src/world/world.cpp

   1 #include "Body.hpp"
   2 #include "Orbit.hpp"
   3 #include "Planet.hpp"
   4 #include "Simulation.hpp"
   5 #include "Sun.hpp"
   6 #include "Tile.hpp"
   7 #include "TileSet.hpp"
   8 #include "TileType.hpp"
   9
  10 #include "../const.hpp"
  11 #include "../app/Assets.hpp"
  12 #include "../graphics/Viewport.hpp"
  13 #include "../rand/OctaveNoise.hpp"
  14 #include "../rand/SimplexNoise.hpp"
  15
  16 #include <algorithm>
  17 #include <cmath>
  18 #include <iostream>
  19 #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
  20 #include <glm/gtx/euler_angles.hpp>
  21 #include <glm/gtx/io.hpp>
  22 #include <glm/gtx/transform.hpp>
  23
  24 using blobs::G;
  25 using blobs::PI_2p0;
  26
  27 using std::sin;
  28 using std::cos;
  29 using std::pow;
  30 using std::sqrt;
  31
  32
  33 namespace blobs {
  34 namespace world {
  35
  36 Body::Body()
  37 : sim(nullptr)
  38 , parent(nullptr)
  39 , children()
  40 , mass(1.0)
  41 , radius(1.0)
  42 , orbit()
  43 , surface_tilt(0.0, 0.0)
  44 , axis_tilt(0.0, 0.0)
  45 , rotation(0.0)
  46 , angular(0.0)
  47 , orbital(1.0)
  48 , inverse_orbital(1.0)
  49 , local(1.0)
  50 , inverse_local(1.0) {
  51 }
  52
  53 Body::~Body() {
  54 }
  55
  56 void Body::SetSimulation(Simulation &s) noexcept {
  57         sim = &s;
  58         for (auto child : children) {
  59                 child->SetSimulation(s);
  60         }
  61 }
  62
  63 void Body::SetParent(Body &p) {
  64         if (HasParent()) {
  65                 UnsetParent();
  66         }
  67         parent = &p;
  68         parent->AddChild(*this);
  69 }
  70
  71 void Body::UnsetParent() {
  72         if (!HasParent()) return;
  73         parent->RemoveChild(*this);
  74         parent = nullptr;
  75 }
  76
  77 void Body::AddChild(Body &c) {
  78         children.push_back(&c);
  79         c.SetSimulation(*sim);
  80 }
  81
  82 void Body::RemoveChild(Body &c) {
  83         auto entry = std::find(children.begin(), children.end(), &c);
  84         if (entry != children.end()) {
  85                 children.erase(entry);
  86         }
  87 }
  88
  89 double Body::Inertia() const noexcept {
  90         // assume solid sphere for now
  91         return (2.0/5.0) * Mass() * pow(Radius(), 2);
  92 }
  93
  94 double Body::GravitationalParameter() const noexcept {
  95         return G * Mass();
  96 }
  97
  98 double Body::OrbitalPeriod() const noexcept {
  99         if (parent) {
 100                 return PI_2p0 * sqrt(pow(orbit.SemiMajorAxis(), 3) / (G * (parent->Mass() + Mass())));
 101         } else {
 102                 return 0.0;
 103         }
 104 }
 105
 106 double Body::RotationalPeriod() const noexcept {
 107         if (std::abs(angular) < std::numeric_limits<double>::epsilon()) {
 108                 return std::numeric_limits<double>::infinity();
 109         } else {
 110                 return PI_2p0 * Inertia() / angular;
 111         }
 112 }
 113
 114 glm::dmat4 Body::ToUniverse() const noexcept {
 115         glm::dmat4 m(1.0);
 116         const Body *b = this;
 117         while (b->HasParent()) {
 118                 m = b->ToParent() * m;
 119                 b = &b->Parent();
 120         }
 121         return m;
 122 }
 123
 124 glm::dmat4 Body::FromUniverse() const noexcept {
 125         glm::dmat4 m(1.0);
 126         const Body *b = this;
 127         while (b->HasParent()) {
 128                 m *= b->FromParent();
 129                 b = &b->Parent();
 130         }
 131         return m;
 132 }
 133
 134 void Body::Cache() noexcept {
 135         if (parent) {
 136                 orbital =
 137                         orbit.Matrix(PI_2p0 * (GetSimulation().Time() / OrbitalPeriod()))
 138                         * glm::eulerAngleXY(axis_tilt.x, axis_tilt.y);
 139                 inverse_orbital =
 140                         glm::eulerAngleYX(-axis_tilt.y, -axis_tilt.x)
 141                         * orbit.InverseMatrix(PI_2p0 * (GetSimulation().Time() / OrbitalPeriod()));
 142         } else {
 143                 orbital = glm::eulerAngleXY(axis_tilt.x, axis_tilt.y);
 144                 inverse_orbital = glm::eulerAngleYX(-axis_tilt.y, -axis_tilt.x);
 145         }
 146         local =
 147                 glm::eulerAngleY(rotation)
 148                 * glm::eulerAngleXY(surface_tilt.x, surface_tilt.y);
 149         inverse_local =
 150                 glm::eulerAngleYX(-surface_tilt.y, -surface_tilt.x)
 151                 * glm::eulerAngleY(-rotation);
 152 }
 153
 154
 155 Orbit::Orbit()
 156 : sma(1.0)
 157 , ecc(0.0)
 158 , inc(0.0)
 159 , asc(0.0)
 160 , arg(0.0)
 161 , mna(0.0) {
 162 }
 163
 164 Orbit::~Orbit() {
 165 }
 166
 167 double Orbit::SemiMajorAxis() const noexcept {
 168         return sma;
 169 }
 170
