gctl/lib/io/mesh_io.h

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 * ██║   ██║██║        ██║   ██║
 * ╚██████╔╝╚██████╗   ██║   ███████╗
 *  ╚═════╝  ╚═════╝   ╚═╝   ╚══════╝
 * Geophysical Computational Tools & Library (GCTL)
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 * Copyright (c) 2023  Yi Zhang (yizhang-geo@zju.edu.cn)
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#ifndef _GCTL_MESH_IO_H
#define _GCTL_MESH_IO_H

#include <unordered_set>
#include <map>

#include "../math/refellipsoid.h"
#include "triangle_io.h"
#include "tetgen_io.h"
#include "gmsh_io.h"

namespace gctl
{
    /**
     * @brief 无效的索引缺省值。
     */
    #define DEFAULT_INVALID_TAG -9999

    /**
     * @brief 网格单元体名称枚举类型。
     */
    enum element_type_enum
    {
        NotSet,
        _2NodeLine,
        _3NodeTriangle,
        _4NodeQuadrangle,
        _4NodeTetrahedron,
        _8NodeHexahedron,
        _6NodePrism,
        _5NodePyramid,
        _3NodeSecondOrderLine,
        _6NdoeSecondOrderLine,
        _9NodeSecondOrderQuadrangle,
        _10NodeSecondOrderTetrahedron,
        _27NodeSecondOrderHexahedron,
        _18NodeSecondOrderPrism,
        _14NodeSecondOrderPyramid,
        _1NodePoint,
        _8NodeSecondOrderQuadrangle,
        _20NdoeSecondOrderHexahedron,
        _15NodeSecondOrderPrism,
        _13NodeSecondOrderPyramid,
        _9NodeThirdOrderIncompleteTriangle,
        _10NdoeThirdOrderTriangle,
        _12NodeFourthOrderIncompleteTriangle,
        _15NodeFourthOrderTriangle,
        _15NodeFifthOrderCompleteTriangle,
        _21NodeFifthOrderCompleteTriangle,
        _4NodeThirdOrderEdge,
        _5NodeFourthOrderEdge,
        _6NodeFifthOrderEdge,
        _20NodeThirdOrderTetrahedron,
        _35NodeFourthOrderTetrahedron,
        _56NodeFifithOrderTetrahedron,
        _64NodeThirdOrderHexahedron,
        _125NodeFourthOrderHexahedron,
    };

    /**
     * @brief 网格单元体标签类型枚举类型
     * 
     */
    enum element_tag_enum
    {
        PhysicalTag, // 元素的物理分组标签
        GeometryTag, // 元素的几何分组标签
        PartitionTag, // 元素的剖分分组标签
        NodeTag, // 顶点的标签（仅用于输出顶点标签数据）
    };

    /**
     * @brief 网格单元体结构体
     * 
     */
    struct meshio_element
    {
        bool enabled; // 单元体是否有效
        int id; // 单元体编号
        element_type_enum type; // 单元体类型
        array<vertex3dc*> vert_ptrs; // 顶点指针数组
        array<meshio_element*> neigh_ptrs; // 相邻单元体指针数组

        meshio_element();
    };

    /**
     * @brief 网格数据结构体
     * 
     */
    struct meshio_data
    {
        bool enabled; // 数据体是否有效
        mesh_data_type_e d_type; // 数据类型
        array<std::string> str_tag; // 字符串类型的标签（默认为一个，即为数据的名称）
        array<double> real_tag; // 实数类型的标签（默认为一个，等于0.0）
        array<int> int_tag; // 整数类型的标签（最少三个，最后一个为数据的长度）
        array<void*> tar_ptrs; // 数据连接的对象指针数组 具体类型为vertex3dc*或meshio_element*
        array<double> val; // 数据值（目前仅支持标量数据，后续再添加对矢量数据的支持）

        meshio_data();

        /**
         * @brief 清空数组并重置变量。
         * 
         */
        void clear();

        /**
         * @brief 检查数据体是否合规
         * 
         */
        bool pass_check();
    };

    /**
     * @brief 网格单元体分组结构体。
     * 
     */
    struct meshio_element_group
    {
        bool enabled; // 组是否有效
        element_type_enum type; // 组内单元体类型
        int phys_group; // 物理分组标签
        int geom_group; // 几何分组标签
        int part_group; // 剖分分组标签
        std::string name; // 组名
        std::vector<meshio_element*> elem_ptrs; // 组内单元体指针数组

        meshio_element_group();

