src/SMESHUtils/SMESH_MeshAlgos.hxx

   1 // Copyright (C) 2007-2019  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_MeshAlgos.hxx
  23 // Created   : Tue Apr 30 18:00:36 2013
  24 // Author    : Edward AGAPOV (eap)
  25
  26 // Initially this file held some low level algorithms extracted from SMESH_MeshEditor
  27 // to make them accessible from Controls package, and more
  28
  29
  30 #ifndef __SMESH_MeshAlgos_HXX__
  31 #define __SMESH_MeshAlgos_HXX__
  32
  33 #include "SMESH_Utils.hxx"
  34
  35 #include "SMDSAbs_ElementType.hxx"
  36 #include "SMDS_ElemIterator.hxx"
  37 #include "SMESH_TypeDefs.hxx"
  38
  39 #include <TopAbs_State.hxx>
  40 #include <gp_Pnt.hxx>
  41 #include <gp_Vec.hxx>
  42
  43 #include <vector>
  44
  45 class Bnd_B3d;
  46 class gp_Ax1;
  47 class SMDS_Mesh;
  48 class SMDS_MeshElement;
  49 class SMDS_MeshGroup;
  50 class SMDS_MeshNode;
  51
  52 //=======================================================================
  53 /*!
  54  * \brief Searcher for the node closest to a point
  55  */
  56 //=======================================================================
  57
  58 struct SMESHUtils_EXPORT SMESH_NodeSearcher
  59 {
  60   virtual const SMDS_MeshNode* FindClosestTo( const gp_Pnt& pnt ) = 0;
  61   virtual void MoveNode( const SMDS_MeshNode* node, const gp_Pnt& toPnt ) = 0;
  62   virtual int  FindNearPoint(const gp_Pnt&                        point,
  63                              const double                         tolerance,
  64                              std::vector< const SMDS_MeshNode* >& foundNodes) = 0;
  65   virtual ~SMESH_NodeSearcher() {}
  66 };
  67
  68 //=======================================================================
  69 /*!
  70  * \brief Searcher for elements
  71  */
  72 //=======================================================================
  73
  74 struct SMESHUtils_EXPORT SMESH_ElementSearcher
  75 {
  76   /*!
  77    * \brief Find elements of given type where the given point is IN or ON.
  78    *        Returns nb of found elements and elements them-selves.
  79    *
  80    * 'ALL' type means elements of any type excluding nodes and 0D elements
  81    */
  82   virtual int FindElementsByPoint(const gp_Pnt&                           point,
  83                                   SMDSAbs_ElementType                     type,
  84                                   std::vector< const SMDS_MeshElement* >& foundElems) = 0;
  85   /*!
  86    * \brief Return an element most close to the given point
  87    */
  88   virtual const SMDS_MeshElement* FindClosestTo( const gp_Pnt&       point,
  89                                                  SMDSAbs_ElementType type) = 0;
  90   /*!
  91    * \brief Return elements possibly intersecting the line
  92    */
  93   virtual void GetElementsNearLine( const gp_Ax1&                           line,
  94                                     SMDSAbs_ElementType                     type,
  95                                     std::vector< const SMDS_MeshElement* >& foundElems) = 0;
  96   /*!
  97    * \brief Return elements whose bounding box intersects a sphere
  98    */
  99   virtual void GetElementsInSphere( const gp_XYZ&                           center,
 100                                     const double                            radius,
 101                                     SMDSAbs_ElementType                     type,
 102                                     std::vector< const SMDS_MeshElement* >& foundElems) = 0;
 103   /*!
 104    * \brief Return elements whose bounding box intersects a given bounding box
 105    */
 106   virtual void GetElementsInBox( const Bnd_B3d&                          box,
 107                                  SMDSAbs_ElementType                     type,
 108                                  std::vector< const SMDS_MeshElement* >& foundElems) = 0;
 109   /*!
 110    * \brief Find out if the given point is out of closed 2D mesh.
 111    */
 112   virtual TopAbs_State GetPointState(const gp_Pnt& point) = 0;
 113
 114   /*!
 115    * \brief Return a projection of a given point to a 2D mesh.
 116    *        Optionally return the closest face
 117    */
 118   virtual gp_XYZ Project(const gp_Pnt&            point,
 119                          SMDSAbs_ElementType      type,
 120                          const SMDS_MeshElement** closestFace= 0) = 0;
 121
 122   virtual ~SMESH_ElementSearcher();
 123 };
 124
 125 namespace SMESH_MeshAlgos
 126 {
 127   /*!
