src/SMESHUtils/SMESH_FillHole.cxx

   1 // Copyright (C) 2007-2016  CEA/DEN, EDF R&D, OPEN CASCADE
   2 //
   3 // Copyright (C) 2003-2007  OPEN CASCADE, EADS/CCR, LIP6, CEA/DEN,
   4 // CEDRAT, EDF R&D, LEG, PRINCIPIA R&D, BUREAU VERITAS
   5 //
   6 // This library is free software; you can redistribute it and/or
   7 // modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8 // License as published by the Free Software Foundation; either
   9 // version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10 //
  11 // This library is distributed in the hope that it will be useful,
  12 // but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14 // Lesser General Public License for more details.
  15 //
  16 // You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17 // License along with this library; if not, write to the Free Software
  18 // Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307 USA
  19 //
  20 // See http://www.salome-platform.org/ or email : webmaster.salome@opencascade.com
  21 //
  22 // File      : SMESH_FillHole.cxx
  23 // Created   : Tue Sep 26 15:11:17 2017
  24 // Author    : Edward AGAPOV (eap)
  25 //
  26
  27 #include "SMESH_MeshAlgos.hxx"
  28
  29 #include "SMESH_Comment.hxx"
  30
  31 #include "SMESH_TypeDefs.hxx"
  32 #include "SMDS_Mesh.hxx"
  33
  34 #include <Utils_SALOME_Exception.hxx>
  35
  36 #include <boost/intrusive/circular_list_algorithms.hpp>
  37 #include <boost/container/flat_map.hpp>
  38
  39 #include <Bnd_B3d.hxx>
  40
  41 namespace
  42 {
  43   bool isSmallAngle( double cos2 )
  44   {
  45     // cosine of min angle at which adjacent faces are considered overlapping
  46     const double theMinCos2 = 0.996 * 0.996; // ~5 degrees
  47     return ( cos2 > theMinCos2 );
  48   }
  49
  50   struct BEdge;
  51   typedef std::multimap< double, BEdge* >          TAngleMap;
  52   typedef std::map< const SMDS_MeshElement*, int > TFaceIndMap;
  53
  54   //--------------------------------------------------------------------------------
  55   /*!
  56    * \brief Edge of a free border
  57    */
  58   struct BEdge
  59   {
  60     const SMDS_MeshNode*    myNode1;
  61     const SMDS_MeshNode*    myNode2;
  62     const SMDS_MeshElement* myFace;   // face adjacent to the border
  63
  64     gp_XYZ                  myFaceNorm;
  65     gp_XYZ                  myDir;     // myNode1 -> myNode2
  66     double                  myDirCoef; // 1. or -1, to make myDir oriented as myNodes in myFace
  67     double                  myLength;  // between nodes
  68     double                  myAngleWithPrev; // between myDir and -myPrev->myDir
  69     TAngleMap::iterator     myAngleMapPos;
  70     double                  myOverlapAngle;  // angle delta due to overlapping
  71     const SMDS_MeshNode*    myNode1Shift;    // nodes created to avoid overlapping of faces
  72     const SMDS_MeshNode*    myNode2Shift;
  73
  74     BEdge*                  myPrev; // neighbors in the border
  75     BEdge*                  myNext;
  76
  77     BEdge(): myNode1Shift(0), myNode2Shift(0) {}
  78     void   Init( const SMDS_MeshNode* n1, const SMDS_MeshNode* n2,
  79                  const SMDS_MeshElement* f=0,
  80                  const SMDS_MeshNode* nf1=0, const SMDS_MeshNode* nf2=0 );
  81     void   ComputeAngle( bool reverseAngle = false );
  82     void   ShiftOverlapped( const SMDS_MeshNode*                  oppNode,
  83                             const TFaceIndMap&                    capFaceWithBordInd,
  84                             SMDS_Mesh&                            mesh,
  85                             std::vector<const SMDS_MeshElement*>& newFaces);
  86     void   MakeShiftfFaces( SMDS_Mesh&                            mesh,
  87                             std::vector<const SMDS_MeshElement*>& newFaces,
  88                             const bool                            isReverse );
  89     gp_XYZ GetInFaceDir() const { return myFaceNorm ^ myDir * myDirCoef; }
  90     void   InsertSelf(TAngleMap& edgesByAngle, bool isReverseFaces, bool reBind, bool useOverlap )
  91     {
  92       if ( reBind ) edgesByAngle.erase( myAngleMapPos );
  93       double key = (( isReverseFaces ? 2 * M_PI - myAngleWithPrev : myAngleWithPrev )
  94                     + myOverlapAngle * useOverlap );
  95       myAngleMapPos = edgesByAngle.insert( std::make_pair( key, this ));
  96     }
  97
  98     // traits used by boost::intrusive::circular_list_algorithms
  99     typedef BEdge         node;
 100     typedef BEdge *       node_ptr;
 101     typedef const BEdge * const_node_ptr;
 102     static node_ptr get_next(const_node_ptr n)             {  return n->myNext;  }
 103     static void     set_next(node_ptr n, node_ptr next)    {  n->myNext = next;  }
 104     static node_ptr get_previous(const_node_ptr n)         {  return n->myPrev;  }
 105     static void     set_previous(node_ptr n, node_ptr prev){  n->myPrev = prev;  }
 106   };
 107
 108   //================================================================================
 109   /*!