        /**
         * @brief 将组内所有单元体设置为有效状态。
         * 
         */
        void enable_elements();

        /**
         * @brief 将组内所有单元体设置为无效状态。
         * 
         */
        void disable_elements();
    };
    
    /**
     * @brief 网格读写类，这个类实现了多种数据格式的网格文件的读写操作。并具备简单的单元体操作功能。
     * 
     */
    class mesh_io
    {
    public:
        mesh_io();
        virtual ~mesh_io();

        /**
         * @brief 重置（清空）网格数据。
         * 
         */
        void reset();

        /**
         * @brief 输出网格数据信息至指定流。
         * 
         * @param ss 指定流（默认为clog）
         */
        void info(std::ostream &ss = std::clog);

        /**
         * @brief 按单元体类型编辑网格单元体组。
         * 
         * @param swt 使能类型（Enable或Disable）
         * @param e_type 单元体类型（缺省值值NotSet，表示对所有单元体组进行操作）。
         */
        void edit_group(switch_type_e swt, element_type_enum e_type = NotSet);

        /**
         * @brief 按单元体组名称编辑网格单元体组。
         * 
         * @param swt 使能类型（Enable或Disable）。
         * @param grp_name 单元体组名称。
         */
        void edit_group(switch_type_e swt, std::string grp_name);

        /**
         * @brief 按单元体组标签编辑网格单元体组。
         * 
         * @param swt 使能类型（Enable或Disable）。
         * @param tag_type 标签类型（PhysicalTag，GeometryTag或者PartitionTag）。
         * @param tag 标签值。
         */
        void edit_group(switch_type_e swt, element_tag_enum tag_type, int tag);

        /**
         * @brief 按单元体组标签编辑网格单元体组的名称。
         * 
         * @param anchor_type 搜索的标签类型（PhysicalTag，GeometryTag或者PartitionTag）。
         * @param anchor_group 搜索的标签值。
         * @param new_name 单元体组的新名称。
         */
        void edit_group(element_tag_enum anchor_type, int anchor_group, std::string new_name);

        /**
         * @brief 按单元体组标签搜索并编辑网格单元体组的标签。
         * 
         * @param anchor_type 搜索的标签类型（PhysicalTag，GeometryTag或者PartitionTag）。
         * @param anchor_group 搜索的标签值
         * @param tar_type 更改的标签类型（PhysicalTag，GeometryTag或者PartitionTag）。
         * @param tar_group 更改的标签值
         */
        void edit_group(element_tag_enum anchor_type, int anchor_group, element_tag_enum tar_type, int tar_group);

        /**
         * @brief 返回指定类型与名称的标签值
         * 
         * @param tag_type 查找的标签类型（PhysicalTag，GeometryTag或者PartitionTag）。
         * @param group_name 查找的元素组名称。
         * @return 标签值
         */
        int group_tag(element_tag_enum tag_type, std::string group_name);

        /**
         * @brief 返回所有顶点数组的引用。
         * 
         * @return 顶点数组的引用。
         */
        const array<vertex3dc> &get_all_nodes();

        /**
         * @brief 返回所有单元体数组的引用。
         * 
         * @return 单元体数组的引用。
         */
        const array<meshio_element> &get_all_elems();

        /**
         * @brief 选择所有符合条件的单元体（注意只会统计有效的单元体组）。
         * 
         * @param e_type 单元体类型（缺省为NotSet，即选择所有单元体类型）。
         */
        void select_elements(element_type_enum e_type = NotSet);

        /**
         * @brief 选择所有符合条件的单元体（注意只会统计有效的单元体组）。
         * 
         * @param tag_type 标签类型。
         * @param tag 标签值。
         */
        void select_elements(element_tag_enum tag_type, int tag);

        /**
         * @brief 选择所有符合条件的单元体（注意只会统计有效的单元体组）。
         * 
         * @param phys_name 单元体组名称
         */
        void select_elements(std::string phys_name);

        /**
         * @brief 选择所有符合条件的单元体（注意只会统计有效的单元体组）。
         * 
         * @param datname 数据名称
         * @param dtype 数据类型
         */
        void select_elements(std::string dat_name, mesh_data_type_e dtype);