 128    * \brief Return SMESH_NodeSearcher. The caller is responsible for deleting it
 129    */
 130   SMESHUtils_EXPORT
 131   SMESH_NodeSearcher* GetNodeSearcher( SMDS_Mesh& mesh );
 132
 133   SMESHUtils_EXPORT
 134   SMESH_NodeSearcher* GetNodeSearcher( SMDS_ElemIteratorPtr elemIt );
 135
 136   /*!
 137    * \brief Return SMESH_ElementSearcher. The caller is responsible for deleting it
 138    */
 139   SMESHUtils_EXPORT
 140   SMESH_ElementSearcher* GetElementSearcher( SMDS_Mesh& mesh,
 141                                              double     tolerance=-1.);
 142   SMESHUtils_EXPORT
 143   SMESH_ElementSearcher* GetElementSearcher( SMDS_Mesh& mesh,
 144                                              SMDS_ElemIteratorPtr elemIt,
 145                                              double     tolerance=-1. );
 146
 147
 148   /*!
 149    * \brief Return true if the point is IN or ON of the element
 150    */
 151   SMESHUtils_EXPORT
 152   bool IsOut( const SMDS_MeshElement* element, const gp_Pnt& point, double tol );
 153
 154   SMESHUtils_EXPORT
 155   double GetDistance( const SMDS_MeshElement* elem, const gp_Pnt& point, gp_XYZ* closestPnt = 0 );
 156
 157   SMESHUtils_EXPORT
 158   double GetDistance( const SMDS_MeshEdge* edge, const gp_Pnt& point, gp_XYZ* closestPnt = 0 );
 159
 160   SMESHUtils_EXPORT
 161   double GetDistance( const SMDS_MeshFace* face, const gp_Pnt& point, gp_XYZ* closestPnt = 0 );
 162
 163   SMESHUtils_EXPORT
 164   double GetDistance( const SMDS_MeshVolume* volume, const gp_Pnt& point, gp_XYZ* closestPnt = 0 );
 165
 166   SMESHUtils_EXPORT
 167   void GetBarycentricCoords( const gp_XY& point,
 168                              const gp_XY& t0, const gp_XY& t1, const gp_XY& t2,
 169                              double &    bc0, double &    bc1);
 170
 171   /*!
 172    * Return a face having linked nodes n1 and n2 and which is
 173    * - not in avoidSet,
 174    * - in elemSet provided that !elemSet.empty()
 175    * i1 and i2 optionally returns indices of n1 and n2
 176    */
 177   SMESHUtils_EXPORT
 178   const SMDS_MeshElement* FindFaceInSet(const SMDS_MeshNode*    n1,
 179                                         const SMDS_MeshNode*    n2,
 180                                         const TIDSortedElemSet& elemSet,
 181                                         const TIDSortedElemSet& avoidSet,
 182                                         int*                    i1=0,
 183                                         int*                    i2=0);
 184   /*!
 185    * \brief Calculate normal of a mesh face
 186    */
 187   SMESHUtils_EXPORT
 188   bool FaceNormal(const SMDS_MeshElement* F, gp_XYZ& normal, bool normalized=true);
 189
 190   /*!
 191    * \brief Return nodes common to two elements
 192    */
 193   SMESHUtils_EXPORT
 194   std::vector< const SMDS_MeshNode*> GetCommonNodes(const SMDS_MeshElement* e1,
 195                                                     const SMDS_MeshElement* e2);
 196   /*!
 197    * \brief Return true if node1 encounters first in the face and node2, after.
 198    *        The nodes are supposed to be neighbor nodes in the face.
 199    */
 200   SMESHUtils_EXPORT
 201   bool IsRightOrder( const SMDS_MeshElement* face,
 202                      const SMDS_MeshNode*    node0,
 203                      const SMDS_MeshNode*    node1 );
 204
 205   typedef std::vector< std::vector< const SMDS_MeshElement* > > TElemGroupVector;
 206   typedef std::vector< std::vector< const SMDS_MeshNode* > >    TNodeGroupVector;
 207   /*!
 208    * \brief Partition given 1D elements into groups of contiguous edges.
 209    *        A node where number of meeting edges != 2 is a group end.
 210    *        An optional startNode is used to orient groups it belongs to.
 211    * \return a list of edge groups and a list of corresponding node groups.
 212    *         If a group is closed, the first and last nodes of the group are same.
 213    */
 214   SMESHUtils_EXPORT
 215   void Get1DBranches( SMDS_ElemIteratorPtr edgeIt,
 216                       TElemGroupVector&    edgeGroups,
 217                       TNodeGroupVector&    nodeGroups,
 218                       const SMDS_MeshNode* startNode = 0 );
 219
 220   /*!
