]> gitweb.michael.orlitzky.com - spline3.git/blobdiff - src/Grid.hs
Define a custom 'Point' type instead of a 3-tuple so that its constructor can be...
[spline3.git] / src / Grid.hs
index e4f3d62b9a661df068ec80e837fc9d7289734ea4..de5f76ac326ff6d4d169125284a3d8a9b7b381a2 100644 (file)
@@ -1,3 +1,4 @@
+{-# LANGUAGE BangPatterns #-}
 -- | The Grid module just contains the Grid type and two constructors
 --   for it. We hide the main Grid constructor because we don't want
 --   to allow instantiation of a grid with h <= 0.
@@ -10,39 +11,38 @@ module Grid (
   )
 where
 
-import Data.Array (Array, array, (!))
 import qualified Data.Array.Repa as R
-import Test.HUnit
+import Test.HUnit (Assertion, assertEqual)
 import Test.Framework (Test, testGroup)
 import Test.Framework.Providers.HUnit (testCase)
 import Test.Framework.Providers.QuickCheck2 (testProperty)
-import Test.QuickCheck (Arbitrary(..), Gen, Positive(..), choose)
-
-import Assertions
-import Comparisons
+import Test.QuickCheck ((==>),
+                        Arbitrary(..),
+                        Gen,
+                        Positive(..),
+                        Property,
+                        choose)
+import Assertions (assertAlmostEqual, assertTrue)
+import Comparisons ((~=))
 import Cube (Cube(Cube),
              find_containing_tetrahedron,
              tetrahedra,
              tetrahedron)
-import Examples
-import FunctionValues
-import Point (Point)
-import ScaleFactor
+import Examples (trilinear, trilinear9x9x9, zeros, naturals_1d)
+import FunctionValues (make_values, value_at)
+import Point (Point(..))
+import ScaleFactor (ScaleFactor)
 import Tetrahedron (Tetrahedron, c, polynomial, v0, v1, v2, v3)
-import ThreeDimensional
+import ThreeDimensional (ThreeDimensional(..))
 import Values (Values3D, dims, empty3d, zoom_shape)
 
 
-type CubeGrid = Array (Int,Int,Int) Cube
-
-
 -- | Our problem is defined on a Grid. The grid size is given by the
 --   positive number h. The function values are the values of the
 --   function at the grid points, which are distance h from one
 --   another in each direction (x,y,z).
 data Grid = Grid { h :: Double, -- MUST BE GREATER THAN ZERO!
-                   function_values :: Values3D,
-                   cube_grid :: CubeGrid }
+                   function_values :: Values3D }
           deriving (Eq, Show)
 
 
@@ -58,46 +58,28 @@ instance Arbitrary Grid where
 make_grid :: Double -> Values3D -> Grid
 make_grid grid_size values
     | grid_size <= 0 = error "grid size must be positive"
-    | otherwise = Grid grid_size values (cubes grid_size values)
-
-
--- | Returns a three-dimensional array of cubes centered on the grid
---   points (h*i, h*j, h*k) with the appropriate 'FunctionValues'.
-cubes :: Double -> Values3D -> CubeGrid
-cubes delta fvs 
-  = array (lbounds, ubounds)
-           [ ((i,j,k), cube_ijk)
-                 | i <- [0..xmax],
-                   j <- [0..ymax],
-                   k <- [0..zmax],
-                   let tet_vol = (1/24)*(delta^(3::Int)),
-                   let fvs' = make_values fvs i j k,
-                   let cube_ijk =
-                         Cube delta i j k fvs' tet_vol]
-     where
-       xmax = xsize - 1
-       ymax = ysize - 1
-       zmax = zsize - 1
-       lbounds = (0, 0, 0)
-       ubounds = (xmax, ymax, zmax)
-       (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+    | otherwise = Grid grid_size values
+
 
 
 -- | Takes a grid and a position as an argument and returns the cube
 --   centered on that position. If there is no cube there (i.e. the
 --   position is outside of the grid), it will throw an error.
 cube_at :: Grid -> Int -> Int -> Int -> Cube
-cube_at g i j k
+cube_at !g !i !j !k
     | i < 0      = error "i < 0 in cube_at"
     | i >= xsize = error "i >= xsize in cube_at"
     | j < 0      = error "j < 0 in cube_at"
     | j >= ysize = error "j >= ysize in cube_at"
     | k < 0      = error "k < 0 in cube_at"
     | k >= zsize = error "k >= zsize in cube_at"
-    | otherwise = (cube_grid g) ! (i,j,k)
+    | otherwise = Cube delta i j k fvs' tet_vol
       where
         fvs = function_values g
         (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+        fvs' = make_values fvs i j k
+        delta = h g
+        tet_vol = (1/24)*(delta^(3::Int))
 
