clouds.cpp

   1 #include "debug.hpp"
   2 #include "simulation.h"
   3 #include "program.hpp"
   4 #include <GL/glew.h>
   5 #include <GLUT/glut.h>
   6 #include <cmath>
   7 #include <cstdio>
   8 #include <cstdlib>
   9 #include <glm/ext.hpp>
  10 #include <glm/glm.hpp>
  11 #include <vector>
  12
  13 #pragma clang diagnostic ignored "-Wdeprecated-declarations"
  14
  15 using namespace std;
  16 using namespace glm;
  17
  18 // calculate continuous distribution
  19 void calcContDist(Clouds *clds);
  20
  21 float w(int i, int j, int k) { return 1; }
  22
  23 const float metaballR = 1;
  24 float metaballField(float r) {
  25   if (r > metaballR)
  26     return 0;
  27   const float a = r / metaballR;
  28   return (-4.f / 9.f * powf(a, 6)) + (17.f / 9.f * powf(a, 4)) -
  29          (22.f / 9.f * powf(a, 2)) + 1;
  30 }
  31
  32 /* const float normalizationFactor = 748.f / 405.f * M_PI * metaballR; */
  33
  34 void calcContDist(Clouds *clds, float t) {
  35   const int i0 = 2, j0 = 2, k0 = 2, t0 = 2;
  36   const float divisor =
  37       1.f / ((2 * t0 + 1) * (2 * k0 + 1) * (2 * j0 + 1) * (2 * i0 + 1));
  38   float sum = 0;
  39   for (int i = 0; i < CLOUD_DIM; i++) {
  40     for (int j = 0; j < CLOUD_DIM; j++) {
  41       for (int k = 0; k < CLOUD_DIM; k++) {
  42
  43         // inner sums
  44         /* for (int tp = -t0, tp < t0; tp++) { */
  45         for (int ip = -i0; ip < i0; ip++) {
  46           for (int jp = -j0; jp < j0; jp++) {
  47             for (int kp = -k0; kp < k0; kp++) {
  48
  49               sum += w(ip, jp, kp) * (float)clds->cld[i + ip][j + jp][k + kp];
  50             }
  51           }
  52         }
  53         /* } */
  54
  55         clds->contDist[i][j][k] = sum / divisor;
  56       }
  57     }
  58   }
  59 }
  60
  61 void checkError() {
  62   if (GLenum e = glGetError()) {
  63     fprintf(stderr, "%s\n", gluErrorString(e));
  64     abort();
  65   }
  66 }
  67
  68 vector<vec4> bbColors;
  69
  70 GLuint bbProg;
  71 GLuint bbVao;
  72
  73 // Here we need to generate n_q textures for different densities of metaballs
  74 // These textures then go on the billboards
  75 // The texture stores attenuation ratio?
  76
  77 #define NQ 1
  78 GLuint bbTexIds[NQ];
  79
  80 // Stores attenuation ratio inside r channel
  81 // Should be highest value at center
  82 void precalculateBillboardTextures() {
  83   float data[32 * 32];
  84   // TODO: properly calculate this instead of whatever this is
  85   for (int j = 0; j < 32; j++)
  86     for (int i = 0; i < 32; i++)
  87       data[i + j * 32] = fmin(1.f, 0.5f + 1.f * (distance(vec2(i, j), vec2(16, 16)) / 16));
  88
  89   glGenTextures(NQ, bbTexIds);
  90
  91   for (int i = 0; i < NQ; i++) {
  92     glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[i]);
  93     checkError();
  94
  95     glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RED, 32, 32, 0, GL_RED, GL_FLOAT, data);
  96     glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D); // required, otherwise texture is blank
  97
  98     checkError();
  99   }
 100 }
 101
 102 struct Metaball {
 103   vec3 pos;
 104   float r;
 105 };
 106 // TODO: why is the x axis flipped??