 221    * \brief Mark elements given by SMDS_Iterator
 222    */
 223   template< class ElemIter >
 224   void MarkElems( ElemIter it, const bool isMarked )
 225   {
 226     while ( it->more() ) it->next()->setIsMarked( isMarked );
 227   }
 228   /*!
 229    * \brief Mark elements given by std iterators
 230    */
 231   template< class ElemIter >
 232   void MarkElems( ElemIter it, ElemIter end, const bool isMarked )
 233   {
 234     for ( ; it != end; ++it ) (*it)->setIsMarked( isMarked );
 235   }
 236   /*!
 237    * \brief Mark nodes of elements given by SMDS_Iterator
 238    */
 239   template< class ElemIter >
 240   void MarkElemNodes( ElemIter it, const bool isMarked, const bool markElem = false )
 241   {
 242     if ( markElem )
 243       while ( it->more() ) {
 244         const SMDS_MeshElement* e = it->next();
 245         e->setIsMarked( isMarked );
 246         MarkElems( e->nodesIterator(), isMarked );
 247       }
 248     else
 249       while ( it->more() )
 250         MarkElems( it->next()->nodesIterator(), isMarked );
 251   }
 252   /*!
 253    * \brief Mark elements given by std iterators
 254    */
 255   template< class ElemIter >
 256   void MarkElemNodes( ElemIter it, ElemIter end, const bool isMarked, const bool markElem = false )
 257   {
 258     if ( markElem )
 259       for ( ; it != end; ++it ) {
 260         (*it)->setIsMarked( isMarked );
 261         MarkElems( (*it)->nodesIterator(), isMarked );
 262       }
 263     else
 264       for ( ; it != end; ++it )
 265         MarkElems( (*it)->nodesIterator(), isMarked );
 266   }
 267
 268   // 2 nodes + optional medium node
 269   struct Edge
 270   {
 271     const SMDS_MeshNode* _node1;
 272     const SMDS_MeshNode* _node2;
 273     const SMDS_MeshNode* _medium;
 274   };
 275
 276   /*!
 277    * Return sharp edges of faces and non-manifold ones.
 278    * Optionally adds existing edges to the result. Angle is in degrees.
 279    */
 280   SMESHUtils_EXPORT
 281   std::vector< Edge > FindSharpEdges( SMDS_Mesh* mesh,
 282                                       double     angle,
 283                                       bool       addExisting );
 284
 285   /*!
 286    * Distribute all faces of the mesh between groups using given edges.
 287    */
 288   SMESHUtils_EXPORT
 289   std::vector< std::vector< const SMDS_MeshElement* > >
 290   SeparateFacesByEdges( SMDS_Mesh* mesh, const std::vector< Edge >& edges );
 291
 292
 293   typedef std::vector<const SMDS_MeshNode*> TFreeBorder;
 294   typedef std::vector<TFreeBorder>          TFreeBorderVec;
 295   struct TFreeBorderPart
 296   {
 297     int _border; // border index within a TFreeBorderVec
 298     int _node1;  // node index within the border-th TFreeBorder
 299     int _node2;
 300     int _nodeLast;
 301   };
 302   typedef std::vector<TFreeBorderPart>  TCoincidentGroup;
 303   typedef std::vector<TCoincidentGroup> TCoincidentGroupVec;
 304   struct CoincidentFreeBorders
 305   {
 306     TFreeBorderVec      _borders;          // nodes of all free borders
 307     TCoincidentGroupVec _coincidentGroups; // groups of coincident parts of borders
 308   };
 309
 310   /*!
 311    * Returns TFreeBorder's coincident within the given tolerance.
 312    * If the tolerance <= 0.0 then one tenth of an average size of elements adjacent
 313    * to free borders being compared is used.
 314    */
 315   SMESHUtils_EXPORT
 316   void FindCoincidentFreeBorders(SMDS_Mesh&              mesh,
 317                                  double                  tolerance,
 318                                  CoincidentFreeBorders & foundFreeBordes);
 319   // Implemented in ./SMESH_FreeBorders.cxx
 320
 321   /*!
 322    * Returns all or only closed TFreeBorder's.
 323    * Optionally check if the mesh is manifold and if faces are correctly oriented.
 324    */
 325   SMESHUtils_EXPORT
 326   void FindFreeBorders(SMDS_Mesh&       mesh,
 327                        TFreeBorderVec & foundFreeBordes,
 328                        const bool       closedOnly,
 329                        bool*            isManifold = 0,
 330                        bool*            isGoodOri = 0);
 331   // Implemented in ./SMESH_FreeBorders.cxx
 332
 333   /*!
