Fix ellipsoids in simulation
[clouds.git] / clouds.cpp
index 7bb51e854e61c39ba8adaf1be51d15525758d70f..baabcba703d4aca0e44e80f142e7eb97a82ed1c7 100644 (file)
@@ -1,32 +1,32 @@
 #include "debug.hpp"
 #include "program.hpp"
+#include "simulation.h"
 #include <GL/glew.h>
 #include <GLUT/glut.h>
+#include <array>
 #include <cmath>
 #include <cstdio>
 #include <cstdlib>
 #include <glm/ext.hpp>
 #include <glm/glm.hpp>
+#include <sys/stat.h>
 #include <vector>
 
 #pragma clang diagnostic ignored "-Wdeprecated-declarations"
 
-using namespace std;
-using namespace glm;
-
-static const int CLOUD_DIM = 16;
-struct Clouds {
-  char cld[CLOUD_DIM][CLOUD_DIM][CLOUD_DIM];
-  float contDist[CLOUD_DIM][CLOUD_DIM][CLOUD_DIM];
+enum Mode {
+  render,
+  debugContDist,
+  debugProbExt,
+  debugProbAct
 };
+Mode curMode = render;
 
-// calculate continuous distribution
-void calcContDist(Clouds *clds);
-
-float w(int i, int j, int k) { return 1; }
+using namespace std;
+using namespace glm;
 
-const float metaballR = 1;
-float metaballField(float r) {
+const float metaballR = 1.5f;
+inline float metaballField(float r) {
   if (r > metaballR)
     return 0;
   const float a = r / metaballR;
@@ -34,34 +34,7 @@ float metaballField(float r) {
          (22.f / 9.f * powf(a, 2)) + 1;
 }
 
-/* const float normalizationFactor = 748.f / 405.f * M_PI * metaballR; */
-
-void calcContDist(Clouds *clds, float t) {
-  const int i0 = 2, j0 = 2, k0 = 2, t0 = 2;
-  const float divisor =
-      1.f / ((2 * t0 + 1) * (2 * k0 + 1) * (2 * j0 + 1) * (2 * i0 + 1));
-  float sum = 0;
-  for (int i = 0; i < CLOUD_DIM; i++) {
-    for (int j = 0; j < CLOUD_DIM; j++) {
-      for (int k = 0; k < CLOUD_DIM; k++) {
-
-        // inner sums
-        /* for (int tp = -t0, tp < t0; tp++) { */
-        for (int ip = -i0; ip < i0; ip++) {
-          for (int jp = -j0; jp < j0; jp++) {
-            for (int kp = -k0; kp < k0; kp++) {
-
-              sum += w(ip, jp, kp) * (float)clds->cld[i + ip][j + jp][k + kp];
-            }
-          }
-        }
-        /* } */
-
-        clds->contDist[i][j][k] = sum / divisor;
-      }
-    }
-  }
-}
+const float normalizationFactor = 748.f / 405.f * M_PI * metaballR;
 
 void checkError() {
   if (GLenum e = glGetError()) {
@@ -70,53 +43,91 @@ void checkError() {
   }
 }
 
-vector<vec4> bbColors;
-
 GLuint bbProg;
 GLuint bbVao;
 
-void calculateMetaballs() {}
-
 // Here we need to generate n_q textures for different densities of metaballs
 // These textures then go on the billboards
 // The texture stores attenuation ratio?
 
-#define NQ 1
+#define NQ 64
 GLuint bbTexIds[NQ];
 
+// Stores attenuation ratio inside r channel
+// Should be highest value at center
 void precalculateBillboardTextures() {
+  fprintf(stderr, "Calculating billboard textures...\n");
+  glGenTextures(NQ, bbTexIds);
+
+  for (int d = 0; d < NQ; d++) {
     float data[32 * 32];
+    for (int j = 0; j < 32; j++) {
+      for (int i = 0; i < 32; i++) {
         // TODO: properly calculate this instead of whatever this is
-  for (int j = 0; j < 32; j++)
-    for (int i = 0; i < 32; i++)
-      data[i + j * 32] = fmin(1.f, 0.1f + 2.f * (distance(vec2(i, j), vec2(16, 16)) / 16));
+        float r = distance(vec2(i, j), vec2(16, 16)) / 16;
+        float density = (float)d / NQ;
+        data[i + j * 32] =
+            1 - (density * metaballField(r) / normalizationFactor);
+      }
+    }
 
-  glGenTextures(NQ, bbTexIds);
+    mkdir("bbtex", 0777);
+    char path[32];
+    snprintf(path, 32, "bbtex/%i.tga", d);
+    saveGrayscale(data, 32, 32, path);
+
+    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[d]);
+    checkError();
 