 107 /* vector<Metaball> metaballs = {{{-0.5, 0.5, 0.5}, 0.25}, */
 108 /*                               {{-0.3, 0.5, 0.3}, 0.25}}; */
 109 vector<Metaball> metaballs = {{{0, 0, 0.5}, 1.f},
 110                               {{0, 0.3, 0.3}, 0.7f}};
 111
 112 Clouds cs;
 113
 114 void calculateMetaballs() {
 115   stepClouds(&cs);
 116   metaballs.clear();
 117   for (int i = 0; i < CLOUD_DIM; i++) {
 118     for (int j = 0; j < CLOUD_DIM; j++) {
 119       for (int k = 0; k < CLOUD_DIM; k++) {
 120         if (cs.cld[i][j][k]) {
 121           /* float x = (float)rand()/(float)(RAND_MAX); */
 122           /* float y = (float)rand()/(float)(RAND_MAX); */
 123           /* float z = (float)rand()/(float)(RAND_MAX); */
 124           /* float r = (float)rand()/(float)(RAND_MAX); */
 125           /* Metaball m = {{x,y, 0.3 + z * 0.5}, r}; */
 126           /* metaballs.push_back(m); */
 127           Metaball m = {{i / (float)CLOUD_DIM, j / (float)CLOUD_DIM, k / (float)CLOUD_DIM},
 128                         1.f / (float)CLOUD_DIM };
 129           m.pos = (m.pos * vec3(2)) - vec3(1);
 130           metaballs.push_back(m);
 131         }
 132       }
 133     }
 134   }
 135   fprintf(stderr, "num metaballs: %lu\n", metaballs.size());
 136 }
 137
 138 vec3 sunPos = {0, 2, 2}, viewPos = {0, 0, 0}, lookPos = {0, 0, 1};
 139 mat4 proj; // projection matrix
 140 mat4 view; // view matrix
 141 float znear = 0.001, zfar = 1000;
 142 float width = 600, height = 400;
 143 float aspect = width / height;
 144
 145 void setProjectionAndViewUniforms(GLuint progId) {
 146   GLuint projLoc = glGetUniformLocation(progId, "projection");
 147   glUniformMatrix4fv(projLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(proj));
 148
 149   GLuint viewLoc = glGetUniformLocation(progId, "view");
 150   glUniformMatrix4fv(viewLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
 151 }
 152
 153 /** Orientates the transformation matrix to face the camera in the view matrix
 154  */
 155 void faceView(mat4 m) {
 156   m[0][0] = view[0][0];
 157   m[0][1] = view[1][0];
 158   m[0][2] = view[2][0];
 159   m[1][0] = view[0][1];
 160   m[1][1] = view[1][1];
 161   m[1][2] = view[2][1];
 162   m[2][0] = view[0][2];
 163   m[2][1] = view[1][2];
 164   m[2][2] = view[2][2];
 165 }
 166
 167 GLuint attenuationTex;
 168
 169 void shadeClouds() {
 170
 171   bbColors.clear();
 172
 173   glDisable(GL_DEPTH_TEST);
 174   // shaderOutput * 0 + buffer * shader alpha
 175   glBlendFunc(GL_ZERO, GL_SRC_ALPHA);
 176   glEnable(GL_BLEND);
 177
 178   // sort by ascending distance from the sun
 179   sort(metaballs.begin(), metaballs.end(), [](Metaball &a, Metaball &b) {
 180     return distance(sunPos, a.pos) < distance(sunPos, b.pos);
 181   });
 182
 183   glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
 184   glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[0]);
 185   glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "tex"), 0);
 186
 187   GLuint modelLoc = glGetUniformLocation(bbProg, "model");
 188
 189   for (auto k : metaballs) {
 190     // place the billboard at the center of k
 191     mat4 model = scale(translate(mat4(1), k.pos), vec3(k.r) * 2.f);
 192
 193     // rotate the billboard so that its normal is oriented to the sun
 194     faceView(model);
 195
 196     glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
 197
 198     // Set the billboard color as RGBA = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0).
 199     vec4 color = {1, 1, 1, 1};
 200     glUniform4fv(glGetUniformLocation(bbProg, "color"), 1,
 201                  glm::value_ptr(color));
 202
 203     // Map the billboard texture with GL_MODULATE.
 204     // i.e. multiply rather than add
 205     // but glTexEnv is for the old fixed function pipeline --
 206     // need to just tell our fragment shader then to modulate
 207     glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "modulate"), 1);
 208
 209     // Render the billboard.
 210     glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
 211
 212     // Read the pixel value corresponding to the center of metaball k.
 213     // 1. First get position in opengl screen space: from [-1,1]
 214     // 2. Normalize to [0,1]
 215     // 3. Multiply by (width * height)
 216     vec2 screenPos = ((vec2(proj * view * model * vec4(0,0,0,1)) + vec2(1)) / vec2(2))
 217                       * vec2(width, height);
 218     vec4 pixel;
 219     glReadPixels(screenPos.x, screenPos.y, 1, 1, GL_RGBA, GL_FLOAT, value_ptr(pixel));
 220     /* fprintf(stderr, "pixel:"); */
 221     /* dump(pixel); */
 222
 223     // Multiply the pixel value by the sunlight color.
 224     vec4 sunColor = {1, 1, 0.9, 1};
 225     pixel *= sunColor;
 226
 227     // Store the color into an array C[k] as the color of the billboard.
