source: XIOS2/trunk/extern/remap/src/polyg.cpp @ 2500

Last change on this file since 2500 was 2500, checked in by ymipsl, 14 months ago

Modification in remaper to fix problems with non convex cells.

YM

File size: 10.3 KB
Line 
1/* utilities related to polygons */
2
3#include <cassert>
4#include <iostream>
5#include "elt.hpp"
6#include "errhandle.hpp"
7
8#include "polyg.hpp"
9
10namespace sphereRemap {
11
12using namespace std;
13
14/* given `N` `vertex`es, `N` `edge`s and `N` `d`s (d for small circles)
15   and `g` the barycentre,
16   this function reverses the order of arrays of `vertex`es, `edge`s and `d`s
17   but only if it is required!
18  (because computing intersection area requires both polygons to have same orientation)
19*/
20
21void orient(int N, Coord *vertex, Coord *edge, double *d, const Coord &g)
22{
23  Coord ga = vertex[0] - g;
24  Coord gb = vertex[1] - g;
25  Coord vertical = crossprod(ga, gb);
26  if (N > 2 && scalarprod(g, vertical) < 0)  // (GAxGB).G
27    switchOrientation(N, vertex, edge, d) ;
28 
29}
30
31void switchOrientation(int N, Coord *vertex, Coord *edge, double *d)
32{
33  for (int i = 0; i < N/2; i++) swap(vertex[i], vertex[N-1-i]);
34
35  for (int i = 0; i < (N-1)/2; i++)
36  {
37    swap(edge[N-2-i], edge[i]);
38    swap(d[i], d[N-2-i]);
39  }
40 
41}
42
43void normals(Coord *x, int n, Coord *a)
44{
45  for (int i = 0; i<n; i++)
46    a[i] = crossprod(x[(i+1)%n], x[i]);
47}
48
49Coord barycentre(const Coord *x, int n)
50{
51  if (n == 0) return ORIGIN;
52  Coord bc = ORIGIN;
53  for (int i = 0; i < n; i++)
54    bc = bc + x[i];
55  /* both distances can be equal down to roundoff when norm(bc) < mashineepsilon
56     which can occur when weighted with tiny area */
57
58  assert(squaredist(bc, proj(bc)) <= squaredist(bc, proj(bc * (-1.0))));
59  //if (squaredist(bc, proj(bc)) > squaredist(bc, proj(bc * (-1.0)))) return proj(bc * (-1.0));
60
61  return proj(bc);
62}
63
64/** computes the barycentre of the area which is the difference
65  of a side ABO of the spherical tetrahedron and of the straight tetrahedron */
66static Coord tetrah_side_diff_centre(Coord a, Coord b)
67{
68  Coord n = crossprod(a,b);
69        double sinc2 = n.x*n.x + n.y*n.y + n.z*n.z;
70  assert(sinc2 < 1.0 + EPS);
71
72        // exact: u = asin(sinc)/sinc - 1; asin(sinc) = geodesic length of arc ab
73  // approx:
74        // double u = sinc2/6. + (3./40.)*sinc2*sinc2;
75
76  // exact 
77  if (sinc2 > 1.0 - EPS) /* if round-off leads to sinc > 1 asin produces NaN */
78    return n * (M_PI_2 - 1);
79  double sinc = sqrt(sinc2);
80        double u = asin(sinc)/sinc - 1;
81
82        return n*u;
83}
84
85/* compute the barycentre as the negative sum of all the barycentres of sides of the tetrahedron */
86Coord gc_normalintegral(const Coord *x, int n)
87{
88  Coord m = barycentre(x, n);
89  Coord bc = crossprod(x[n-1]-m, x[0]-m) + tetrah_side_diff_centre(x[n-1], x[0]);
90  for (int i = 1; i < n; i++)
91    bc = bc + crossprod(x[i-1]-m, x[i]-m) + tetrah_side_diff_centre(x[i-1], x[i]);
92  return bc*0.5;
93}
94
95Coord exact_barycentre(const Coord *x, int n)
96{
97  if (n >= 3)
98  {
99    return  proj(gc_normalintegral(x, n));
100    //return new_barycentre(x,n) ;
101  }
102  else if (n == 0) return ORIGIN;
103  else if (n == 2) return midpoint(x[0], x[1]);
104  else if (n == 1) return x[0];
105}
106
107/* other methode to compute barycenter of spherical polygon
108   for a spherical polygon, the moment is half the sum of (a x b) / ||a x b|| * (angle between a and b)
109   for each pair of consecutive vertices a,b.