 110    * \brief Initialize a border edge data
 111    */
 112   //================================================================================
 113
 114   void BEdge::Init( const SMDS_MeshNode*    n1,
 115                     const SMDS_MeshNode*    n2,
 116                     const SMDS_MeshElement* newFace, // new cap face
 117                     const SMDS_MeshNode*    nf1,
 118                     const SMDS_MeshNode*    nf2 )
 119   {
 120     myNode1  = n1;
 121     myNode2  = n2;
 122     myDir    = SMESH_NodeXYZ( n2 ) - SMESH_NodeXYZ( n1 );
 123     myLength = myDir.Modulus();
 124     if ( myLength > std::numeric_limits<double>::min() )
 125       myDir /= myLength;
 126
 127     myFace = newFace;
 128     if ( !myFace )
 129     {
 130       TIDSortedElemSet elemSet, avoidSet;
 131       int ind1, ind2;
 132       myFace = SMESH_MeshAlgos::FindFaceInSet( n1, n2, elemSet, avoidSet, &ind1, &ind2 );
 133       if ( !myFace )
 134         throw SALOME_Exception( SMESH_Comment("No face sharing nodes #")
 135                                 << myNode1->GetID() << " and #" << myNode2->GetID());
 136       avoidSet.insert( myFace );
 137       if ( SMESH_MeshAlgos::FindFaceInSet( n1, n2, elemSet, avoidSet ))
 138         throw SALOME_Exception( SMESH_Comment("No free border between nodes #")
 139                                 << myNode1->GetID() << " and #" << myNode2->GetID());
 140
 141       myDirCoef = SMESH_MeshAlgos::IsRightOrder( myFace, myNode1, myNode2 ) ? 1. : -1.;
 142     }
 143
 144     if (! SMESH_MeshAlgos::FaceNormal( myFace, myFaceNorm, /*normalized=*/false ))
 145     {
 146       SMDS_ElemIteratorPtr fIt = myNode1->GetInverseElementIterator( SMDSAbs_Face );
 147       while ( fIt->more() )
 148         if ( SMESH_MeshAlgos::FaceNormal( fIt->next(), myFaceNorm, /*normalized=*/false ))
 149           break;
 150     }
 151
 152     if ( newFace )
 153     {
 154       myFace    = 0;
 155       myDirCoef = SMESH_MeshAlgos::IsRightOrder( newFace, nf1, nf2 ) ? 1. : -1.;
 156       if ( myPrev->myNode2 == n1 )
 157         myNode1Shift = myPrev->myNode2Shift;
 158       if ( myNext->myNode1 == n2 )
 159         myNode2Shift = myNext->myNode1Shift;
 160     }
 161     else if ( myDirCoef * myPrev->myDirCoef < 0 ) // different orientation of faces
 162     {
 163       myFaceNorm *= -1;
 164       myDirCoef  *= -1;
 165     }
 166
 167   }
 168
 169   //================================================================================
 170   /*!