 --   The first cube along any axis covers (-h/2, h/2). The second
 --   covers (h/2, 3h/2).  The third, (3h/2, 5h/2), and so on.
@@ -123,46 +105,43 @@ calculate_containing_cube_coordinate g coord
 --   Since our grid is rectangular, we can figure this out without having
 --   to check every cube.
 find_containing_cube :: Grid -> Point -> Cube
-find_containing_cube g p =
+find_containing_cube g (Point x y z) =
     cube_at g i j k
     where
-      (x, y, z) = p
       i = calculate_containing_cube_coordinate g x
       j = calculate_containing_cube_coordinate g y
       k = calculate_containing_cube_coordinate g z
 
 
-{-# INLINE zoom_lookup #-}
-zoom_lookup :: Grid -> ScaleFactor -> a -> (R.DIM3 -> Double)
-zoom_lookup g scale_factor _ =
-    zoom_result g scale_factor
+zoom_lookup :: Values3D -> ScaleFactor -> a -> (R.DIM3 -> Double)
+zoom_lookup v3d scale_factor _ =
+    zoom_result v3d scale_factor
 
 
-{-# INLINE zoom_result #-}
-zoom_result :: Grid -> ScaleFactor -> R.DIM3 -> Double
-zoom_result g (sfx, sfy, sfz) (R.Z R.:. m R.:. n R.:. o) =
+zoom_result :: Values3D -> ScaleFactor -> R.DIM3 -> Double
+zoom_result v3d (sfx, sfy, sfz) (R.Z R.:. m R.:. n R.:. o) =
   f p
   where
+    g = make_grid 1 v3d
     offset = (h g)/2
     m' = (fromIntegral m) / (fromIntegral sfx) - offset
     n' = (fromIntegral n) / (fromIntegral sfy) - offset
     o' = (fromIntegral o) / (fromIntegral sfz) - offset
-    p  = (m', n', o') :: Point
+    p  = Point m' n' o'
     cube = find_containing_cube g p
     t = find_containing_tetrahedron cube p
     f = polynomial t
-    
-zoom :: Grid -> ScaleFactor -> Values3D
-zoom g scale_factor
+
+
+zoom :: Values3D -> ScaleFactor -> Values3D
+zoom v3d scale_factor
     | xsize == 0 || ysize == 0 || zsize == 0 = empty3d
     | otherwise =
-        R.force $ R.unsafeTraverse arr transExtent (zoom_lookup g scale_factor)
+        R.force $ R.unsafeTraverse v3d transExtent f
           where
-            arr = function_values g
-            (xsize, ysize, zsize) = dims arr
+            (xsize, ysize, zsize) = dims v3d
             transExtent = zoom_shape scale_factor
-
-
+            f = zoom_lookup v3d scale_factor
 
 
 -- | Check all coefficients of tetrahedron0 belonging to the cube
@@ -290,28 +269,29 @@ trilinear_c0_t0_tests =
 
     test_trilinear_f0_t0_v0 :: Assertion
     test_trilinear_f0_t0_v0 =
-      assertEqual "v0 is correct" (v0 t) (1, 1, 1)
+      assertEqual "v0 is correct" (v0 t) (Point 1 1 1)
 
     test_trilinear_f0_t0_v1 :: Assertion
     test_trilinear_f0_t0_v1 =
-      assertEqual "v1 is correct" (v1 t) (0.5, 1, 1)
+      assertEqual "v1 is correct" (v1 t) (Point 0.5 1 1)
 
     test_trilinear_f0_t0_v2 :: Assertion
     test_trilinear_f0_t0_v2 =
-      assertEqual "v2 is correct" (v2 t) (0.5, 0.5, 1.5)
+      assertEqual "v2 is correct" (v2 t) (Point 0.5 0.5 1.5)
 
     test_trilinear_f0_t0_v3 :: Assertion
     test_trilinear_f0_t0_v3 =
-      assertClose "v3 is correct" (v3 t) (0.5, 1.5, 1.5)
+      assertEqual "v3 is correct" (v3 t) (Point 0.5 1.5 1.5)
 