110*/ 
111
112Coord new_barycentre(const Coord *x, int n)
113{
114  if (n >= 3)
115  {
116    Coord sum=ORIGIN ;
117    for (int i = 0; i < n; i++)
118    { 
119      sum=sum+crossprod(x[i],x[(i+1)%n])*(1./norm(crossprod(x[i],x[(i+1)%n]))*2.*atan2(norm(x[i]-x[(i+1)%n]),norm(x[i]+x[(i+1)%n]))) ; 
120    }
121    return proj(sum) ; 
122  }
123  else if (n == 0) return ORIGIN;
124  else if (n == 2) return midpoint(x[0], x[1]);
125  else if (n == 1) return x[0];
126}
127
128
129
130Coord sc_gc_moon_normalintegral(Coord a, Coord b, Coord pole)
131{
132  double hemisphere = (a.z > 0) ? 1: -1;
133
134  double lat = hemisphere * (M_PI_2 - acos(a.z));
135  double lon1 = atan2(a.y, a.x);
136  double lon2 = atan2(b.y, b.x);
137  double lon_diff = lon2 - lon1;
138
139  // wraparound at lon=-pi=pi
140  if (lon_diff < -M_PI) lon_diff += 2.0*M_PI;
141  else if (lon_diff > M_PI) lon_diff -= 2.0*M_PI;
142
143  // integral of the normal over the surface bound by great arcs a-pole and b-pole and small arc a-b
144  Coord sc_normalintegral = Coord(0.5*(sin(lon2)-sin(lon1))*(M_PI_2 - lat - 0.5*sin(2.0*lat)),
145                                  0.5*(cos(lon1)-cos(lon2))*(M_PI_2 - lat - 0.5*sin(2.0*lat)),
146                                  hemisphere * lon_diff * 0.25 * (cos(2.0*lat) + 1.0));
147  Coord p = Coord(0,0,hemisphere); // TODO assumes north pole is (0,0,1)
148  Coord t[] = {a, b, p};
149  if (hemisphere < 0) swap(t[0], t[1]);
150  return (sc_normalintegral - gc_normalintegral(t, 3)) * hemisphere;
151}
152
153
154double triarea(const Coord& A, const Coord& B, const Coord& C)
155{
156  double a = ds(B, C);
157  double b = ds(C, A);
158  double c = ds(A, B);
159  double tmp ;
160
161  if (a<b) { tmp=a ; a=b ; b=tmp ; }
162  if (c > a) { tmp=a ; a=c ; c=b, b=tmp;  }
163  else if (c > b) { tmp=c ; c=b ; b=tmp ; }
164 
165  double s = 0.5 * (a + b + c);
166  double t = tan(0.25*(a+(b+c))) * tan(0.25*(c-(a-b))) * tan(0.25*( c + (a-b) )) * tan(0.25*( a + (b - c)));
167  if (t>0) return 4 * atan(sqrt(t));
168  else
169  {
170    std::cout<<"double triarea(const Coord& A, const Coord& B, const Coord& C) : t < 0 !!! t="<<t<<endl ;
171    return 0 ;
172  }
173}
174
175/** Computes area of two two-sided polygon
176   needs to have one small and one great circle, otherwise zero
177   (name origin: lun is moon in french)
178*/
179double alun(double b, double d)
180{
181  double a  = acos(d);
182  assert(b <= 2 * a);
183  double s  = a + 0.5 * b;
184  double t = tan(0.5 * s) * tan(0.5 * (s - a)) * tan(0.5 * (s - a)) * tan(0.5 * (s - b));
185  double r  = sqrt(1 - d*d);
186  double p  = 2 * asin(sin(0.5*b) / r);
187  return p*(1 - d) - 4*atan(sqrt(t));
188}
189
190/**
191  This function returns the area of a spherical element
192that can be composed of great and small circle arcs.
193 The caller must ensure this function is not called when `alun` should be called instaed.
194  This function also sets `gg` to the barycentre of the element.
195  "air" stands for area and  "bar" for barycentre.
196*/
197double airbar(int N, const Coord *x, const Coord *c, double *d, const Coord& pole, Coord& gg)
198{
199  if (N < 3)
200    return 0; /* polygons with less then three vertices have zero area */
201  Coord t[3];
202  t[0] = barycentre(x, N);
203  Coord *g = new Coord[N];
204  double area = 0;
205  Coord gg_exact = gc_normalintegral(x, N);
206  for (int i = 0; i < N; i++)
207  {
208    /* for "spherical circle segment" sum triangular part and "small moon" and => account for small circle */
209    int ii = (i + 1) % N;
210    t[1] = x[i];
211    t[2] = x[ii];
212                double sc=scalarprod(crossprod(t[1] - t[0], t[2] - t[0]), t[0]) ;
213    assert(sc >= -1e-10); // Error: tri a l'env (wrong orientation)
214    double area_gc = triarea(t[0], t[1], t[2]);
215    double area_sc_gc_moon = 0;
216    if (d[i]) /* handle small circle case */
217    {
218      Coord m = midpoint(t[1], t[2]);
219      double mext = scalarprod(m, c[i]) - d[i];
220      char sgl = (mext > 0) ? -1 : 1;
221      area_sc_gc_moon = sgl * alun(arcdist(t[1], t[2]), fabs(scalarprod(t[1], pole)));