 334    * Fill a hole defined by a TFreeBorder with 2D elements.
 335    */
 336   SMESHUtils_EXPORT
 337   void FillHole(const TFreeBorder &                   freeBorder,
 338                 SMDS_Mesh&                            mesh,
 339                 std::vector<const SMDS_MeshElement*>& newFaces);
 340   // Implemented in ./SMESH_FillHole.cxx
 341
 342   /*!
 343    * \brief Find nodes whose merge makes the element invalid
 344    */
 345   SMESHUtils_EXPORT
 346   void DeMerge(const SMDS_MeshElement*              elem,
 347                std::vector< const SMDS_MeshNode* >& newNodes,
 348                std::vector< const SMDS_MeshNode* >& noMergeNodes);
 349   // Implemented in SMESH_DeMerge.cxx
 350
 351
 352   typedef std::vector< std::pair< const SMDS_MeshElement*, int > > TElemIntPairVec;
 353   typedef std::vector< std::pair< const SMDS_MeshNode*,    int > > TNodeIntPairVec;
 354   /*!
 355    * \brief Create an offset mesh of given faces
 356    *  \param [in] faceIt - the input faces
 357    *  \param [in] theFixIntersections - to fix self intersections of the offset mesh or not
 358    *  \param [out] new2OldFaces - history of faces
 359    *  \param [out] new2OldNodes - history of nodes
 360    *  \return SMDS_Mesh* - the new offset mesh, a caller should delete
 361    */
 362   SMESHUtils_EXPORT
 363   SMDS_Mesh* MakeOffset( SMDS_ElemIteratorPtr faceIt,
 364                          SMDS_Mesh&           mesh,
 365                          const double         offset,
 366                          const bool           theFixIntersections,
 367                          TElemIntPairVec&           new2OldFaces,
 368                          TNodeIntPairVec&           new2OldNodes );
 369   // Implemented in ./SMESH_Offset.cxx
 370
 371
 372   //=======================================================================
 373   /*!
 374    * \brief Cut faces of a triangular mesh.
 375    *  Usage work-flow: 1) call Cut() methods as many times as needed
 376    *                   2) call MakeNewFaces() to really modify the mesh faces
 377    */
 378   //=======================================================================
 379   // implemented in SMESH_Offset.cxx
 380
 381   class SMESHUtils_EXPORT Intersector
 382   {
 383   public:
 384     Intersector( SMDS_Mesh* mesh, double tol, const std::vector< gp_XYZ >& normals );
 385     ~Intersector();
 386
 387     //! Compute cut of two faces of the mesh
 388     void Cut( const SMDS_MeshElement* face1,
 389               const SMDS_MeshElement* face2,
 390               const int               nbCommonNodes = -1 );
 391
 392     //! Store a face cut by a line given by its ends lying either on face edges or inside the face.
 393     //  Line ends are accompanied by indices of intersected face edges.
 394     //  Edge index is <0 if a line end is inside the face.
 395     void Cut( const SMDS_MeshElement* face,
 396               SMESH_NodeXYZ&          lineEnd1,
 397               int                     edgeIndex1,
 398               SMESH_NodeXYZ&          lineEnd2,
 399               int                     edgeIndex2 );
 400
 401     //! Split all faces intersected by Cut() methods.
 402     //  theSign = (-1|1) is used to choose which part of a face cut by another one to remove.
 403     //  1 means to remove a part opposite to face normal.
 404     //  Optionally optimize quality of split faces by edge swapping.
 405     void MakeNewFaces( SMESH_MeshAlgos::TElemIntPairVec& theNew2OldFaces,
 406                        SMESH_MeshAlgos::TNodeIntPairVec& theNew2OldNodes,
 407                        const double                      theSign = 1.,
 408                        const bool                        theOptimize = false );
 409
 410     typedef std::vector< SMESH_NodeXYZ > TFace;
 411
 412     //! Cut a face by planes, whose normals point to parts to keep.
 413     //  Return true if the whole face is cut off
 414     static bool CutByPlanes(const SMDS_MeshElement*       face,
 415                             const std::vector< gp_Ax1 > & planes,
 416                             const double                  tol,
 417                             std::vector< TFace > &        newFaceConnectivity );
 418
 419   private:
 420     struct Algo;
 421     Algo* myAlgo;
 422   };
 423
 424   //=======================================================================
 425   /*!