        /**
         * @brief 返回已选择的单元体所对应的顶点数量（使用select_elements函数选择）。
         * 
         * @return 顶点数量
         */
        size_t selected_node_size();

        /**
         * @brief 返回已选择的单元体的数量（使用select_elements函数选择）。
         * 
         * @return 单元体数量
         */
        size_t selected_element_size();

        /**
         * @brief 返回已选择的单元体所对应的顶点标签（默认的无效标签为-9999）
         * 
         * @return 整型数组的引用。
         */
        const array<int> &selected_node_tags();

        /**
         * @brief 返回已选择的单元体所对应的元素标签（默认的无效标签为-9999）
         * 
         * @return 整型数组的引用。
         */
        const array<int> &selected_element_tags(element_tag_enum tag_type);

        /**
         * @brief 获取gmsh格式分组表
         * 
         * @param g_groups gmsh格式表
         */
        void get_gmsh_physical_groups(std::vector<gmsh_physical_group> &g_groups);

        /**
         * @brief 将对应标签类型转换为网格数据类型（注意只会转换有效的顶点与单元体的标签）
         * 
         * @param tag_type 标签类型。
         */
        void convert_tags_to_data(element_tag_enum tag_type);

        /**
         * @brief 检查是否存在名为name的数据
         * 
         * @param name 数据名称
         * @param type 数据类型
         * 
         * @return 存在则返回数据索引，不存在则返回-1。
         */
        int if_saved_data(std::string name, mesh_data_type_e type);

        /**
         * @brief 获取数据对象的引用（注意此函数会直接返回数据的引用，注意可能会包含无效的顶点和单元体）
         * 
         * @param name 数据名称
         * @param type 数据类型
         * @return 数据引用 
         */
        meshio_data &get_data(std::string name, mesh_data_type_e type);

        /**
         * @brief 获取数据对象的指针
         * 
         * @param name 数据名称
         * @param type 数据类型
         * @return 数据指针
         */
        meshio_data *get_data_ptr(std::string name, mesh_data_type_e type);

        /**
         * @brief 返回已选择顶点或单元体位置的数据值，会按照已选择顶点或者单元体索引排序。
         * 
         * @param name 数据名称
         * @param type 数据类型
         * 
         * @return 输出的数据数组
         */
        array<double> get_selected_data(std::string name, mesh_data_type_e type);

        /**
         * @brief 添加一个顶点数据对象。数据将依次添加到已选择的顶点位置。
         * 
         * @param data 输入的数据数组，长度与已选择的顶点数据相同。
         * @param name 新建的数据名称。
         * @param dtype 数据类型。
         * @param op 数据的添加方式（OverWrite或Append）。
         */
        void add_data(std::string name, const array<double> &data, 
            mesh_data_type_e dtype, output_type_e op = OverWrite);

        /**
         * @brief 编辑网格数据状态。
         * 
         * @param swt 使能类型（Enable或Disable）
         * @param dataname 数据名称（缺省值为null，表示对所有数据进行操作）。
         */
        void edit_data(switch_type_e swt, std::string dataname = "null");

        /**
         * @brief 读入triangle软件输出的网格剖分文件。
         * 
         * @param filename 文件名（.node和.ele文件必须在同一路径下，.neigh文件不是必须的，文件名不包含后缀名）。
         * @param is_packed 输入文件的索引值是否从0开始。
         */
        void read_triangle_ascii(std::string filename, index_packed_e is_packed = Packed);

        /**
         * @brief 读入tetgen软件输出的网格剖分文件。
         * 
         * @param filename 文件名（.node和.ele文件必须在同一路径下，.neigh文件不是必须的，文件名不包含后缀名）。
         * @param is_packed 输入文件的索引值是否从0开始。
         */
        void read_tetgen_ascii(std::string filename, index_packed_e is_packed = Packed);

        /**
         * @brief 读入Gmsh软件输出的网格剖分文件（只支持v2.2的ASCII文件）。
         * 
         * @param filename 文件名
         * @param is_packed 输入文件的索引值是否从0开始。
         */
        void read_gmsh_v2_ascii(std::string filename, index_packed_e is_packed = NotPacked);