 171    * \brief Compute myAngleWithPrev
 172    */
 173   //================================================================================
 174
 175   void BEdge::ComputeAngle( bool theReverseAngle )
 176   {
 177     myAngleWithPrev = ACos( myDir.Dot( myPrev->myDir.Reversed() ));
 178
 179     bool isObtuse;
 180     gp_XYZ inNewFaceDir = myDir - myPrev->myDir;
 181     double         dot1 = myDir.Dot( myPrev->myFaceNorm );
 182     double         dot2 = myPrev->myDir.Dot( myFaceNorm );
 183     bool     isOverlap1 = ( inNewFaceDir * myPrev->GetInFaceDir() > 0 );
 184     bool     isOverlap2 = ( inNewFaceDir * GetInFaceDir()         > 0 );
 185     if ( !myPrev->myFace )
 186       isObtuse = isOverlap1;
 187     else if  ( !myFace )
 188       isObtuse = isOverlap2;
 189     else
 190     {
 191       isObtuse = ( dot1 > 0 || dot2 < 0 ); // suppose face normals point outside the border
 192       if ( theReverseAngle )
 193         isObtuse = !isObtuse;
 194     }
 195     if ( isObtuse )
 196     {
 197       myAngleWithPrev = 2 * M_PI - myAngleWithPrev;
 198     }
 199
 200     // if ( ! isObtuse )
 201     //   isObtuse =
 202     //     isSmallAngle( 1 - myDir.CrossSquareMagnitude( myPrev->myDir )); // edges co-directed
 203
 204     myOverlapAngle = 0;
 205     //if ( !isObtuse )
 206     {
 207       // check if myFace and a triangle built on this and prev edges overlap
 208       if ( isOverlap1 )
 209       {
 210         double cos2 = dot1 * dot1 / myPrev->myFaceNorm.SquareModulus();
 211         myOverlapAngle += 0.5 * M_PI * ( 1 - cos2 );
 212       }
 213       if ( isOverlap2 )
 214       {
 215         double cos2 = dot2 * dot2 / myFaceNorm.SquareModulus();
 216         myOverlapAngle += 0.5 * M_PI * ( 1 - cos2 );
 217       }
 218     }
 219   }
 220
 221   //================================================================================
 222   /*!
 223    * \brief Check if myFace is overlapped by a triangle formed by myNode's and a
 224    *        given node. If so, create shifted nodes to avoid overlapping
 225    */
 226   //================================================================================
 227
 228   void BEdge::ShiftOverlapped( const SMDS_MeshNode*                  theOppNode,
 229                                const TFaceIndMap&                    theCapFaceWithBordInd,
 230                                SMDS_Mesh&                            theMesh,
 231                                std::vector<const SMDS_MeshElement*>& theNewFaces )
 232   {
 233     if ( myNode1Shift && myNode2Shift )
 234       return;
 235
 236     gp_XYZ inNewFaceDir = SMESH_NodeXYZ( theOppNode ) - SMESH_NodeXYZ( myNode1 );
 237     double          dot = inNewFaceDir.Dot( myFaceNorm );
 238     double         cos2 = dot * dot / myFaceNorm.SquareModulus() / inNewFaceDir.SquareModulus();
 239     bool      isOverlap = ( isSmallAngle( 1 - cos2 ) && GetInFaceDir() * inNewFaceDir > 0 );
 240
 241     if ( isOverlap )
 242     {
 243       gp_XYZ shift = myFaceNorm / myLength / 4;
 244       if ( myFace )
 245         shift.Reverse();
 246       if ( !myNode1Shift )
 247       {
 248         gp_XYZ p = SMESH_NodeXYZ( myNode1 ) + shift;
 249         myNode1Shift = theMesh.AddNode( p.X(), p.Y(), p.Z() );
 250         myPrev->myNode2Shift = myNode1Shift;
 251       }
 252       if ( !myNode2Shift )
 253       {
 254         gp_XYZ p = SMESH_NodeXYZ( myNode2 ) + shift;
 255         myNode2Shift = theMesh.AddNode( p.X(), p.Y(), p.Z() );
 256         myNext->myNode1Shift = myNode2Shift;
 257       }
 258
 259       // MakeShiftfFaces() for already created cap faces
 260       for ( int is2nd = 0; is2nd < 2; ++is2nd )
 261       {
 262         const SMDS_MeshNode* ns = is2nd ? myNode2Shift : myNode1Shift;
 263         const SMDS_MeshNode* n  = is2nd ? myNode2 : myNode1;
 264         if ( !ns ) continue;
 265
 266         SMDS_ElemIteratorPtr fIt = n->GetInverseElementIterator( SMDSAbs_Face );
 267         while ( fIt->more() )
