source: GTP/trunk/Lib/Vis/Preprocessing/src/KdTree.h @ 2116

Revision 2116, 14.2 KB checked in by mattausch, 17 years ago (diff)

implemented hashpvs

Line 
1#ifndef _KdTree_H__
2#define _KdTree_H__
3
4#include <functional>
5using namespace std;
6
7#include "Containers.h"
8#include "AxisAlignedBox3.h"
9#include "Ray.h"
10//#include "ObjectPvs.h"
11#include "Viewcell.h"
12#include "VssRay.h"
13//#include "IntersectableWrapper.h"
14#include "gzstream.h"
15
16namespace GtpVisibilityPreprocessor {
17
18class KdNode;
19class KdLeaf;
20class KdInterior;
21class Intersectable;
22class KdIntersectable;
23class Beam;
24class KdTree;
25//class KdViewCell;
26 
27  //  KdTree *SceneKdTree;
28
29// --------------------------------------------------------------
30// Static statistics for kd-tree search
31// --------------------------------------------------------------
32class KdTreeStatistics
33{
34public: 
35  // total number of nodes
36  int nodes;
37  // number of splits along each of the axes
38  int splits[7];
39  // totals number of rays
40  int rays;
41  // total number of query domains
42  int queryDomains;
43  // total number of ray references
44  int rayRefs;
45  // refs in non empty leafs
46  int rayRefsNonZeroQuery;
47  // total number of query references
48  int objectRefs;
49  // nodes with zero queries
50  int zeroQueryNodes;
51  // max depth nodes
52  int maxDepthNodes;
53  // max depth nodes
54  int minCostNodes;
55  // max number of rays per node
56  int maxObjectRefs;
57  // number of dynamically added ray refs
58  int addedRayRefs;
59  // number of dynamically removed ray refs
60  int removedRayRefs;
61 
62  // Constructor
63  KdTreeStatistics() {
64    Reset();
65  }
66
67  int Nodes() const {return nodes;}
68  int Interior() const { return nodes / 2; }
69  int Leaves() const { return (nodes / 2) + 1; }
70
71  void Reset() {
72    nodes = 0;
73    for (int i=0; i<7; i++)
74      splits[i] = 0;
75    rays = queryDomains = 0;
76    rayRefs = rayRefsNonZeroQuery = objectRefs = 0;
77    zeroQueryNodes = 0;
78    maxDepthNodes = 0;
79    minCostNodes = 0;
80    maxObjectRefs = 0;
81    addedRayRefs = removedRayRefs = 0;
82  }
83
84  void
85  Print(ostream &app) const;
86
87  friend ostream &operator<<(ostream &s, const KdTreeStatistics &stat) {
88    stat.Print(s);
89    return s;
90  }
91 
92};
93
94 
95class KdInterior;
96/** Abstract class for kd-tree node */
97class KdNode {
98public:
99 
100  static int sMailId;
101  static int sReservedMailboxes;
102  int mMailbox;
103
104  KdIntersectable *mIntersectable;
105 
106  void Mail() { mMailbox = sMailId; }
107  //static void NewMail() { sMailId ++; }
108  bool Mailed() const { return mMailbox == sMailId; }
109 
110  static void NewMail(const int reserve = 1) {
111                sMailId += sReservedMailboxes;
112                sReservedMailboxes = reserve;
113        }
114        void Mail(const int mailbox) { mMailbox = sMailId + mailbox; }
115        bool Mailed(const int mailbox) const { return mMailbox == sMailId + mailbox; }
116
117  virtual ~KdNode(){};
118  KdNode(KdInterior *parent);
119
120  /** Determines whether this node is a leaf or interior node
121      @return true if leaf
122  */
123  virtual bool IsLeaf() const = 0;
124
125  /** Determines whether this node is the root of the tree
126      @return true if root
127  */
128  virtual bool IsRoot() const {
129    return mParent == NULL;
130  }
131
132  /** Parent of the node - the parent is a little overhead for maintanance of the tree,
133      but allows various optimizations of tree traversal algorithms */
134  KdInterior *mParent;
135  short mDepth;
136  short mPvsTermination;
137};
138
139/** Implementation of the kd-tree interior node */
140class KdInterior : public KdNode {
141
142public:
143   
144  KdInterior(KdInterior *parent):KdNode(parent), mBack(NULL), mFront(NULL) {}
145
146  ~KdInterior();
147
148  /** \sa KdNode::IsLeaf() */
149  virtual bool IsLeaf() const { return false; }
150
151  /** splitting axis */
152  int mAxis;
153  /** splitting position, absolute position within the bounding box of this node */
154  float mPosition;
155  /** bounding box of interior node */
156  AxisAlignedBox3 mBox;
157
158  /** back node */
159  KdNode *mBack;
160  /** front node */
161  KdNode *mFront;
162
163  void SetupChildLinks(KdNode *b, KdNode *f) {
164    mBack = b;
