e3, edge_length_variation_cost(vs->a));
   COST(0.2e3, rim_proximity_cost(vs->a));
 //  COST(1e2, graph_layout_cost(vs->a));
@@ -58,7 +64,7 @@ double compute_energy(const struct Vertices *vs) {
 
 static void addcost(double *energy, double tweight, double tcost, int pr) {
   double tenergy= tweight * tcost;
-  if (pr) printf(" %# e > %# e* |", tcost, tenergy);
+  if (pr) printf(" %# e x %# e > %# e* |", tcost, tweight, tenergy);
   *energy += tenergy;
 }
 
@@ -66,7 +72,7 @@ static void addcost(double *energy, double tweight, double tcost, int pr) {
 
 void compute_edge_lengths(const Vertices vertices) {
   int v1,e,v2;
-  
+
   FOR_EDGE(v1,e,v2)
     edge_lengths[v1][e]= hypotD(vertices[v1],vertices[v2]);
 }
@@ -93,7 +99,7 @@ void compute_vertex_areas(const Vertices vertices) {
 //      }
 //      xprod(av, e1v, e2v);
 //      total += magnD(av);
-      
+
       count++;
     }
     vertex_areas[v0]= total / count;
@@ -104,84 +110,141 @@ void compute_vertex_areas(const Vertices vertices) {
 /*---------- Edgewise vertex displacement ----------*/
 
   /*
+   * Definition:
+   *
+   *    At each vertex Q, in each direction e:
+   *
+   *                                         e
+   *                           Q ----->----- R
+   *                     _,-'\__/
+   *                         _,-'       delta
+   *              P '
    *
+   *                      r
+   *       cost    = delta          (we use r=3)
+   *           Q,e
    *
    *
-   *                       Q `-_
-   *              / |    `-_
-   *             /  |       `-.
-   *            /   M - - - - - S
-   *           /  ' |      _,-'
-   *          /  '  |  _,-'
-   *         / '  , P '
-   *        / ',-'
-   *       /,-'
-   *      /'
-   *            R
+   * Calculation:
    *
-   *  Let delta =  180deg - angle RMS
+   *      Let vector A = PQ
+   *                 B = QR
    *
-   *  Let  l = |PQ|
-   *       d = |RS|
+   *                          -1   A . B
+   *      delta =  tan     -------
+   *                     | A x B |
    *
-   *  Giving energy contribution:
+   *      which is always in the range 0..pi because the denominator
+   *      is nonnegative.  We add epsilon to |AxB| to avoid division
+   *      by zero.
    *
-   *                                   3
-   *                            l delta
-   *    E             =  F   .  --------
-   *     vd, edge PQ      vd       d
+   *                     r
+   *      cost    = delta
+   *          Q,e
    *
+   * Normalisation:
    *
-   *  (The dimensions of this are those of F_vd.)
+   *    We want the minimum energy to remain unchanged with changes in
+   *    triangle densitiy, when the vertices lie evenly spaced on
+   *    circles, and we do this by normalising the force ie the
+   *    derivative of the energy with respect to linear motions of the
+   *    vertices.
    *
-   *  We calculate delta as  atan2(|AxB|, A.B)
-   *  where A = PQ, B = QR
+   *    We consider only the force on Q due to PQR, wlog.  (Forces on
+   *    P qnd R due to PQR are equal and opposite so normalising
+   *    forces on Q will normalise them too.)
+   *
+   *    Force on Q is in the plnae PQR and normal to PR, so we can
+   *    consider it only linearly in that dimension.  WLOG let that be
+   *    the x dimension.  So with f' representing df'/dx_Q:
+   *
+   *                  ,         d
+   *      F    =  cost      =  --
+   *       Q,e         Q,e           err looks like we can only do
+   *                                 this if we make some kind of
+   *                                 assumption about delta or
+   *                                 something   give up
+   *
+   *
+   *    Interposing M and N so that we have P-M-Q-N-R
+   *    generates half as much delta for each vertex.  So
    *
-   *  In practice to avoid division by zero we'll add epsilon to d and
-   *  |AxB| and the huge energy ought then to be sufficient for the
-   *  model to avoid being close to R=S.
-   */
 
-double edgewise_vertex_displacement_cost(const Vertices vertices) {
+   In that case the force on Q
+   *    due to PQR
+   *
+   *Normalising for equal linear
+   *    forces:
+   *
+   *                                      d
+   *      linear force on Q due to e  =  -------  cost
+   *                                     d coord       Q,e
+   *                                            Q
+   *
+   *       (we will consider only one e and one coord and hope
+   *        that doesn't lead us astray.)
+   *
+   *
+   *           ,       -r
+   *       cost    =  D   . cost
+   *           Q,e              Q,e
+   *
+   *                           where D is the linear density.
+   *
+   *                ,              -r
+   *     Sigma  cost      =   N . D  .  Sigma  cost
+   *      Q,e       Q,e                  Q,e       Q,e
+   *
+   * */
+
+double line_bending_adjcost(const Vertices vertices) {
   static const double axb_epsilon= 1e-6;
+  static const double exponent_r= 3;
 
-  int pi,e,qi,ri, k; //,si
-  double  a[D3], b[D3], axb[D3]; //m[D3],
+  int pi,e,qi,ri, k;
+  double  a[D3], b[D3], axb[D3];
   double total_cost= 0;
 
   FOR_EDGE(qi,e,ri) {
     pi= EDGE_END2(qi,(e+3)%V6); if (pi<0) continue;
 
-//    K m[k]= (vertices[pi][k] + vertices[qi][k]) * 0.5;
     K a[k]= -vertices[pi][k] + vertices[qi][k];
     K b[k]= -vertices[qi][k] + vertices[ri][k];
 
     xprod(axb,a,b);
-    
+
     double delta= atan2(magnD(axb) + axb_epsilon, dotprod(a,b));
-    double cost= pow(delta,3);
+    double cost= pow(delta,exponent_r);
 
     if (!e && !(qi & YMASK))
       cost *= 10;
 
     total_cost += cost;
   }
-  return total_cost;
+  return total_cost / (N / density);
 }
 
 /*---------- edge length variation ----------*/
 
+  /*
+   * Definition:
+   *
+   *    See the diagram above.
+   *
+   *       cost    =
+   *           Q,e
+
 double edge_length_variation_cost(const Vertices vertices) {
   double diff, cost= 0;
-  int v0, efwd,vfwd, eback;
+  int q, e,r, eback;
 
-  FOR_EDGE(v0,efwd,vfwd) {
-    eback= edge_reverse(v0,efwd);
-    diff= edge_lengths[v0][efwd] - edge_lengths[v0][eback];
+  FOR_EDGE(q,e,r) {
+    eback= edge_reverse(q,e);
+    diff= edge_lengths[q][e] - edge_lengths[q][eback];
     cost += diff*diff;
   }
   return cost;
-}    
+}
 
 /*---------- rim proximity cost ----------*/
 
@@ -224,7 +287,7 @@ double noncircular_rim_cost(const Vertices vertices) {
 
   FOR_RIM_VERTEX(vy,vx,v) {
     find_nearest_oncircle(oncircle, vertices[v]);
-    
+
     double d2= hypotD2(vertices[v], oncircle);
     cost += d2*d2;
   }