-  /* GLuint captureFBO; */
-  /* glGenFramebuffers(1, &captureFBO); */
-  for (int i = 0; i < NQ; i++) {
-    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[i]);
-    /* glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_R32F, 32, 32, 0, GL_RED, */
-    /*              GL_FLOAT, data); */
     glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RED, 32, 32, 0, GL_RED, GL_FLOAT, data);
     glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D); // required, otherwise texture is blank
 
     checkError();
+
+    fprintf(stderr, "\r%i out of %i densities calculated%s", d + 1, NQ,
+            d == NQ - 1 ? "\n" : "");
   }
 }
 
 struct Metaball {
   vec3 pos;
-  float r;
+  ivec3 coords;
+  /** Radius, density */
+  float r, d;
+  vec4 col;
 };
-// TODO: why is the x axis flipped??
-/* vector<Metaball> metaballs = {{{-0.5, 0.5, 0.5}, 0.25}, */
-/*                               {{-0.3, 0.5, 0.3}, 0.25}}; */
-vector<Metaball> metaballs = {{{0, 0, 0.5}, 1.f},
-                              {{0, 0.3, 0.3}, 0.7f}};
 
-vec3 sunPos = {0, 2, 2}, viewPos = {0, 0, 0}, lookPos = {0, 0, 1};
+array<Metaball, CLOUD_DIM * CLOUD_DIM * CLOUD_DIM> metaballs;
+
+Clouds cs;
+
+void calculateMetaballs() {
+  stepClouds(&cs);
+  /* for (int i = 0; i < 256; i++) { */
+  /*   float x = ((float)rand()/(float)(RAND_MAX) - 0.5) * 2; */
+  /*   float y = ((float)rand()/(float)(RAND_MAX) - 0.5) * 2; */
+  /*   float z = ((float)rand()/(float)(RAND_MAX) - 0.5) * 2; */
+  /*   float r = (float)rand()/(float)(RAND_MAX) * 1; */
+  /*   Metaball m = {{x,y,z}, r}; */
+  /*   metaballs.push_back(m); */
+  /* } */
+  for (int i = 0; i < CLOUD_DIM; i++) {
+    for (int j = 0; j < CLOUD_DIM; j++) {
+      for (int k = 0; k < CLOUD_DIM; k++) {
+        Metaball m = {
+            {i / (float)CLOUD_DIM, j / (float)CLOUD_DIM, k / (float)CLOUD_DIM},
+            {i, j, k},
+            1.f / (float)CLOUD_DIM};
+        m.pos = (m.pos * vec3(2)) - vec3(1);
+        m.d = cs.q[i][j][k];
+        metaballs[i * CLOUD_DIM * CLOUD_DIM + j * CLOUD_DIM + k] = m;
+      }
+    }
+  }
+}
+
+vec3 sunPos = {0, 2, 2}, sunDir = {0, -1, -1};
+vec3 camPos = {0, 0, -5}, viewPos = {0, 0, 0};
 mat4 proj; // projection matrix
 mat4 view; // view matrix
 float znear = 0.001, zfar = 1000;
@@ -133,7 +144,7 @@ void setProjectionAndViewUniforms(GLuint progId) {
 
 /** Orientates the transformation matrix to face the camera in the view matrix
  */
-void faceView(mat4 m) {
+mat4 faceView(mat4 m) {
   m[0][0] = view[0][0];
   m[0][1] = view[1][0];
   m[0][2] = view[2][0];
@@ -143,15 +154,14 @@ void faceView(mat4 m) {
   m[2][0] = view[0][2];
   m[2][1] = view[1][2];
   m[2][2] = view[2][2];
+  return m;
 }
 
 GLuint attenuationTex;
 
 void shadeClouds() {
-
-  bbColors.clear();
-
   glDisable(GL_DEPTH_TEST);
+  // shaderOutput * 0 + buffer * shader alpha
   glBlendFunc(GL_ZERO, GL_SRC_ALPHA);
   glEnable(GL_BLEND);
 
@@ -159,32 +169,18 @@ void shadeClouds() {
   sort(metaballs.begin(), metaballs.end(), [](Metaball &a, Metaball &b) {
     return distance(sunPos, a.pos) < distance(sunPos, b.pos);
   });
-  /* GLuint fbo; */
-  /* glGenFramebuffers(1, &fbo); */
-  /* glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo); */
-  /* glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, attenuationTex); */
-  /* glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, */
-  /*              GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); */
-  /* glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, */
-  /*                        attenuationTex, 0); */
-  /* assert(glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) == GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE); */
 
   glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
-  glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[0]);
   glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "tex"), 0);
 