165    mFront = f;
166    b->mParent = f->mParent = this;
167  }
168 
169  void ReplaceChildLink(KdNode *oldChild, KdNode *newChild) {
170    if (mBack == oldChild)
171      mBack = newChild;
172    else
173      mFront = newChild;
174  }
175 
176 
177};
178 
179class SubdivisionCandidate;
180 
181/** Implementation of the kd-tree leaf node */
182class KdLeaf : public KdNode {
183public:
184  KdLeaf(KdInterior *parent, const int objects):
185          KdNode(parent), mViewCell(NULL) {
186    mObjects.reserve(objects);
187  }
188 
189  void AddPassingRay(const Ray &ray, const int contributions) {
190    mPassingRays.AddRay(ray, contributions);
191                //              Debug << "adding passing ray" << endl;
192  }
193
194  ~KdLeaf();
195       
196        void AddPassingRay2(const Ray &ray,
197                                                const int objects,
198                                                const int viewcells
199                                                ) {
200    mPassingRays.AddRay2(ray, objects, viewcells);
201                //              Debug << "adding passing ray" << endl;
202  }
203
204  /** \sa KdNode::IsLeaf() */
205  virtual bool IsLeaf() const { return true; }
206
207
208  /** pointers to occluders contained in this node */
209  ObjectContainer mObjects;
210
211  /** Ray set description of the rays passing through this node */
212  PassingRaySet mPassingRays;
213       
214  /** PVS consisting of visible KdTree nodes */
215  //KdPvs mKdPvs;
216
217  /// pvs of view cells seeing this node.
218  SubdivisionCandidate *mSubdivisionCandidate;
219
220  /// pointer to view cell.
221  KdViewCell *mViewCell;
222
223  VssRayContainer mVssRays;
224
225   /// Objects that are referenced in more than one leaf.
226  ObjectContainer mMultipleObjects;
227
228  /// universal counter
229  int mCounter;
230};
231
232
233/** KdTree for indexing scene entities - occluders/occludees/viewcells */
234class KdTree {
235 
236protected:
237  struct TraversalData
238  { 
239    KdNode *mNode;
240    AxisAlignedBox3 mBox;
241    int mDepth;
242    float mPriority;
243   
244    TraversalData() {}
245
246    TraversalData(KdNode *n, const float p):
247      mNode(n), mPriority(p)
248    {}
249   
250    TraversalData(KdNode *n,
251                   const AxisAlignedBox3 &b,
252                   const int d):
253      mNode(n), mBox(b), mDepth(d) {}
254   
255
256    bool operator<(
257                                   const TraversalData &b) const {
258      KdLeaf *leafa = (KdLeaf *) mNode;
259      KdLeaf *leafb = (KdLeaf *) b.mNode;
260      return
261                leafa->mObjects.size()*mBox.SurfaceArea()
262                <
263                leafb->mObjects.size()*b.mBox.SurfaceArea();
264    }
265
266
267    // comparator for the
268    struct less_priority : public
269    binary_function<const TraversalData, const TraversalData, bool> {
270     
271      bool operator()(const TraversalData a, const TraversalData b) {
272                                return a.mPriority < b.mPriority;
273      }
274     
275    };
276
277  };
278
279 
280
281public:
282
283  enum {SPLIT_OBJECT_MEDIAN,
284        SPLIT_SPATIAL_MEDIAN,
285        SPLIT_SAH};
286 
287  KdTree();
288
289  ~KdTree();
290   
291  /** Insert view cell into the tree */
292  virtual void InsertViewCell(ViewCell *viewCell) {
293    //      mRoot->mViewcells.push_back(viewCell);
294  }
295
296  virtual bool Construct();
297
298  /** Check whether subdivision criteria are met for the given subtree.
299      If not subdivide the leafs of the subtree. The criteria are specified in
300      the environment as well as the subdivision method. By default surface area
301      heuristics is used.
302       
303      @param subtree root of the subtree
304
305      @return true if subdivision was performed, false if subdivision criteria
306      were already met
307  */
308  virtual KdNode *Subdivide(const TraversalData &tdata);
309
310  /** Get the root of the tree */
311  KdNode *GetRoot() const {
312    return mRoot;
313  }
314
315
316  AxisAlignedBox3 GetBox() const { return mBox; }
317
318  int
319  CastRay(
320                  Ray &ray
321                  );
322 
323
324  int
325  CastBeam(
326                   Beam &beam
327                   );
328 
329 
330  /** Casts line segment into tree.