        /**
         * @brief 保存Gmsh软件格式的网格剖分文件（只支持v2.2的ASCII文件）。
         * 
         * @param filename 文件名
         * @param is_packed 输入文件的索引值是否从0开始。
         */
        void save_gmsh_v2_ascii(std::string filename, index_packed_e is_packed = NotPacked);

        /**
         * @brief 保存Paraview软件格式的网格剖分文件
         * 
         * @param filename 文件名
         */
        void save_vtk_legacy_ascii(std::string filename);

        /**
         * @brief 导出数据到点云文件
         * 
         * @param filename 输出文件名
         * @param dataname 数据名称
         * @param out_coor 数据的坐标系（Cartesian或Spherical）
         * @param refr 参考椭球的短半径（out_coor为Cartesian时无效）
         * @param refR 参考椭球的长半径（out_coor为Cartesian时无效）
         */
        void save_data_to_xyz(std::string filename, std::string dataname = "null", coordinate_system_e out_coor = Cartesian, double refr = GCTL_Earth_Radius, double refR = GCTL_Earth_Radius);

        /**
         * @brief 提取所选择的单元体到外部数组。
         * 
         * @tparam T 单元体类型。
         * @param elems 新生成的单元体数组的引用。
         * @param nodes 新生成的顶点数组的引用。
         */
        template <typename T>
        void export_selected_to(array<T> &elems, array<vertex3dc> &nodes);

        /**
         * @brief 提取所选择的单元体到外部数组。
         * 
         * @tparam T 单元体类型。
         * @param elems 新生成的单元体数组的引用。
         * @param nodes 新生成的顶点数组的引用。
         * @param x_id 二维坐标系统的x索引（缺省值为0）。
         * @param y_id 二维坐标系统的y索引（缺省值为1）。
         * 
         * @note 二维坐标系统的索引表示取xyz坐标中的对应项分别赋值给二维坐标的xy值，{0,1}即为xoy平面、
         * {1,0}即为yox平面、{0,2}即为xoz平面、{1,2}即为yoz平面。
         */
        template <typename T>
        void export_selected_to(array<T> &elems, array<vertex2dc> &nodes, int x_id = 0, int y_id = 1);

        /**
         * @brief 导入外部单元体数组。
         * 
         * @tparam T 单元体类型。
         * @param elems 单元体数组。
         * @param nodes 顶点数组。
         */
        template <typename T>
        void import_from(const array<T> &elems, const array<vertex3dc> &nodes);
        
        /**
         * @brief 导入外部单元体数组。
         * 
         * @tparam T 单元体类型。
         * @param elems 单元体数组。
         * @param nodes 顶点数组。
         * @param x_id 二维x坐标到三维坐标系统的索引（缺省值为0）。
         * @param y_id 三维y坐标到三维坐标系统的索引（缺省值为1）。
         * 
         * @note 二维(x,y)坐标映射到三维坐标(x,y,z)，{0,1}表示(x,y)映射至(x,y,0)、
         * {1,0}表示(x,y)映射至(y,x,0)、{0,2}表示(x,y)映射至(x,0,z)、{1,2}表示(x,y)映射至(0,y,z)。
         */
        template <typename T>
        void import_from(const array<T> &elems, const array<vertex2dc> &nodes, int x_id = 0, int y_id = 1);

    protected:
        bool initialized_; // 类型是否已经初始化完成

        // 有效的顶点、单元体和单元体组的数量
        size_t valid_node_size_, valid_elem_size_, valid_group_size_;
        array<vertex3dc> nodes_; // 网格顶点 当顶点索引为无效值时将不会被输出
        array<meshio_element> elems_; // 网格元素
        std::vector<meshio_data> datas_; // 网格数据
        std::vector<meshio_element_group> groups_; // 网格单元体组
        array<int> nodes_tag_; // 顶点标签

        array<int> selected_node_tag_; // 被选择的顶点的标签
        array<int> selected_elem_tag_; // 被选择的单元体的标签
        std::vector<vertex3dc*> selected_nodes_; // 被选择的顶点
        std::vector<meshio_element*> selected_elems_; // 被选择的单元体
        std::vector<meshio_element_group*> selected_groups_; // 被选择的单元体组