-/*   glClearColor(1, 1, 1, 1); */
-/*   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); */
-
-
   GLuint modelLoc = glGetUniformLocation(bbProg, "model");
 
-  for (auto k : metaballs) {
+  for (auto &k : metaballs) {
     // place the billboard at the center of k
     mat4 model = scale(translate(mat4(1), k.pos), vec3(k.r) * 2.f);
 
     // rotate the billboard so that its normal is oriented to the sun
-    faceView(model);
+    model = faceView(model);
 
     glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
 
@@ -195,8 +191,11 @@ void shadeClouds() {
 
     // Map the billboard texture with GL_MODULATE.
     // i.e. multiply rather than add
-    // TODO: FIX- this crashes with invalid operation
-    /* glTexEnvi(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_MODULATE); */
+    // but glTexEnv is for the old fixed function pipeline --
+    // need to just tell our fragment shader then to modulate
+    int dIdx = k.d * NQ;
+    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[dIdx]);
+    glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "modulate"), 1);
 
     // Render the billboard.
     glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
@@ -205,26 +204,24 @@ void shadeClouds() {
     // 1. First get position in opengl screen space: from [-1,1]
     // 2. Normalize to [0,1]
     // 3. Multiply by (width * height)
-    vec2 screenPos = ((vec2(proj * view * model * vec4(0,0,0,1)) + vec2(1)) / vec2(2))
-                      * vec2(width, height);
+    vec2 screenPos =
+        ((vec2(proj * view * model * vec4(0, 0, 0, 1)) + vec2(1)) / vec2(2)) *
+        vec2(width, height);
     vec4 pixel;
-    glReadPixels(screenPos.x, screenPos.y, 1, 1, GL_RGBA, GL_FLOAT, value_ptr(pixel));
+    // TODO: This is a huge bottleneck
+    glReadPixels(screenPos.x, screenPos.y, 1, 1, GL_RGBA, GL_FLOAT,
+                 value_ptr(pixel));
 
     // Multiply the pixel value by the sunlight color.
     vec4 sunColor = {1, 1, 0.9, 1};
     pixel *= sunColor;
 
     // Store the color into an array C[k] as the color of the billboard.
-    fprintf(stderr, "pixel: ");
-    dump(pixel);
-    bbColors.push_back(pixel);
+    k.col = pixel;
   }
 
-  /* saveFBO(); */
+  saveFBO();
   checkError();
-
-  /* glDeleteFramebuffers(1, &fbo); */
-  /* glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0); // render to screen */
 }
 
 void renderObject() {}
@@ -232,12 +229,19 @@ void renderObject() {}
 void renderClouds() {
   // Sort metaballs in descending order from the viewpoint
   sort(metaballs.begin(), metaballs.end(), [](Metaball &a, Metaball &b) {
-    return distance(viewPos, a.pos) > distance(viewPos, b.pos);
+    return distance(camPos, a.pos) > distance(camPos, b.pos);
   });
 
+  glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "debug"), curMode != render);
+
   glDisable(GL_DEPTH_TEST);
   glEnable(GL_BLEND);
+  // shaderOutput * 1 + buffer * shader alpha
   glBlendFunc(GL_ONE, GL_SRC_ALPHA);
+
+  glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
+  glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "tex"), 0);
+
   for (int i = 0; i < metaballs.size(); i++) {
     Metaball k = metaballs[i];
 
@@ -246,41 +250,57 @@ void renderClouds() {
     // Place the billboard at the center of the corresponding metaball n.
     mat4 model = scale(translate(mat4(1), k.pos), vec3(k.r) * 2.f);
     // Rotate the billboard so that its normal is oriented to the viewpoint.
-    faceView(model);
+    model = faceView(model);
 
     glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
 
     // Set the billboard color as C[n].
-    fprintf(stderr, "bbColors[i]: ");
-    dump(bbColors[i]);
-    /* bbColors[i] = {0,0,0,0.5}; */
+    k.col.w = 1;
     glUniform4fv(glGetUniformLocation(bbProg, "color"), 1,
-                 glm::value_ptr(bbColors[i]));
+                 glm::value_ptr(k.col));
 