331          @returns intersected view cells.
332  */
333  int CastLineSegment(const Vector3 &origin,
334                                          const Vector3 &termination,
335                                          vector<ViewCell *> &viewcells);
336
337
338  const KdTreeStatistics &GetStatistics() const {
339    return mStat;
340  }
341
342  /** Returns or creates a new intersectable for use in a kd based pvs.
343          The OspTree is responsible for destruction of the intersectable.
344  */
345  KdIntersectable *GetOrCreateKdIntersectable(KdNode *node);
346
347
348  void
349  SetPvsTerminationNodes(
350                                                 const float maxArea);
351 
352  KdNode *
353  GetPvsNode(const Vector3 &point) const;
354 
355
356  void
357  CollectKdObjects(const AxisAlignedBox3 &box,
358                                   ObjectContainer &objects
359                                   );
360
361  void
362  CollectObjects(KdNode *n, ObjectContainer &objects);
363
364  void
365  CollectObjects(const AxisAlignedBox3 &box,
366                                 ObjectContainer &objects);
367
368  void
369  CollectLeaves(vector<KdLeaf *> &leaves);
370       
371  /** If the kd tree is used as view cell container, this
372          methods creates the view cells.
373          @returns the newly created view cells in a view cell container
374  */
375  void
376  CreateAndCollectViewCells(ViewCellContainer &viewCells) const;
377
378  AxisAlignedBox3 GetBox(const KdNode *node) const {
379    KdInterior *parent = node->mParent;
380    if (parent == NULL)
381      return mBox;
382   
383    if (!node->IsLeaf())
384      return ((KdInterior *)node)->mBox;
385   
386    AxisAlignedBox3 box(parent->mBox);
387    if (parent->mFront == node)
388      box.SetMin(parent->mAxis, parent->mPosition);
389    else
390      box.SetMax(parent->mAxis, parent->mPosition);
391    return box;
392  }
393
394  float GetSurfaceArea(const KdNode *node) const {
395        return GetBox(node).SurfaceArea();
396  }
397
398 
399  KdNode *
400  FindRandomNeighbor(KdNode *n,
401                                         bool onlyUnmailed
402                                         );
403 
404  KdNode *
405  KdTree::GetRandomLeaf(const Plane3 &halfspace);
406
407  KdNode *
408  GetRandomLeaf(const bool onlyUnmailed = false);
409
410
411  KdNode *
412  GetNode(const Vector3 &point, const float maxArea) const;
413
414  void GetBoxIntersections(const AxisAlignedBox3 &box,
415                                                   vector<KdLeaf *> &leaves);
416
417  int
418  FindNeighbors(KdNode *n,
419                                vector<KdNode *> &neighbors,
420                                bool onlyUnmailed
421                                );
422
423  int
424  CollectLeafPvs();
425
426  bool ExportBinTree(const string &filename);
427  bool LoadBinTree(const string &filename, ObjectContainer &object);
428
429protected:
430
431  struct RayData {
432    // pointer to the actual ray
433    Ray *ray;
434   
435    // endpoints  - do we need them?