 
 test_trilinear_reproduced :: Assertion
 test_trilinear_reproduced =
     assertTrue "trilinears are reproduced correctly" $
-             and [p (i', j', k') ~= value_at trilinear i j k
+             and [p (Point i' j' k') ~= value_at trilinear i j k
                     | i <- [0..2],
                       j <- [0..2],
                       k <- [0..2],
+                      c0 <- cs,
                       t <- tetrahedra c0,
                       let p = polynomial t,
                       let i' = fromIntegral i,
@@ -319,31 +299,32 @@ test_trilinear_reproduced =
                       let k' = fromIntegral k]
     where
       g = make_grid 1 trilinear
-      c0 = cube_at g 1 1 1
+      cs = [ cube_at g ci cj ck | ci <- [0..2], cj <- [0..2], ck <- [0..2] ]
 
 
 test_zeros_reproduced :: Assertion
 test_zeros_reproduced =
     assertTrue "the zero function is reproduced correctly" $
-             and [p (i', j', k') ~= value_at zeros i j k
+             and [p (Point i' j' k') ~= value_at zeros i j k
                     | i <- [0..2],
                       j <- [0..2],
                       k <- [0..2],
                       let i' = fromIntegral i,
                       let j' = fromIntegral j,
-                      let k' = fromIntegral k]
+                      let k' = fromIntegral k,
+                      c0 <- cs,
+                      t0 <- tetrahedra c0,
+                      let p = polynomial t0 ]
     where
       g = make_grid 1 zeros
-      c0 = cube_at g 1 1 1
-      t0 = tetrahedron c0 0
-      p = polynomial t0
+      cs = [ cube_at g ci cj ck | ci <- [0..2], cj <- [0..2], ck <- [0..2] ]
 
 
 -- | Make sure we can reproduce a 9x9x9 trilinear from the 3x3x3 one.
 test_trilinear9x9x9_reproduced :: Assertion
 test_trilinear9x9x9_reproduced =
     assertTrue "trilinear 9x9x9 is reproduced correctly" $
-      and [p (i', j', k') ~= value_at trilinear9x9x9 i j k
+      and [p (Point i' j' k') ~= value_at trilinear9x9x9 i j k
             | i <- [0..8],
               j <- [0..8],
               k <- [0..8],
@@ -373,7 +354,7 @@ test_tetrahedra_collision_sensitivity =
   where
     g = make_grid 1 naturals_1d
     cube = cube_at g 0 18 0
-    p = (0, 17.5, 0.5) :: Point
+    p = Point 0 17.5 0.5
     t20 = tetrahedron cube 20
 
 
@@ -405,21 +386,127 @@ prop_cube_indices_never_go_out_of_bounds g =
       idx_z <= zsize - 1
 