 171 Orbit &Orbit::SemiMajorAxis(double s) noexcept {
 172         sma = s;
 173         return *this;
 174 }
 175
 176 double Orbit::Eccentricity() const noexcept {
 177         return ecc;
 178 }
 179
 180 Orbit &Orbit::Eccentricity(double e) noexcept {
 181         ecc = e;
 182         return *this;
 183 }
 184
 185 double Orbit::Inclination() const noexcept {
 186         return inc;
 187 }
 188
 189 Orbit &Orbit::Inclination(double i) noexcept {
 190         inc = i;
 191         return *this;
 192 }
 193
 194 double Orbit::LongitudeAscending() const noexcept {
 195         return asc;
 196 }
 197
 198 Orbit &Orbit::LongitudeAscending(double l) noexcept {
 199         asc = l;
 200         return *this;
 201 }
 202
 203 double Orbit::ArgumentPeriapsis() const noexcept {
 204         return arg;
 205 }
 206
 207 Orbit &Orbit::ArgumentPeriapsis(double a) noexcept {
 208         arg = a;
 209         return *this;
 210 }
 211
 212 double Orbit::MeanAnomaly() const noexcept {
 213         return mna;
 214 }
 215
 216 Orbit &Orbit::MeanAnomaly(double m) noexcept {
 217         mna = m;
 218         return *this;
 219 }
 220
 221 namespace {
 222
 223 double mean2eccentric(double M, double e) {
 224         double E = M; // eccentric anomaly, solve M = E - e sin E
 225         // limit to 100 steps to prevent deadlocks in impossible situations
 226         for (int i = 0; i < 100; ++i) {
 227                 double dE = (E - e * sin(E) - M) / (1 - e * cos(E));
 228                 E -= dE;
 229                 if (abs(dE) < 1.0e-6) break;
 230         }
 231         return E;
 232 }
 233
 234 }
 235
 236 glm::dmat4 Orbit::Matrix(double t) const noexcept {
 237         double M = mna + t;
 238         double E = mean2eccentric(M, ecc);
 239
 240         // coordinates in orbital plane, P=x, Q=-z
 241         double P = sma * (cos(E) - ecc);
 242         double Q = sma * sin(E) * sqrt(1 - (ecc * ecc));
 243
 244         return glm::yawPitchRoll(asc, inc, arg) * glm::translate(glm::dvec3(P, 0.0, -Q));
 245 }
 246
 247 glm::dmat4 Orbit::InverseMatrix(double t) const noexcept {
 248         double M = mna + t;
 249         double E = mean2eccentric(M, ecc);
 250         double P = sma * (cos(E) - ecc);
 251         double Q = sma * sin(E) * sqrt(1 - (ecc * ecc));
 252         return glm::translate(glm::dvec3(-P, 0.0, Q)) * glm::transpose(glm::yawPitchRoll(asc, inc, arg));
 253 }
 254
 255
 256 Planet::Planet(int sidelength)
 257 : Body()
 258 , sidelength(sidelength)
 259 , tiles(new Tile[TilesTotal()])
 260 , vao() {
 261         Radius(double(sidelength) / 2.0);
 262 }
 263
 264 Planet::~Planet() {
 265 }
 266
 267 glm::dvec3 Planet::TileCenter(int surface, int x, int y) const noexcept {
 268         glm::dvec3 center(0.0f);
 269         center[(surface + 0) % 3] = x + 0.5 - Radius();
 270         center[(surface + 1) % 3] = y + 0.5 - Radius();
 271         center[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? Radius() : -Radius();
 272         return center;
 273 }
 274
 275 void Planet::BuildVAOs(const TileSet &ts) {
 276         vao.Bind();
 277         vao.BindAttributes();
 278         vao.EnableAttribute(0);
 279         vao.EnableAttribute(1);
 280         vao.AttributePointer<glm::vec3>(0, false, offsetof(Attributes, position));
 281         vao.AttributePointer<glm::vec3>(1, false, offsetof(Attributes, tex_coord));
 282         vao.ReserveAttributes(TilesTotal() * 4, GL_STATIC_DRAW);
 283         {
 284                 auto attrib = vao.MapAttributes(GL_WRITE_ONLY);
 285                 float offset = Radius();
 286
 287                 // srf  0  1  2  3  4  5
 288                 //  up +Z +X +Y -Z -X -Y
 289
 290                 for (int index = 0, surface = 0; surface < 6; ++surface) {
 291                         for (int y = 0; y < sidelength; ++y) {
 292                                 for (int x = 0; x < sidelength; ++x, ++index) {
 293                                         float tex = ts[TileAt(surface, x, y).type].texture;
 294                                         const float tex_u_begin = surface < 3 ? 1.0f : 0.0f;
 295                                         const float tex_u_end = surface < 3 ? 0.0f : 1.0f;
 296                                         attrib[4 * index + 0].position[(surface + 0) % 3] = x + 0 - offset;
 297                                         attrib[4 * index + 0].position[(surface + 1) % 3] = y + 0 - offset;
 298                                         attrib[4 * index + 0].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 299                                         attrib[4 * index + 0].tex_coord[0] = tex_u_begin;
 300                                         attrib[4 * index + 0].tex_coord[1] = 1.0f;
 301                                         attrib[4 * index + 0].tex_coord[2] = tex;