436#if USE_FIXEDPOINT_T
437    short tmin, tmax;
438#else
439    float tmin, tmax;
440#endif
441
442    RayData():ray(NULL) {}
443    RayData(Ray *r):ray(r), tmin(0),
444
445#if USE_FIXEDPOINT_T
446#define FIXEDPOINT_ONE 0x7FFE
447                          //                      tmax(0xFFFF)
448                          tmax(FIXEDPOINT_ONE)
449#else
450      tmax(1.0f)
451#endif
452    {}
453
454    RayData(Ray *r,
455            const float _min,
456            const float _max
457            ):ray(r) {
458      SetTMin(_min);
459      SetTMax(_max);
460    }
461
462    RayData(Ray *r,
463            const short _min,
464            const float _max
465            ):ray(r), tmin(_min) {
466      SetTMax(_max);
467    }
468
469    RayData(Ray *r,
470            const float _min,
471            const short _max
472            ):ray(r), tmax(_max) {
473      SetTMin(_min);
474    }
475
476    friend bool operator<(const RayData &a, const RayData &b) {
477      return a.ray < b.ray;
478    }
479   
480   
481    float ExtrapOrigin(const int axis) const {
482      return ray->GetLoc(axis) + GetTMin()*ray->GetDir(axis);
483    }
484   
485    float ExtrapTermination(const int axis) const {
486      return ray->GetLoc(axis) + GetTMax()*ray->GetDir(axis);
487    }
488   
489#if USE_FIXEDPOINT_T
490    float GetTMin () const { return tmin/(float)(FIXEDPOINT_ONE); }
491    float GetTMax () const { return tmax/(float)(FIXEDPOINT_ONE); }
492
493    void SetTMin (const float t) {
494      tmin = (short) (t*(float)(FIXEDPOINT_ONE));
495    }
496   
497    void SetTMax (const float t) {
498      tmax = (short) (t*(float)(FIXEDPOINT_ONE));
499      tmax++;
500      //      if (tmax!=0xFFFF)
501      //        tmax++;
502    }
503#else
504    float GetTMin () const { return tmin; }
505    float GetTMax () const { return tmax; }
506
507    void SetTMin (const float t) { tmin = t; }
508    void SetTMax (const float t) { tmax = t; }
509#endif
510  };
511
512  struct RayTraversalData {
513    KdNode *mNode;
514    Vector3 mExitPoint;
515    float mMaxT;
516   
517    RayTraversalData() {}
518    RayTraversalData(KdNode *n,
519                     const Vector3 &p,
520                     const float maxt):
521      mNode(n), mExitPoint(p), mMaxT(maxt) {}
522  };
523
524  // --------------------------------------------------------------
525  // For sorting objects
526  // --------------------------------------------------------------
527  struct  SortableEntry
528  {
529    enum {
530      BOX_MIN,
531      BOX_MAX
532    };
533   
534    int type;
535    float value;
536    Intersectable *intersectable;
537   
538    SortableEntry() {}
539    SortableEntry(const int t, const float v, Intersectable *i):type(t),
540                                                                value(v),
541                                                                intersectable(i) {}
542   
543    bool operator<(const SortableEntry &b) const {
544      return value < b.value;
545    }
546   
547  };
548
549  inline static bool iltS(SortableEntry *a, SortableEntry *b)
550  {
551          return a->value < b->value;
552  }
553
554  // reusable array of split candidates
555  vector<SortableEntry *> *splitCandidates;
556
557  float
558  BestCostRatio(
559                KdLeaf *node,
560                const AxisAlignedBox3 &box,
561                const int axis,
562                float &position,
563                int &objectsBack,
564                int &objectsFront
565                );
566
567  void
568  SortSubdivisionCandidates(
569                      KdLeaf *node,
570                      const int axis
571                      );
572
573  void
574  EvaluateLeafStats(const TraversalData &data);
575
576  KdNode *
577  SubdivideNode(
578                KdLeaf *leaf,
579                const AxisAlignedBox3 &box,
580                AxisAlignedBox3 &backBBox,
581                AxisAlignedBox3 &frontBBox
582                );
583
584  bool
585  TerminationCriteriaMet(const KdLeaf *leaf);
586 
587  int
588  SelectPlane(KdLeaf *leaf,
589              const AxisAlignedBox3 &box,
590              float &position
591              );
592
593        /** does some post processing on the objects in the new child leaves.
594        */
595        void ProcessMultipleRefs(KdLeaf *leaf) const;
596
597        void ExportBinLeaf(OUT_STREAM  &stream, KdLeaf *leaf);
598        void ExportBinInterior(OUT_STREAM &stream, KdInterior *interior);
599        KdLeaf *ImportBinLeaf(IN_STREAM &stream, KdInterior *parent, const ObjectContainer &objects);
600        KdInterior *ImportBinInterior(IN_STREAM  &stream, KdInterior *parent);
601        KdNode *LoadNextNode(IN_STREAM  &stream, KdInterior *parent, const ObjectContainer &objects);
602       
603        /** Adds this objects to the kd leaf objects.
604                @warning: Can corrupt the tree
605        */
606        void InsertObjects(KdNode *node, const ObjectContainer &objects);
607
608  int mTermMaxNodes;
609  float mSplitBorder;
610  int mTermMaxDepth;
611  int mTermMinCost;
612  float mMaxCostRatio;
613  float mCt_div_ci;
614  int mSplitMethod;
615  bool mSahUseFaces;
616  /// root of the tree
617  KdNode *mRoot;
618  /// bounding box of the tree root
619  AxisAlignedBox3 mBox;
620  KdTreeStatistics mStat;
621
622public:
623  /// stores the kd node intersectables used for pvs
624  vector<KdIntersectable *> mKdIntersectables;
625 
626};
627
628
629}
630
631#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.