clouds.cpp

   1 #include "debug.hpp"
   2 #include "program.hpp"
   3 #include <GL/glew.h>
   4 #include <GLUT/glut.h>
   5 #include <cmath>
   6 #include <cstdio>
   7 #include <cstdlib>
   8 #include <glm/ext.hpp>
   9 #include <glm/glm.hpp>
  10 #include <vector>
  11
  12 #pragma clang diagnostic ignored "-Wdeprecated-declarations"
  13
  14 using namespace std;
  15 using namespace glm;
  16
  17 static const int CLOUD_DIM = 16;
  18 struct Clouds {
  19   char cld[CLOUD_DIM][CLOUD_DIM][CLOUD_DIM];
  20   float contDist[CLOUD_DIM][CLOUD_DIM][CLOUD_DIM];
  21 };
  22
  23 // calculate continuous distribution
  24 void calcContDist(Clouds *clds);
  25
  26 float w(int i, int j, int k) { return 1; }
  27
  28 const float metaballR = 1;
  29 float metaballField(float r) {
  30   if (r > metaballR)
  31     return 0;
  32   const float a = r / metaballR;
  33   return (-4.f / 9.f * powf(a, 6)) + (17.f / 9.f * powf(a, 4)) -
  34          (22.f / 9.f * powf(a, 2)) + 1;
  35 }
  36
  37 /* const float normalizationFactor = 748.f / 405.f * M_PI * metaballR; */
  38
  39 void calcContDist(Clouds *clds, float t) {
  40   const int i0 = 2, j0 = 2, k0 = 2, t0 = 2;
  41   const float divisor =
  42       1.f / ((2 * t0 + 1) * (2 * k0 + 1) * (2 * j0 + 1) * (2 * i0 + 1));
  43   float sum = 0;
  44   for (int i = 0; i < CLOUD_DIM; i++) {
  45     for (int j = 0; j < CLOUD_DIM; j++) {
  46       for (int k = 0; k < CLOUD_DIM; k++) {
  47
  48         // inner sums
  49         /* for (int tp = -t0, tp < t0; tp++) { */
  50         for (int ip = -i0; ip < i0; ip++) {
  51           for (int jp = -j0; jp < j0; jp++) {
  52             for (int kp = -k0; kp < k0; kp++) {
  53
  54               sum += w(ip, jp, kp) * (float)clds->cld[i + ip][j + jp][k + kp];
  55             }
  56           }
  57         }
  58         /* } */
  59
  60         clds->contDist[i][j][k] = sum / divisor;
  61       }
  62     }
  63   }
  64 }
  65
  66 void checkError() {
  67   if (GLenum e = glGetError()) {
  68     fprintf(stderr, "%s\n", gluErrorString(e));
  69     abort();
  70   }
  71 }
  72
  73 vector<vec4> bbColors;
  74
  75 GLuint bbProg;
  76 GLuint bbVao;
  77
  78 void calculateMetaballs() {}
  79
  80 // Here we need to generate n_q textures for different densities of metaballs
  81 // These textures then go on the billboards
  82 // The texture stores attenuation ratio?
  83
  84 #define NQ 1
  85 GLuint bbTexIds[NQ];
  86
  87 // Stores attenuation ratio inside r channel
  88 // Should be highest value at center
  89 void precalculateBillboardTextures() {
  90   float data[32 * 32];
  91   // TODO: properly calculate this instead of whatever this is
  92   for (int j = 0; j < 32; j++)
  93     for (int i = 0; i < 32; i++)
  94       data[i + j * 32] = fmin(1.f, 0.3f + 2.f * (distance(vec2(i, j), vec2(16, 16)) / 16));
  95
  96   glGenTextures(NQ, bbTexIds);
  97
  98   for (int i = 0; i < NQ; i++) {
  99     glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[i]);
 100     checkError();
 101
 102     glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RED, 32, 32, 0, GL_RED, GL_FLOAT, data);
 103     glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D); // required, otherwise texture is blank
 104
 105     checkError();
 106   }
 107 }
 108
 109 struct Metaball {
 110   vec3 pos;
 111   float r;
 112 };
 113 // TODO: why is the x axis flipped??