 
+-- | Given in Sorokina and Zeilfelder, p. 80, (2.9). Note that the
+--   third and fourth indices of c-t10 have been switched. This is
+--   because we store the triangles oriented such that their volume is
+--   positive. If T and T-tilde share \<v1,v2,v3\> and v0,v0-tilde point
+--   in opposite directions, one of them has to have negative volume!
+prop_c0120_identity :: Grid -> Property
+prop_c0120_identity g =
+  and [xsize >= 3, ysize >= 3, zsize >= 3] ==>
+    c t0 0 1 2 0 ~= (c t0 1 0 2 0 + c t10 1 0 0 2) / 2
+  where
+    fvs = function_values g
+    (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+    cube0 = cube_at g 1 1 1
+    cube1 = cube_at g 0 1 1
+    t0 = tetrahedron cube0 0 -- These two tetrahedra share a face.
+    t10 = tetrahedron cube1 10
+
+
+-- | Given in Sorokina and Zeilfelder, p. 80, (2.9). See
+--   'prop_c0120_identity'.
+prop_c0111_identity :: Grid -> Property
+prop_c0111_identity g =
+  and [xsize >= 3, ysize >= 3, zsize >= 3] ==>
+    c t0 0 1 1 1 ~= (c t0 1 0 1 1 + c t10 1 0 1 1) / 2
+  where
+    fvs = function_values g
+    (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+    cube0 = cube_at g 1 1 1
+    cube1 = cube_at g 0 1 1
+    t0 = tetrahedron cube0 0 -- These two tetrahedra share a face.
+    t10 = tetrahedron cube1 10
+
+
+-- | Given in Sorokina and Zeilfelder, p. 80, (2.9). See
+--   'prop_c0120_identity'.
+prop_c0201_identity :: Grid -> Property
+prop_c0201_identity g =
+  and [xsize >= 3, ysize >= 3, zsize >= 3] ==>
+    c t0 0 2 0 1 ~= (c t0 1 1 0 1 + c t10 1 1 1 0) / 2
+  where
+    fvs = function_values g
+    (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+    cube0 = cube_at g 1 1 1
+    cube1 = cube_at g 0 1 1
+    t0 = tetrahedron cube0 0 -- These two tetrahedra share a face.
+    t10 = tetrahedron cube1 10
+
+
+-- | Given in Sorokina and Zeilfelder, p. 80, (2.9). See
+--   'prop_c0120_identity'.
+prop_c0102_identity :: Grid -> Property
+prop_c0102_identity g =
+  and [xsize >= 3, ysize >= 3, zsize >= 3] ==>
+    c t0 0 1 0 2 ~= (c t0 1 0 0 2 + c t10 1 0 2 0) / 2
+  where
+    fvs = function_values g
+    (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+    cube0 = cube_at g 1 1 1
+    cube1 = cube_at g 0 1 1
+    t0 = tetrahedron cube0 0 -- These two tetrahedra share a face.
+    t10 = tetrahedron cube1 10
+
+
+-- | Given in Sorokina and Zeilfelder, p. 80, (2.9). See
+--   'prop_c0120_identity'.
+prop_c0210_identity :: Grid -> Property
+prop_c0210_identity g =
+  and [xsize >= 3, ysize >= 3, zsize >= 3] ==>
+    c t0 0 2 1 0 ~= (c t0 1 1 1 0 + c t10 1 1 0 1) / 2
+  where
+    fvs = function_values g
+    (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+    cube0 = cube_at g 1 1 1
+    cube1 = cube_at g 0 1 1
+    t0 = tetrahedron cube0 0 -- These two tetrahedra share a face.
+    t10 = tetrahedron cube1 10
+
+
+-- | Given in Sorokina and Zeilfelder, p. 80, (2.9). See
+--   'prop_c0120_identity'.
+prop_c0300_identity :: Grid -> Property
+prop_c0300_identity g =
+  and [xsize >= 3, ysize >= 3, zsize >= 3] ==>
+    c t0 0 3 0 0 ~= (c t0 1 2 0 0 + c t10 1 2 0 0) / 2
+  where
+    fvs = function_values g
+    (xsize, ysize, zsize) = dims fvs
+    cube0 = cube_at g 1 1 1
+    cube1 = cube_at g 0 1 1
+    t0 = tetrahedron cube0 0 -- These two tetrahedra share a face.
+    t10 = tetrahedron cube1 10
+
+
+-- | All of the properties from Section (2.9), p. 80. These require a
+--   grid since they refer to two adjacent cubes.
+p80_29_properties :: Test.Framework.Test
+p80_29_properties =
+  testGroup "p. 80, Section (2.9) Properties" [
+    testProperty "c0120 identity" prop_c0120_identity,
+    testProperty "c0111 identity" prop_c0111_identity,
+    testProperty "c0201 identity" prop_c0201_identity,
+    testProperty "c0102 identity" prop_c0102_identity,
+    testProperty "c0210 identity" prop_c0210_identity,
+    testProperty "c0300 identity" prop_c0300_identity ]
+
 
 grid_tests :: Test.Framework.Test
 grid_tests =
     testGroup "Grid Tests" [
       trilinear_c0_t0_tests,
+      p80_29_properties,
       testCase "tetrahedra collision test isn't too sensitive"
-         test_tetrahedra_collision_sensitivity,
-      testCase "trilinear reproduced" test_trilinear_reproduced,
-      testCase "zeros reproduced" test_zeros_reproduced ]
+        test_tetrahedra_collision_sensitivity,
+      testProperty "cube indices within bounds"
+        prop_cube_indices_never_go_out_of_bounds ]
 
 
 -- Do the slow tests last so we can stop paying attention.
 slow_tests :: Test.Framework.Test
 slow_tests =
     testGroup "Slow Tests" [
-      testProperty "cube indices within bounds"
-                   prop_cube_indices_never_go_out_of_bounds,
-      testCase "trilinear9x9x9 reproduced" test_trilinear9x9x9_reproduced ]
+      testCase "trilinear reproduced" test_trilinear_reproduced,
+      testCase "trilinear9x9x9 reproduced" test_trilinear9x9x9_reproduced,
+      testCase "zeros reproduced" test_zeros_reproduced ]