 268         {
 269           const SMDS_MeshElement* f = fIt->next();
 270           if ( !f->isMarked() ) continue;
 271
 272           TFaceIndMap::const_iterator f2i = theCapFaceWithBordInd.find( f );
 273           if ( f2i == theCapFaceWithBordInd.end() )
 274             continue;
 275           const SMDS_MeshNode* nf1 = f->GetNode(  f2i->second );
 276           const SMDS_MeshNode* nf2 = f->GetNode(( f2i->second+1 ) % f->NbNodes() );
 277           if ( nf1 == n || nf2 == n )
 278           {
 279             BEdge tmpE;
 280             tmpE.myPrev = tmpE.myNext = this;
 281             tmpE.Init( nf1, nf2, f, nf1, nf2 );
 282             if ( !tmpE.myNode1Shift && !tmpE.myNode2Shift )
 283               tmpE.Init( nf2, nf1, f, nf2, nf1 );
 284             tmpE.myFace = f;
 285             tmpE.MakeShiftfFaces( theMesh, theNewFaces, tmpE.myDirCoef < 0 );
 286           }
 287           std::vector< const SMDS_MeshNode* > nodes( f->begin_nodes(), f->end_nodes() );
 288           nodes[ f->GetNodeIndex( n ) ] = ns;
 289           theMesh.ChangeElementNodes( f, &nodes[0], nodes.size() );
 290         }
 291       }
 292     }
 293   }
 294
 295   //================================================================================
 296   /*!
 297    * \brief Create a triangle
 298    */
 299   //================================================================================
 300
 301   const SMDS_MeshElement* MakeTria( SMDS_Mesh&           mesh,
 302                                     const SMDS_MeshNode* n1,
 303                                     const SMDS_MeshNode* n2,
 304                                     const SMDS_MeshNode* n3,
 305                                     const bool           isReverse )
 306   {
 307     if ( isReverse )
 308       return mesh.AddFace( n1, n3, n2 );
 309     return mesh.AddFace( n1, n2, n3 );
 310   }
 311
 312   //================================================================================
 313   /*!
 314    * \brief Create a quadrangle
 315    */
 316   //================================================================================
 317
 318   // const SMDS_MeshElement* MakeQuad( SMDS_Mesh&           mesh,
 319   //                                   const SMDS_MeshNode* n1,
 320   //                                   const SMDS_MeshNode* n2,
 321   //                                   const SMDS_MeshNode* n3,
 322   //                                   const SMDS_MeshNode* n4,
 323   //                                   const bool           isReverse )
 324   // {
 325   //   if ( isReverse )
 326   //     return mesh.AddFace( n4, n3, n2, n1 );
 327   //   return mesh.AddFace( n1, n2, n3, n4 );
 328   // }
 329
 330   //================================================================================
 331   /*!
 332    * \brief Create faces on myNode* and myNode*Shift
 333    */
 334   //================================================================================
 335
 336   void BEdge::MakeShiftfFaces(SMDS_Mesh&                            mesh,
 337                               std::vector<const SMDS_MeshElement*>& newFaces,
 338                               const bool                            isReverse )
 339   {
 340     if ( !myFace )
 341       return;
 342     if ( myNode1Shift && myNode2Shift )
 343     {
 344       newFaces.push_back( MakeTria( mesh, myNode1, myNode2, myNode2Shift, isReverse ));
 345       newFaces.push_back( MakeTria( mesh, myNode1, myNode2Shift, myNode1Shift, isReverse ));
 346     }
 347     else if ( myNode1Shift )
 348     {
 349       newFaces.push_back( MakeTria( mesh, myNode1, myNode2, myNode1Shift, isReverse ));
 350     }
 351     else if ( myNode2Shift )
 352     {
 353       newFaces.push_back( MakeTria( mesh, myNode1, myNode2, myNode2Shift, isReverse ));
 354     }
 355   }
 356
 357 } // namespace
 358
 359 //================================================================================
 360 /*!