        element_type_enum elem_gmshcode2type_[94]; // gmsh的单元体类型数组 数组索引为gmsh的单元体类型码值
        element_type_enum elem_vtkcode2type_[14]; // vtk的单元体类型数组 数组索引为vtk的单元体类型码值
        std::map<element_type_enum, int> elem_type2gmshcode_; // 单元体类型到gmsh类型码值的映射
        std::map<element_type_enum, int> elem_type2vtkcode_; // 单元体类型到vtk类型码值的映射
        std::map<element_type_enum, int> elem_type2size_; // 单元体类型到单元体顶点数量的映射
        std::map<element_type_enum, std::string> elem_type2name_; // 单元体类型到单元体名称的映射

        std::string elem_name(element_type_enum e_type); // 获取单元体名称字符串
        int elem_gmsh_code(element_type_enum e_type); // 获取单元体gmsh类型码值
        int elem_vtk_code(element_type_enum e_type); // 获取单元体vtk类型码值
        int elem_size(element_type_enum e_type); // 获取单元体顶点数量
        element_type_enum elem_gmsh_type(int code); // 获取对应gmsh类型码的单元体类型
        element_type_enum elem_vtk_type(int code); // 获取对应vtk类型码的单元体类型
        void update_indexing(); // 更新索引（对网格的元素进行操作后需调用）
        void sort_groups(); // 对单元体组进行梳理（对网格的元素进行操作后需调用）
        element_type_enum match_type(const std::type_info &tinfo); // 根据type_info返回单元体类型
    };

    template <typename T>
    void gctl::mesh_io::export_selected_to(array<T> &elems, array<vertex3dc> &nodes)
    {
        const std::type_info &tinfo = typeid(T);
        element_type_enum oe_type = match_type(tinfo);

        size_t n = selected_nodes_.size();
        size_t s = selected_elems_.size();
        std::map<int, int> node_map;

        nodes.resize(n);
        for (size_t i = 0; i < n; i++)
        {
            node_map[selected_nodes_[i]->id] = i; // 原网格顶点索引到新网格顶点索引的映射
            nodes[i].id = i;
            nodes[i].x = selected_nodes_[i]->x;
            nodes[i].y = selected_nodes_[i]->y;
            nodes[i].z = selected_nodes_[i]->z;
        }

        int vnum = elem_size(oe_type);
        elems.resize(s);
        for (size_t i = 0; i < s; i++)
        {
            if (selected_elems_[i]->type != oe_type)
                throw gctl::invalid_argument("[gctl::mesh_io::export_to] The selected element is not " + elem_name(oe_type) + ".");

            elems[i].id = i;
            for (size_t v = 0; v < vnum; v++)
                elems[i].vert[v] = nodes.get(node_map[selected_elems_[i]->vert_ptrs[v]->id]);
        }

        node_map.clear();
        return;
    }

    template <typename T>
    void gctl::mesh_io::export_selected_to(array<T> &elems, array<vertex2dc> &nodes, int x_id, int y_id)
    {
        const std::type_info &tinfo = typeid(T);
        element_type_enum oe_type = match_type(tinfo);

        size_t n = selected_nodes_.size();
        size_t s = selected_elems_.size();
        std::map<int, int> node_map;

        nodes.resize(n);
        double xyz_ref[3];
        for (size_t i = 0; i < n; i++)
        {
            node_map[selected_nodes_[i]->id] = i; // 原网格顶点索引到新网格顶点索引的映射
            nodes[i].id = i;

            xyz_ref[0] = selected_nodes_[i]->x;
            xyz_ref[1] = selected_nodes_[i]->y;
            xyz_ref[2] = selected_nodes_[i]->z;
            nodes[i].x = xyz_ref[x_id];
            nodes[i].y = xyz_ref[y_id];
        }

        int vnum = elem_size(oe_type);
        elems.resize(s);
        for (size_t i = 0; i < s; i++)
        {
            if (selected_elems_[i]->type != oe_type)
                throw gctl::invalid_argument("[gctl::mesh_io::export_to] The selected element is not " + elem_name(oe_type) + ".");

            elems[i].id = i;
            for (size_t v = 0; v < vnum; v++)
                elems[i].vert[v] = nodes.get(node_map[selected_elems_[i]->vert_ptrs[v]->id]);
        }