 302
 303                                         attrib[4 * index + 1].position[(surface + 0) % 3] = x + 0 - offset;
 304                                         attrib[4 * index + 1].position[(surface + 1) % 3] = y + 1 - offset;
 305                                         attrib[4 * index + 1].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 306                                         attrib[4 * index + 1].tex_coord[0] = tex_u_end;
 307                                         attrib[4 * index + 1].tex_coord[1] = 1.0f;
 308                                         attrib[4 * index + 1].tex_coord[2] = tex;
 309
 310                                         attrib[4 * index + 2].position[(surface + 0) % 3] = x + 1 - offset;
 311                                         attrib[4 * index + 2].position[(surface + 1) % 3] = y + 0 - offset;
 312                                         attrib[4 * index + 2].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 313                                         attrib[4 * index + 2].tex_coord[0] = tex_u_begin;
 314                                         attrib[4 * index + 2].tex_coord[1] = 0.0f;
 315                                         attrib[4 * index + 2].tex_coord[2] = tex;
 316
 317                                         attrib[4 * index + 3].position[(surface + 0) % 3] = x + 1 - offset;
 318                                         attrib[4 * index + 3].position[(surface + 1) % 3] = y + 1 - offset;
 319                                         attrib[4 * index + 3].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 320                                         attrib[4 * index + 3].tex_coord[0] = tex_u_end;
 321                                         attrib[4 * index + 3].tex_coord[1] = 0.0f;
 322                                         attrib[4 * index + 3].tex_coord[2] = tex;
 323                                 }
 324                         }
 325                 }
 326         }
 327         vao.BindElements();
 328         vao.ReserveElements(TilesTotal() * 6, GL_STATIC_DRAW);
 329         {
 330                 auto element = vao.MapElements(GL_WRITE_ONLY);
 331                 int index = 0;
 332                 for (int surface = 0; surface < 3; ++surface) {
 333                         for (int y = 0; y < sidelength; ++y) {
 334                                 for (int x = 0; x < sidelength; ++x, ++index) {
 335                                         element[6 * index + 0] = 4 * index + 0;
 336                                         element[6 * index + 1] = 4 * index + 2;
 337                                         element[6 * index + 2] = 4 * index + 1;
 338                                         element[6 * index + 3] = 4 * index + 1;
 339                                         element[6 * index + 4] = 4 * index + 2;
 340                                         element[6 * index + 5] = 4 * index + 3;
 341                                 }
 342                         }
 343                 }
 344                 for (int surface = 3; surface < 6; ++surface) {
 345                         for (int y = 0; y < sidelength; ++y) {
 346                                 for (int x = 0; x < sidelength; ++x, ++index) {
 347                                         element[6 * index + 0] = 4 * index + 0;
 348                                         element[6 * index + 1] = 4 * index + 1;
 349                                         element[6 * index + 2] = 4 * index + 2;
 350                                         element[6 * index + 3] = 4 * index + 2;
 351                                         element[6 * index + 4] = 4 * index + 1;
 352                                         element[6 * index + 5] = 4 * index + 3;
 353                                 }
 354                         }
 355                 }
 356         }
 357         vao.Unbind();
 358 }
 359
 360 void Planet::Draw(app::Assets &assets, graphics::Viewport &viewport) {
 361         vao.Bind();
 362         const glm::mat4 &MV = assets.shaders.planet_surface.MV();
 363         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f)));
 364         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 0);
 365         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f)));
 366         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 1);
 367         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f)));
 368         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 2);
 369         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f)));
 370         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 3);
 371         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(-1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f)));
 372         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 4);