 361  * \brief Fill with 2D elements a hole defined by a TFreeBorder
 362  */
 363 //================================================================================
 364
 365 void SMESH_MeshAlgos::FillHole(const SMESH_MeshAlgos::TFreeBorder &  theFreeBorder,
 366                                SMDS_Mesh&                            theMesh,
 367                                std::vector<const SMDS_MeshElement*>& theNewFaces)
 368 {
 369   if ( theFreeBorder.size() < 4 ||                // at least 3 nodes
 370        theFreeBorder[0] != theFreeBorder.back() ) // the hole must be closed
 371     return;
 372
 373   // prepare data of the border
 374
 375   ObjectPool< BEdge > edgeAllocator;
 376   boost::intrusive::circular_list_algorithms< BEdge > circularList;
 377   BEdge* edge;
 378   BEdge* edge0 = edgeAllocator.getNew();
 379   BEdge* edgePrev = edge0;
 380   circularList.init_header( edge0 );
 381   edge0->Init( theFreeBorder[0], theFreeBorder[1], 0 );
 382   Bnd_B3d box;
 383   box.Add( SMESH_NodeXYZ( edge0->myNode1 ));
 384   for ( size_t i = 2; i < theFreeBorder.size(); ++i )
 385   {
 386     edge = edgeAllocator.getNew();
 387     circularList.link_after( edgePrev, edge );
 388     edge->Init( theFreeBorder[i-1], theFreeBorder[i] );
 389     edge->ComputeAngle();
 390     edgePrev = edge;
 391     box.Add( SMESH_NodeXYZ( edge->myNode1 ));
 392   }
 393   edge0->ComputeAngle();
 394
 395   // check if face normals point outside the border
 396
 397   gp_XYZ hSize = 0.5 * ( box.CornerMax() - box.CornerMin() );
 398   const double hDelta = 1e-6 * hSize.Modulus();
 399   hSize -= gp_XYZ( hDelta, hDelta, hDelta );
 400   if ( hSize.X() < 0 ) hSize.SetX(hDelta);
 401   if ( hSize.Y() < 0 ) hSize.SetY(hDelta);
 402   if ( hSize.Z() < 0 ) hSize.SetZ(hDelta);
 403   box.SetHSize( hSize ); // decrease the box by hDelta
 404
 405   size_t nbEdges = theFreeBorder.size() - 1;
 406   edge = edge0;
 407   int nbRev = 0, nbFrw = 0;
 408   double angTol = M_PI - ( nbEdges - 2 ) * M_PI / nbEdges, sumDirCoeff = 0;
 409   for ( size_t i = 0; i < nbEdges; ++i, edge = edge->myNext )
 410   {
 411     if ( box.IsOut( SMESH_NodeXYZ( edge->myNode1 )) &&
 412          edge->myOverlapAngle < 0.1 * M_PI )
 413     {
 414       nbRev += edge->myAngleWithPrev > M_PI + angTol;
 415       nbFrw += edge->myAngleWithPrev < M_PI - angTol;
 416     }
 417     sumDirCoeff += edge->myDirCoef;
 418
 419     // unmark all adjacent faces, new faces will be marked
 420     SMDS_ElemIteratorPtr fIt = edge->myNode1->GetInverseElementIterator( SMDSAbs_Face );
 421     while ( fIt->more() )
 422       fIt->next()->setIsMarked( false );
 423   }
 424   bool isReverseAngle = ( nbRev > nbFrw ); // true == face normals point inside the border
 425   //std::cout << "nbRev="<< nbRev << ", nbFrw="<< nbFrw<<std::endl;
 426
 427   // sort border edges by myAngleWithPrev
 428
 429   TAngleMap edgesByAngle;
 430   bool useOverlap = true; // to add BEdge.myOverlapAngle when filling edgesByAngle
 431   edge = edge0;
 432   for ( size_t i = 0; i < nbEdges; ++i, edge = edge->myNext )
 433     edge->InsertSelf( edgesByAngle, isReverseAngle, /*reBind=*/false, useOverlap );
 434
 435   // create triangles to fill the hole
 436
 437   //compare order of nodes in the edges with their order in faces