        node_map.clear();
        return;
    }

    template <typename T>
    void gctl::mesh_io::import_from(const array<T> &elems, const array<vertex3dc> &nodes)
    {
        reset(); // 重置网格数据

        const std::type_info &tinfo = typeid(T);
        element_type_enum oe_type = match_type(tinfo);
        int vnum = elem_size(oe_type);

        valid_node_size_ = nodes.size();
        valid_elem_size_ = elems.size();

        nodes_.resize(valid_node_size_);
        selected_nodes_.resize(valid_node_size_);
        for (size_t i = 0; i < valid_node_size_; i++)
        {
            nodes_[i].id = i;
            nodes_[i].x = nodes[i].x;
            nodes_[i].y = nodes[i].y;
            nodes_[i].z = nodes[i].z;
            selected_nodes_[i] = nodes_.get(i);
        }

        elems_.resize(valid_elem_size_);
        selected_elems_.resize(valid_elem_size_);
        for (size_t i = 0; i < valid_elem_size_; i++)
        {
            elems_[i].id = i;
            elems_[i].type = oe_type;

            elems_[i].vert_ptrs.resize(vnum);
            for (size_t v = 0; v < vnum; v++)
            {
                elems_[i].vert_ptrs[v] = nodes_.get(elems[i].vert[v]->id);
            }

            selected_elems_[i] = elems_.get(i);
        }

        // 所有单元体都属于同一个组
        valid_group_size_ = 1;
        groups_.resize(1);
        groups_[0].enabled = true;
        groups_[0].type = oe_type;
        groups_[0].phys_group = 0; // 默认组别为0
        groups_[0].geom_group = 0; // 默认组别为0
        groups_[0].part_group = 3;

        for (size_t i = 0; i < elems_.size(); i++)
        {
            groups_[0].elem_ptrs.push_back(elems_.get(i));
        }

        groups_[0].enable_elements();
        initialized_ = true;

        selected_groups_.resize(1);
        selected_groups_[0] = &groups_[0];
        return;
    }

    template <typename T>
    void gctl::mesh_io::import_from(const array<T> &elems, const array<vertex2dc> &nodes, int x_id, int y_id)
    {
        reset(); // 重置网格数据

        const std::type_info &tinfo = typeid(T);
        element_type_enum oe_type = match_type(tinfo);
        int vnum = elem_size(oe_type);

        valid_node_size_ = nodes.size();
        valid_elem_size_ = elems.size();

        int xyz_ref[3];
        nodes_.resize(valid_node_size_);
        selected_nodes_.resize(valid_node_size_);
        for (size_t i = 0; i < valid_node_size_; i++)
        {
            nodes_[i].id = i;

            xyz_ref[0] = 0.0;
            xyz_ref[1] = 0.0;
            xyz_ref[2] = 0.0;
            xyz_ref[x_id] = nodes[i].x;
            xyz_ref[y_id] = nodes[i].y;

            nodes_[i].x = xyz_ref[0];
            nodes_[i].y = xyz_ref[1];
            nodes_[i].z = xyz_ref[2];

            selected_nodes_[i] = nodes_.get(i);
        }

        elems_.resize(valid_elem_size_);
        selected_elems_.resize(valid_elem_size_);
        for (size_t i = 0; i < valid_elem_size_; i++)
        {
            elems_[i].id = i;
            elems_[i].type = oe_type;

            elems_[i].vert_ptrs.resize(vnum);
            for (size_t v = 0; v < vnum; v++)
            {
                elems_[i].vert_ptrs[v] = nodes_.get(elems[i].vert[v]->id);
            }

            selected_elems_[i] = elems_.get(i);
        }

        // 所有单元体都属于同一个组
        valid_group_size_ = 1;
        groups_.resize(1);
        groups_[0].enabled = true;
        groups_[0].type = oe_type;
        groups_[0].phys_group = 0; // 默认组别为0
        groups_[0].geom_group = 0; // 默认组别为0
        groups_[0].part_group = 3;

        for (size_t i = 0; i < elems_.size(); i++)
        {
            groups_[0].elem_ptrs.push_back(elems_.get(i));
        }

        groups_[0].enable_elements();
        initialized_ = true;

        selected_groups_.resize(1);
        selected_groups_[0] = &groups_[0];
        return;
    }
};

#endif // _GCTL_MESH_IO_H