 114 /* vector<Metaball> metaballs = {{{-0.5, 0.5, 0.5}, 0.25}, */
 115 /*                               {{-0.3, 0.5, 0.3}, 0.25}}; */
 116 vector<Metaball> metaballs = {{{0, 0, 0.5}, 1.f},
 117                               {{0, 0.3, 0.3}, 0.7f}};
 118
 119 vec3 sunPos = {0, 2, 2}, viewPos = {0, 0, 0}, lookPos = {0, 0, 1};
 120 mat4 proj; // projection matrix
 121 mat4 view; // view matrix
 122 float znear = 0.001, zfar = 1000;
 123 float width = 600, height = 400;
 124 float aspect = width / height;
 125
 126 void setProjectionAndViewUniforms(GLuint progId) {
 127   GLuint projLoc = glGetUniformLocation(progId, "projection");
 128   glUniformMatrix4fv(projLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(proj));
 129
 130   GLuint viewLoc = glGetUniformLocation(progId, "view");
 131   glUniformMatrix4fv(viewLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
 132 }
 133
 134 /** Orientates the transformation matrix to face the camera in the view matrix
 135  */
 136 void faceView(mat4 m) {
 137   m[0][0] = view[0][0];
 138   m[0][1] = view[1][0];
 139   m[0][2] = view[2][0];
 140   m[1][0] = view[0][1];
 141   m[1][1] = view[1][1];
 142   m[1][2] = view[2][1];
 143   m[2][0] = view[0][2];
 144   m[2][1] = view[1][2];
 145   m[2][2] = view[2][2];
 146 }
 147
 148 GLuint attenuationTex;
 149
 150 void shadeClouds() {
 151
 152   bbColors.clear();
 153
 154   glDisable(GL_DEPTH_TEST);
 155   // shaderOutput * 0 + buffer * shader alpha
 156   glBlendFunc(GL_ZERO, GL_SRC_ALPHA);
 157   glEnable(GL_BLEND);
 158
 159   // sort by ascending distance from the sun
 160   sort(metaballs.begin(), metaballs.end(), [](Metaball &a, Metaball &b) {
 161     return distance(sunPos, a.pos) < distance(sunPos, b.pos);
 162   });
 163
 164   glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
 165   glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[0]);
 166   glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "tex"), 0);
 167
 168   GLuint modelLoc = glGetUniformLocation(bbProg, "model");
 169
 170   for (auto k : metaballs) {
 171     // place the billboard at the center of k
 172     mat4 model = scale(translate(mat4(1), k.pos), vec3(k.r) * 2.f);
 173
 174     // rotate the billboard so that its normal is oriented to the sun
 175     faceView(model);
 176
 177     glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
 178
 179     // Set the billboard color as RGBA = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0).
 180     vec4 color = {1, 1, 1, 1};
 181     glUniform4fv(glGetUniformLocation(bbProg, "color"), 1,
 182                  glm::value_ptr(color));
 183
 184     // Map the billboard texture with GL_MODULATE.
 185     // i.e. multiply rather than add
 186     // but glTexEnv is for the old fixed function pipeline --
 187     // need to just tell our fragment shader then to modulate
 188     glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "modulate"), 1);
 189
 190     // Render the billboard.
 191     glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
 192
 193     // Read the pixel value corresponding to the center of metaball k.
 194     // 1. First get position in opengl screen space: from [-1,1]
 195     // 2. Normalize to [0,1]
 196     // 3. Multiply by (width * height)
 197     vec2 screenPos = ((vec2(proj * view * model * vec4(0,0,0,1)) + vec2(1)) / vec2(2))
 198                       * vec2(width, height);
 199     vec4 pixel;
 200     glReadPixels(screenPos.x, screenPos.y, 1, 1, GL_RGBA, GL_FLOAT, value_ptr(pixel));
 201
 202     // Multiply the pixel value by the sunlight color.
 203     vec4 sunColor = {1, 1, 0.9, 1};
 204     pixel *= sunColor;
 205
 206     // Store the color into an array C[k] as the color of the billboard.