 373         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f)));
 374         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 5);
 375 }
 376
 377
 378 void GenerateEarthlike(const TileSet &tiles, Planet &p) noexcept {
 379         rand::SimplexNoise elevation_gen(0);
 380
 381         const int ice = tiles["ice"].id;
 382         const int grass = tiles["grass"].id;
 383         const int water = tiles["water"].id;
 384         const int sand = tiles["sand"].id;
 385         const int rock = tiles["rock"].id;
 386
 387         constexpr double water_thresh = 0.0;
 388         constexpr double beach_thresh = 0.1;
 389         constexpr double mountain_thresh = 0.5;
 390
 391         const glm::dvec3 axis(glm::dvec4(0.0, 1.0, 0.0, 0.0) * glm::eulerAngleXY(p.SurfaceTilt().x, p.SurfaceTilt().y));
 392         const double cap_thresh = std::cos(p.AxialTilt().x);
 393
 394         for (int surface = 0; surface <= 5; ++surface) {
 395                 for (int y = 0; y < p.SideLength(); ++y) {
 396                         for (int x = 0; x < p.SideLength(); ++x) {
 397                                 glm::dvec3 to_tile = p.TileCenter(surface, x, y);
 398                                 double near_axis = std::abs(glm::dot(glm::normalize(to_tile), axis));
 399                                 if (near_axis > cap_thresh) {
 400                                         p.TileAt(surface, x, y).type = ice;
 401                                         continue;
 402                                 }
 403                                 float elevation = rand::OctaveNoise(
 404                                         elevation_gen,
 405                                         to_tile / p.Radius(),
 406                                         3,   // octaves
 407                                         0.5, // persistence
 408                                         2 / p.Radius(), // frequency
 409                                         2,   // amplitude
 410                                         2    // growth
 411                                 );
 412                                 if (elevation < water_thresh) {
 413                                         p.TileAt(surface, x, y).type = water;
 414                                 } else if (elevation < beach_thresh) {
 415                                         p.TileAt(surface, x, y).type = sand;
 416                                 } else if (elevation < mountain_thresh) {
 417                                         p.TileAt(surface, x, y).type = grass;
 418                                 } else {
 419                                         p.TileAt(surface, x, y).type = rock;
 420                                 }
 421                         }
 422                 }
 423         }
 424         p.BuildVAOs(tiles);
 425 }
 426
 427 void GenerateTest(const TileSet &tiles, Planet &p) noexcept {
 428         for (int surface = 0; surface <= 5; ++surface) {
 429                 for (int y = 0; y < p.SideLength(); ++y) {
 430                         for (int x = 0; x < p.SideLength(); ++x) {
 431                                 if (x == p.SideLength() / 2 && y == p.SideLength() / 2) {
 432                                         p.TileAt(surface, x, y).type = surface;
 433                                 } else {
 434                                         p.TileAt(surface, x, y).type = (x == p.SideLength()/2) + (y == p.SideLength()/2) + 6;
 435                                 }
 436                         }
 437                 }
 438         }
 439         p.BuildVAOs(tiles);
 440 }
 441
 442
 443 Sun::Sun()
 444 : Body() {
 445 }
 446
 447 Sun::~Sun() {
 448 }
 449
 450 TileSet::TileSet()
 451 : types()
 452 , names() {
 453 }
 454
 455 TileSet::~TileSet() {
 456 }
 457
 458 int TileSet::Add(const TileType &t) {
 459         int id = types.size();
 460         if (!names.emplace(t.name, id).second) {
 461                 throw std::runtime_error("duplicate tile type name " + t.name);
 462         }
 463         types.emplace_back(t);
 464         types.back().id = id;
 465         return id;
 466 }
 467
 468 TileType &TileSet::operator [](const std::string &name) {
 469         auto entry = names.find(name);
 470         if (entry != names.end()) {
 471                 return types[entry->second];
 472         } else {
 473                 throw std::runtime_error("unknown tile type " + name);
 474         }
 475 }
 476
 477 const TileType &TileSet::operator [](const std::string &name) const {
 478         auto entry = names.find(name);
 479         if (entry != names.end()) {
 480                 return types[entry->second];
 481         } else {
 482                 throw std::runtime_error("unknown tile type " + name);
 483         }
 484 }
 485
 486 }
 487 }