 426    * \brief Divide a mesh face into triangles
 427    */
 428   //=======================================================================
 429   // Implemented in ./SMESH_Triangulate.cxx
 430
 431   class SMESHUtils_EXPORT Triangulate
 432   {
 433   public:
 434
 435     Triangulate(bool optimize=false);
 436     ~Triangulate();
 437
 438     static int GetNbTriangles( const SMDS_MeshElement* face );
 439
 440     int GetTriangles( const SMDS_MeshElement*             face,
 441                       std::vector< const SMDS_MeshNode*>& nodes);
 442   private:
 443
 444     bool triangulate( std::vector< const SMDS_MeshNode*>& nodes, const size_t nbNodes );
 445
 446     /*!
 447      * \brief Vertex of a polygon. Together with 2 neighbor Vertices represents a triangle
 448      */
 449     struct PolyVertex
 450     {
 451       SMESH_NodeXYZ _nxyz;
 452       size_t        _index;
 453       gp_XY         _xy;
 454       PolyVertex*   _prev;
 455       PolyVertex*   _next;
 456
 457       void   SetNodeAndNext( const SMDS_MeshNode* n, PolyVertex& v, size_t index );
 458       void   GetTriaNodes( const SMDS_MeshNode** nodes, size_t* nodeIndices) const;
 459       double TriaArea() const;
 460       bool   IsInsideTria( const PolyVertex* v );
 461       PolyVertex* Delete();
 462     };
 463     struct Optimizer;
 464
 465     std::vector< PolyVertex > _pv;
 466     std::vector< size_t >     _nodeIndex;
 467     Optimizer*                _optimizer;
 468   };
 469
 470   // structure used in MakePolyLine() to define a cutting plane
 471   struct PolySegment
 472   {
 473     // 2 points, each defined as follows:
 474     // ( myNode1 &&  myNode2 ) ==> point is in the middle of an edge defined by two nodes
 475     // ( myNode1 && !myNode2 ) ==> point is at myNode1 of a some face
 476     // else                    ==> point is at myXYZ
 477     const SMDS_MeshNode*    myNode1[2];
 478     const SMDS_MeshNode*    myNode2[2];
 479     gp_XYZ                  myXYZ  [2];
 480
 481     // face on which myXYZ projects (found by MakePolyLine())
 482     const SMDS_MeshElement* myFace [2];
 483
 484     // vector on the plane; to use a default plane set vector = (0,0,0)
 485     gp_Vec myVector;
 486
 487     // point returning coordinates of a middle of the two points, projected to mesh
 488     gp_Pnt myMidProjPoint;
 489   };
 490   typedef std::vector<PolySegment> TListOfPolySegments;
 491
 492   /*!
 493    * \brief Create a polyline consisting of 1D mesh elements each lying on a 2D element of
 494    *        the initial mesh. Positions of new nodes are found by cutting the mesh by the
 495    *        plane passing through pairs of points specified by each PolySegment structure.
 496    *        If there are several paths connecting a pair of points, the shortest path is
 497    *        selected by the module. Position of the cutting plane is defined by the two
 498    *        points and an optional vector lying on the plane specified by a PolySegment.
 499    *        By default the vector is defined by Mesh module as following. A middle point
 500    *        of the two given points is computed. The middle point is projected to the mesh.
 501    *        The vector goes from the middle point to the projection point. In case of planar
 502    *        mesh, the vector is normal to the mesh.
 503    *  \param [inout] segments - PolySegment's defining positions of cutting planes.
 504    *        Return the used vector and position of the middle point.
 505    *  \param [in] group - an optional group where created mesh segments will
 506    *        be added.
 507    */
 508   // Implemented in ./SMESH_PolyLine.cxx
 509   SMESHUtils_EXPORT
 510   void MakePolyLine( SMDS_Mesh*                            mesh,
 511                      TListOfPolySegments&                  segments,
 512                      std::vector<const SMDS_MeshElement*>& newEdges,
 513                      std::vector<const SMDS_MeshNode*>&    newNodes,
 514                      SMDS_MeshGroup*                       group=0,
 515                      SMESH_ElementSearcher*                searcher=0);
 516
 517   /*!
 518    * Create a slot of given width around given 1D elements lying on a triangle mesh.
 519    * The slot is consrtucted by cutting faces by cylindrical surfaces made around each segment.
 520    * \return Edges located at the slot boundary
 521    */
 522   // Implemented in ./SMESH_Slot.cxx
 523   SMESHUtils_EXPORT
 524   std::vector< Edge > MakeSlot( SMDS_ElemIteratorPtr segmentIt,
 525                                 double               width,
 526                                 SMDS_Mesh*           mesh);
 527
 528 } // namespace SMESH_MeshAlgos
 529
 530 #endif