     // Map the billboard texture.
-    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
-    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[0]);
-    glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "tex"), 0);
+    int dIdx = k.d * NQ;
+    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bbTexIds[dIdx]);
+
+    // Don't modulate it -- blend it
+    glUniform1i(glGetUniformLocation(bbProg, "modulate"), 0);
+
+    if (curMode != render) {
+      float debugVal = 0;
+      if (curMode == debugContDist) debugVal = k.d;
+      else if (curMode == debugProbAct) debugVal = cs.p_act[k.coords.x][k.coords.y][k.coords.z];
+      else if (curMode == debugProbExt) debugVal = cs.p_ext[k.coords.x][k.coords.y][k.coords.z];
+      glUniform1f(glGetUniformLocation(bbProg, "debugVal"), debugVal);
+      glDisable(GL_BLEND);
+      model = scale(model, vec3(0.02));
+      glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
+    }
 
     // Render the billboard with the blending function.
     glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
   }
 }
 
+bool needsReshading = true;
 void display() {
-  view = glm::lookAt(sunPos, viewPos, {0, 1, 0});
+  if (needsReshading) {
+    // TODO: find a way to make sure there's no clipping
+    view = glm::lookAt(sunPos + sunDir * vec3(20), sunPos, {0, 1, 0});
     proj = glm::ortho(1.f * aspect, -1.f * aspect, -1.f, 1.f, znear, zfar);
     setProjectionAndViewUniforms(bbProg);
 
     glClearColor(1, 1, 1, 1);
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
     shadeClouds();
+    needsReshading = false;
+  }
 
-  view = glm::lookAt(viewPos, lookPos, {0, 1, 0});
-  proj = glm::perspective(60.f, aspect, znear, zfar);
+  view = glm::lookAt(camPos, viewPos, {0, 1, 0});
+  proj = glm::perspective(45.f, aspect, znear, zfar);
   setProjectionAndViewUniforms(bbProg);
 
-  glClearColor(0.73,1,1,1); // background color
+  glClearColor(0.83, 1, 1, 1); // background color
   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
   renderObject(); // render things that aren't clouds
   renderClouds();
@@ -288,6 +308,66 @@ void display() {
   glutSwapBuffers();
 }
 
+bool needsRedisplay = false;
+void timer(int _) {
+  /* calculateMetaballs(); */
+  if (needsRedisplay) {
+    glutPostRedisplay();
+  }
+  needsRedisplay = false;
+  glutTimerFunc(16, timer, 0);
+}
+
+void keyboard(unsigned char key, int x, int y) {
+  if (key == ' ') {
+    calculateMetaballs();
+    needsRedisplay = true;
+    needsReshading = true;
+  }
+  if (key == '0') {
+    curMode = render;
+    needsRedisplay = true;
+  }
+  if (key == '1') {
+    curMode = debugContDist;
+    needsRedisplay = true;
+  }
+  if (key == '2') {
+    curMode = debugProbAct;
+    needsRedisplay = true;
+  }
+  if (key == '3') {
+    curMode = debugProbExt;
+    needsRedisplay = true;
+  }
+}
+
+int prevMouseX, prevMouseY;
+bool firstMouse = true;
+void motion(int x, int y) {
+  if (firstMouse) {
+    prevMouseX = x;
+    prevMouseY = y;
+    firstMouse = false;
+  }
+  float dx = x - prevMouseX, dy = y - prevMouseY;
+  prevMouseX = x;
+  prevMouseY = y;
+  const vec3 origin(0, 18, 0);
+  const float sensitivity = 0.003f;
+  auto camMat = translate(mat4(1), origin + camPos);
+  auto rotation = rotate(rotate(mat4(1), -dx * sensitivity, {0, 1, 0}),
+                         -dy * sensitivity, {1, 0, 0});
+  auto rotAroundOrig = camMat * rotation * translate(mat4(1), origin - camPos);
+  camPos = rotAroundOrig * glm::vec4(camPos, 0);
+  needsRedisplay = true;
+}
+
+void passiveMotion(int x, int y) {
+  prevMouseX = x;
+  prevMouseY = y;
+}
+
 int main(int argc, char **argv) {
   glutInit(&argc, argv);
   glutInitDisplayMode(GLUT_DEPTH | GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB |
@@ -326,11 +406,15 @@ int main(int argc, char **argv) {
 
   precalculateBillboardTextures();
 
+  initClouds(&cs);
   calculateMetaballs();
 
   glGenTextures(1, &attenuationTex);
 
-  /* glutTimerFunc(16, timer, 0); */
+  glutKeyboardFunc(keyboard);
+  glutMotionFunc(motion);
+  glutPassiveMotionFunc(passiveMotion);
+  glutTimerFunc(16, timer, 0);
 
   // set up billboard prog