222      gg_exact = gg_exact + sc_gc_moon_normalintegral(t[1], t[2], pole);
223    }
224    area += area_gc + area_sc_gc_moon; /* for "spherical circle segment" sum triangular part (at) and "small moon" and => account for small circle */
225    g[i] = barycentre(t, 3) * (area_gc + area_sc_gc_moon);
226  }
227  gg = barycentre(g, N);
228  gg_exact = proj(gg_exact);
229  delete[] g;
230  gg = gg_exact;
231  return area;
232}
233
234double polygonarea(Coord *vertices, int N)
235{
236  assert(N >= 3);
237
238  /* compute polygon area as sum of triangles */
239  Coord centre = barycentre(vertices, N);
240  double area = 0;
241  for (int i = 0; i < N; i++)
242    area += triarea(centre, vertices[i], vertices[(i+1)%N]);
243  return area;
244}
245
246int packedPolygonSize(const Elt& e)
247{
248  return sizeof(e.id) + sizeof(e.src_id) + sizeof(e.x) + sizeof(e.val)  + sizeof(e.given_area)+
249         sizeof(e.n) + e.n*(sizeof(double)+sizeof(Coord));
250}
251
252void packPolygon(const Elt& e, char *buffer, int& pos) 
253{
254  *((GloId *) &(buffer[pos])) = e.id;
255  pos += sizeof(e.id);
256  *((GloId *) &(buffer[pos])) = e.src_id;
257  pos += sizeof(e.src_id);
258
259  *((Coord *) &(buffer[pos])) = e.x;
260  pos += sizeof(e.x);
261
262  *((double*) &(buffer[pos])) = e.val;
263  pos += sizeof(e.val);
264
265  *((double*) &(buffer[pos])) = e.given_area;
266  pos += sizeof(e.val);
267
268  *((int *) & (buffer[pos])) = e.n;
269  pos += sizeof(e.n);
270
271  for (int i = 0; i < e.n; i++)
272  {
273    *((double *) & (buffer[pos])) = e.d[i];
274    pos += sizeof(e.d[i]);
275
276    *((Coord *) &(buffer[pos])) = e.vertex[i];
277    pos += sizeof(e.vertex[i]);
278  } 
279
280}
281
282void unpackPolygon(Elt& e, const char *buffer, int& pos) 
283{
284  e.id = *((GloId *) &(buffer[pos]));
285  pos += sizeof(e.id);
286  e.src_id = *((GloId *) &(buffer[pos]));
287  pos += sizeof(e.src_id);
288
289  e.x = *((Coord *) & (buffer[pos]) );
290  pos += sizeof(e.x);
291
292  e.val = *((double *) & (buffer[pos]));
293  pos += sizeof(double);
294
295  e.given_area = *((double *) & (buffer[pos]));
296  pos += sizeof(double);
297
298  e.n = *((int *) & (buffer[pos]));
299  pos += sizeof(int);
300
301  for (int i = 0; i < e.n; i++)
302  {
303    e.d[i] = *((double *) & (buffer[pos]));
304    pos += sizeof(double);
305
306    e.vertex[i] = *((Coord *) & (buffer[pos]));
307    pos += sizeof(Coord);
308  }
309}
310
311int packIntersectionSize(const Elt& elt) 
312{
313  return elt.is.size() * (2*sizeof(int)+ sizeof(GloId) + 5*sizeof(double));
314}
315
316void packIntersection(const Elt& e, char* buffer,int& pos) 
317{
318  for (list<Polyg *>::const_iterator it = e.is.begin(); it != e.is.end(); ++it)
319  {
320    *((int *) &(buffer[0])) += 1;
321
322    *((int *) &(buffer[pos])) = e.id.ind;
323    pos += sizeof(int);
324
325    *((double *) &(buffer[pos])) = e.area;
326    pos += sizeof(double);
327
328
329    *((GloId *) &(buffer[pos])) = (*it)->id;
330    pos += sizeof(GloId);
331 
332    *((int *) &(buffer[pos])) = (*it)->n;
333    pos += sizeof(int);
334    *((double *) &(buffer[pos])) = (*it)->area;
335    pos += sizeof(double);
336
337    *((Coord *) &(buffer[pos])) = (*it)->x;
338    pos += sizeof(Coord);
339  }
340}
341
342void unpackIntersection(Elt* e, const char* buffer) 
343{
344  int ind;
345  int pos = 0;
346 
347  int n = *((int *) & (buffer[pos]));
348  pos += sizeof(int);
349  for (int i = 0; i < n; i++)
350  {
351    ind = *((int*) &(buffer[pos]));
352    pos+=sizeof(int);
353
354    Elt& elt= e[ind];
355
356    elt.area=*((double *) & (buffer[pos]));
357    pos += sizeof(double);
358
359
360    Polyg *polygon = new Polyg;
361
362    polygon->id =  *((GloId *) & (buffer[pos]));
363    pos += sizeof(GloId);
364
365    polygon->n =  *((int *) & (buffer[pos]));
366    pos += sizeof(int);
367
368    polygon->area =  *((double *) & (buffer[pos]));
369    pos += sizeof(double);
370
371    polygon->x = *((Coord *) & (buffer[pos]));
372    pos += sizeof(Coord);
373
374    elt.is.push_back(polygon);
375  }
376}
377
378}
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.