 207     bbColors.push_back(pixel);
 208   }
 209
 210   saveFBO();
 211   checkError();
 212 }
 213
 214 void renderObject() {}
 215
 216 void renderClouds() {
 217   // Sort metaballs in descending order from the viewpoint
 218   sort(metaballs.begin(), metaballs.end(), [](Metaball &a, Metaball &b) {
 219     return distance(viewPos, a.pos) > distance(viewPos, b.pos);
 220   });
 221
 222   glDisable(GL_DEPTH_TEST);
 223   glEnable(GL_BLEND);
 224   // shaderOutput * 1 + buffer * shader alpha
 225   glBlendFunc(GL_ONE, GL_SRC_ALPHA);
 226   for (int i = 0; i < metaballs.size(); i++) {
 227     Metaball k = metaballs[i];
 228
 229     GLuint modelLoc = glGetUniformLocation(bbProg, "model");
 230
 231     // Place the billboard at the center of the corresponding metaball n.
 232     mat4 model = scale(translate(mat4(1), k.pos), vec3(k.r) * 2.f);
 233     // Rotate the billboard so that its normal is oriented to the viewpoint.
 234     faceView(model);
 235
 236     glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
 237
 238     // Set the billboard color as C[n].
 239     fprintf(stderr, "bbColors[i]: ");
 240     dump(bbColors[i]);
 241     bbColors[i].w = 1;
 242     glUniform4fv(glGetUniformLocation(bbProg, "color"), 1,
 243                  glm::value_ptr(bbColors[i]));
 244
 245     // Map the billboard texture.
 246     glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
 247     glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[0]);
 248     glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "tex"), 0);
 249
 250     // Don't modulate it -- blend it
 251     glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "modulate"), 0);
 252
 253     // Render the billboard with the blending function.
 254     glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
 255   }
 256 }
 257
 258 void display() {
 259   view = glm::lookAt(sunPos, viewPos, {0, 1, 0});
 260   proj = glm::ortho(1.f * aspect, -1.f * aspect, -1.f, 1.f, znear, zfar);
 261   setProjectionAndViewUniforms(bbProg);
 262
 263   glClearColor(1, 1, 1, 1);
 264   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 265   shadeClouds();
 266
 267   view = glm::lookAt(viewPos, lookPos, {0, 1, 0});
 268   proj = glm::perspective(60.f, aspect, znear, zfar);
 269   setProjectionAndViewUniforms(bbProg);
 270
 271   glClearColor(0.73,1,1,1); // background color
 272   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 273   renderObject();               // render things that aren't clouds
 274   renderClouds();
 275
 276   glutSwapBuffers();
 277 }
 278
 279 int main(int argc, char **argv) {
 280   glutInit(&argc, argv);
 281   glutInitDisplayMode(GLUT_DEPTH | GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB |
 282                       GLUT_3_2_CORE_PROFILE);
 283   glutInitWindowSize(width, height);
 284   glutCreateWindow("Clouds");
 285   glutDisplayFunc(display);
 286
 287   glewInit();
 288
 289   Program prog("billboardvert.glsl", "billboardfrag.glsl");
 290
 291   bbProg = prog.progId;
 292   glUseProgram(bbProg);
 293
 294   glGenVertexArrays(1, &bbVao);
 295   glBindVertexArray(bbVao);
 296   GLuint vbos[2];
 297   glGenBuffers(2, vbos);
 298
 299   vector<vec3> poss = {{-1, -1, 0}, {-1, 1, 0}, {1, 1, 0}, {1, -1, 0}};
 300   vector<GLuint> indices = {2, 1, 0, 3, 2, 0};
 301
 302   GLuint posLoc = glGetAttribLocation(bbProg, "vPosition");
 303   glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[0]);
 304   glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, poss.size() * sizeof(glm::vec3), &poss[0],
 305                GL_STATIC_DRAW);
 306   glEnableVertexAttribArray(posLoc);
 307   glVertexAttribPointer(posLoc, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
 308
 309   glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
 310   glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices.size() * sizeof(GLuint),
 311                &indices[0], GL_STATIC_DRAW);
 312
 313   prog.validate();
 314
 315   precalculateBillboardTextures();
 316
 317   calculateMetaballs();
 318
 319   glGenTextures(1, &attenuationTex);
 320
 321   /* glutTimerFunc(16, timer, 0); */
 322
 323   // set up billboard prog
 324
 325   glutMainLoop();
 326
 327   return 0;
 328 }