 228     bbColors.push_back(pixel);
 229   }
 230
 231   saveFBO();
 232   checkError();
 233 }
 234
 235 void renderObject() {}
 236
 237 void renderClouds() {
 238   // Sort metaballs in descending order from the viewpoint
 239   sort(metaballs.begin(), metaballs.end(), [](Metaball &a, Metaball &b) {
 240     return distance(viewPos, a.pos) > distance(viewPos, b.pos);
 241   });
 242
 243   glDisable(GL_DEPTH_TEST);
 244   glEnable(GL_BLEND);
 245   // shaderOutput * 1 + buffer * shader alpha
 246   glBlendFunc(GL_ONE, GL_SRC_ALPHA);
 247   for (int i = 0; i < metaballs.size(); i++) {
 248     Metaball k = metaballs[i];
 249
 250     GLuint modelLoc = glGetUniformLocation(bbProg, "model");
 251
 252     // Place the billboard at the center of the corresponding metaball n.
 253     mat4 model = scale(translate(mat4(1), k.pos), vec3(k.r) * 2.f);
 254     // Rotate the billboard so that its normal is oriented to the viewpoint.
 255     faceView(model);
 256
 257     glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
 258
 259     // Set the billboard color as C[n].
 260     /* fprintf(stderr, "bbColors[i]: "); */
 261     /* dump(bbColors[i]); */
 262     /* bbColors[i].x = 1 - bbColors[i].x; */
 263     /* bbColors[i].y = 1 - bbColors[i].y; */
 264     /* bbColors[i].z = 1 - bbColors[i].z; */
 265     bbColors[i].w = 1;
 266     glUniform4fv(glGetUniformLocation(bbProg, "color"), 1,
 267                  glm::value_ptr(bbColors[i]));
 268
 269     // Map the billboard texture.
 270     glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
 271     glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[0]);
 272     glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "tex"), 0);
 273
 274     // Don't modulate it -- blend it
 275     glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "modulate"), 0);
 276
 277     // Render the billboard with the blending function.
 278     glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
 279   }
 280 }
 281
 282 void display() {
 283   view = glm::lookAt(sunPos, viewPos, {0, 1, 0});
 284   proj = glm::ortho(1.f * aspect, -1.f * aspect, -1.f, 1.f, znear, zfar);
 285   setProjectionAndViewUniforms(bbProg);
 286
 287   glClearColor(1, 1, 1, 1);
 288   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 289   shadeClouds();
 290
 291   view = glm::lookAt(viewPos, lookPos, {0, 1, 0});
 292   proj = glm::perspective(60.f, aspect, znear, zfar);
 293   setProjectionAndViewUniforms(bbProg);
 294
 295   glClearColor(0.73,1,1,1); // background color
 296   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 297   renderObject();               // render things that aren't clouds
 298   renderClouds();
 299
 300   glutSwapBuffers();
 301 }
 302
 303 void timer(int _) {
 304   /* calculateMetaballs(); */
 305   /* glutPostRedisplay(); */
 306   /* glutTimerFunc(16, timer, 0); */
 307 }
 308
 309 void keyboard(unsigned char key, int x, int y) {
 310         if (key == ' ') {
 311                 calculateMetaballs();
 312                 glutPostRedisplay();
 313         }
 314 }
 315
 316 int main(int argc, char **argv) {
 317   glutInit(&argc, argv);
 318   glutInitDisplayMode(GLUT_DEPTH | GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB |
 319                       GLUT_3_2_CORE_PROFILE);
 320   glutInitWindowSize(width, height);
 321   glutCreateWindow("Clouds");
 322   glutDisplayFunc(display);
 323
 324   glewInit();
 325
 326   Program prog("billboardvert.glsl", "billboardfrag.glsl");
 327
 328   bbProg = prog.progId;
 329   glUseProgram(bbProg);
 330
 331   glGenVertexArrays(1, &bbVao);
 332   glBindVertexArray(bbVao);
 333   GLuint vbos[2];
 334   glGenBuffers(2, vbos);
 335
 336   vector<vec3> poss = {{-1, -1, 0}, {-1, 1, 0}, {1, 1, 0}, {1, -1, 0}};
 337   vector<GLuint> indices = {2, 1, 0, 3, 2, 0};
 338
 339   GLuint posLoc = glGetAttribLocation(bbProg, "vPosition");
 340   glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[0]);
 341   glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, poss.size() * sizeof(glm::vec3), &poss[0],
 342                GL_STATIC_DRAW);
 343   glEnableVertexAttribArray(posLoc);
 344   glVertexAttribPointer(posLoc, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
 345
 346   glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
 347   glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices.size() * sizeof(GLuint),
 348                &indices[0], GL_STATIC_DRAW);
 349
 350   prog.validate();
 351
 352   precalculateBillboardTextures();
 353
 354   initClouds(&cs);
 355   calculateMetaballs();
 356
 357   glGenTextures(1, &attenuationTex);
 358
 359   glutKeyboardFunc(keyboard);
 360   glutTimerFunc(16, timer, 0);
 361
 362   // set up billboard prog
 363
 364   glutMainLoop();
 365
 366   return 0;
 367 }