 438   bool isReverse = sumDirCoeff > 0.5 * nbEdges;
 439
 440   // faces filling the hole (cap faces) and indices of border edges in them
 441   TFaceIndMap capFaceWithBordInd;
 442
 443   theNewFaces.reserve( nbEdges - 2 );
 444   std::vector< const SMDS_MeshNode* > nodes(3);
 445   while ( edgesByAngle.size() > 2 )
 446   {
 447     TAngleMap::iterator a2e = edgesByAngle.begin();
 448     if ( useOverlap && a2e->first > M_PI - angTol ) // all new triangles need shift
 449     {
 450       // re-sort the edges
 451       useOverlap = false;
 452       edge    = a2e->second;
 453       nbEdges = edgesByAngle.size();
 454       edgesByAngle.clear();
 455       for ( size_t i = 0; i < nbEdges; ++i, edge = edge->myNext )
 456         edge->InsertSelf( edgesByAngle, isReverseAngle, /*reBind=*/false, useOverlap );
 457       a2e = edgesByAngle.begin();
 458     }
 459     edge     = a2e->second;
 460     edgePrev = edge->myPrev;
 461
 462     // create shift nodes and faces
 463     edgePrev->ShiftOverlapped( edge->myNode2, capFaceWithBordInd, theMesh, theNewFaces );
 464     edge->ShiftOverlapped( edgePrev->myNode1, capFaceWithBordInd, theMesh, theNewFaces );
 465     edge    ->MakeShiftfFaces( theMesh, theNewFaces, isReverse );
 466     edgePrev->MakeShiftfFaces( theMesh, theNewFaces, isReverse );
 467
 468     // make a cap face
 469     //nodes.resize( 3 );
 470     nodes[0] = edgePrev->myNode1Shift ? edgePrev->myNode1Shift : edgePrev->myNode1;
 471     nodes[1] = edgePrev->myNode2Shift ? edgePrev->myNode2Shift : edgePrev->myNode2;
 472     nodes[2] = edge->myNode2Shift     ? edge->myNode2Shift     : edge->myNode2;
 473     theNewFaces.push_back( MakeTria( theMesh, nodes[0], nodes[1], nodes[2], isReverse ));
 474     // std::cout << nodes[1]->GetID() << " "  << nodes[0]->GetID() << " "  << nodes[2]->GetID()
 475     //           << " " << edge->myAngleWithPrev << std::endl;
 476
 477     // remember a border edge within the new cap face
 478     theNewFaces.back()->setIsMarked( true );
 479     if ( edgePrev->myFace )
 480       capFaceWithBordInd.insert( std::make_pair( theNewFaces.back(), isReverse ? 2 : 0 ));
 481     if ( edge->myFace )
 482       capFaceWithBordInd.insert( std::make_pair( theNewFaces.back(), 1 ));
 483
 484     // remove edgePrev from the list and update <edge>
 485     edgesByAngle.erase( edgePrev->myAngleMapPos );
 486     circularList.unlink( edgePrev ); // remove edgePrev from the border
 487
 488     edge->Init( edgePrev->myNode1, edge->myNode2, theNewFaces.back(), nodes[0], nodes[2] );
 489     edge->ComputeAngle( isReverseAngle );
 490     edge->InsertSelf( edgesByAngle, /*isReverse=*/false, /*reBind=*/true, useOverlap );
 491     edge->myNext->ComputeAngle( isReverseAngle );
 492     edge->myNext->InsertSelf( edgesByAngle, /*isReverse=*/false, /*reBind=*/true, useOverlap );
 493     // std::cout << "A " << edge->myNode1->GetID() << " " << edge->myAngleWithPrev
 494     //           << " " << edge->myNext->myNode1->GetID() << " " << edge->myNext->myAngleWithPrev
 495     //           << std::endl;
 496   }
 497   edge = edgesByAngle.begin()->second;
 498   edge->        MakeShiftfFaces( theMesh, theNewFaces, isReverse );
 499   edge->myNext->MakeShiftfFaces( theMesh, theNewFaces, isReverse );
 500 }