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
   8 #include "../const.hpp"
   9 #include "../app/Assets.hpp"
  10 #include "../graphics/Viewport.hpp"
  11
  12 #include <algorithm>
  13 #include <cmath>
  14 #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
  15 #include <glm/gtx/euler_angles.hpp>
  16 #include <glm/gtx/transform.hpp>
  17
  18 using blobs::G;
  19 using blobs::PI_2p0;
  20
  21 using std::sin;
  22 using std::cos;
  23 using std::pow;
  24 using std::sqrt;
  25
  26
  27 namespace blobs {
  28 namespace world {
  29
  30 Body::Body()
  31 : sim(nullptr)
  32 , parent(nullptr)
  33 , children()
  34 , mass(1.0)
  35 , radius(1.0)
  36 , orbit()
  37 , surface_tilt(0.0, 0.0)
  38 , axis_tilt(0.0, 0.0)
  39 , rotation(0.0)
  40 , angular(0.0) {
  41 }
  42
  43 Body::~Body() {
  44 }
  45
  46 void Body::SetSimulation(Simulation &s) noexcept {
  47         sim = &s;
  48         for (auto child : children) {
  49                 child->SetSimulation(s);
  50         }
  51 }
  52
  53 void Body::SetParent(Body &p) {
  54         if (HasParent()) {
  55                 UnsetParent();
  56         }
  57         parent = &p;
  58         parent->AddChild(*this);
  59 }
  60
  61 void Body::UnsetParent() {
  62         if (!HasParent()) return;
  63         parent->RemoveChild(*this);
  64         parent = nullptr;
  65 }
  66
  67 void Body::AddChild(Body &c) {
  68         children.push_back(&c);
  69         c.SetSimulation(*sim);
  70 }
  71
  72 void Body::RemoveChild(Body &c) {
  73         auto entry = std::find(children.begin(), children.end(), &c);
  74         if (entry != children.end()) {
  75                 children.erase(entry);
  76         }
  77 }
  78
  79 double Body::Inertia() const noexcept {
  80         // assume solid sphere for now
  81         return (2.0/5.0) * Mass() * pow(Radius(), 2);
  82 }
  83
  84 double Body::GravitationalParameter() const noexcept {
  85         return G * Mass();
  86 }
  87
  88 double Body::OrbitalPeriod() const noexcept {
  89         if (parent) {
  90                 return PI_2p0 * sqrt(pow(orbit.SemiMajorAxis(), 3) / (G * (parent->Mass() + Mass())));
  91         } else {
  92                 return 0.0;
  93         }
  94 }
  95
  96 double Body::RotationalPeriod() const noexcept {
  97         if (std::abs(angular) < std::numeric_limits<double>::epsilon()) {
  98                 return std::numeric_limits<double>::infinity();
  99         } else {
 100                 return PI_2p0 * Inertia() / angular;
 101         }
 102 }
 103
 104 glm::dmat4 Body::LocalTransform() const noexcept {
 105         glm::dmat4 srf = glm::eulerAngleXY(surface_tilt.x, surface_tilt.y);
 106         glm::dmat4 rot = glm::eulerAngleY(rotation);
 107         glm::dmat4 tilt = glm::eulerAngleXY(axis_tilt.x, axis_tilt.y);
 108         return tilt * rot * srf;
 109 }
 110
 111 glm::dmat4 Body::InverseTransform() const noexcept {
 112         glm::dmat4 srf = glm::eulerAngleYX(-surface_tilt.y, -surface_tilt.x);
 113         glm::dmat4 rot = glm::eulerAngleY(-rotation);
 114         glm::dmat4 tilt = glm::eulerAngleYX(-axis_tilt.y, -axis_tilt.x);
 115         return srf * rot * tilt;
 116 }
 117
 118 glm::dmat4 Body::ToParent() const noexcept {
 119         if (!parent) {
 120                 return glm::dmat4(1.0);
 121         }
 122         return orbit.InverseMatrix(PI_2p0 * (GetSimulation().Time() / OrbitalPeriod()));
 123 }
 124
 125 glm::dmat4 Body::FromParent() const noexcept {
 126         if (!parent) {
 127                 return glm::dmat4(1.0);
 128         }
 129         return orbit.Matrix(PI_2p0 * (GetSimulation().Time() / OrbitalPeriod()));
 130 }
 131
 132
 133 Orbit::Orbit()
 134 : sma(1.0)
 135 , ecc(0.0)
 136 , inc(0.0)
 137 , asc(0.0)
 138 , arg(0.0)
 139 , mna(0.0) {
 140 }
 141
 142 Orbit::~Orbit() {
 143 }
 144
 145 double Orbit::SemiMajorAxis() const noexcept {
 146         return sma;
 147 }
 148
 149 Orbit &Orbit::SemiMajorAxis(double s) noexcept {
 150         sma = s;
 151         return *this;
 152 }
 153
 154 double Orbit::Eccentricity() const noexcept {
 155         return ecc;
 156 }
 157
 158 Orbit &Orbit::Eccentricity(double e) noexcept {
 159         ecc = e;
 160         return *this;
 161 }
 162
 163 double Orbit::Inclination() const noexcept {
 164         return inc;
 165 }
 166
 167 Orbit &Orbit::Inclination(double i) noexcept {
 168         inc = i;
 169         return *this;
 170 }
 171
 172 double Orbit::LongitudeAscending() const noexcept {
 173         return asc;
 174 }
 175
 176 Orbit &Orbit::LongitudeAscending(double l) noexcept {
 177         asc = l;
 178         return *this;
 179 }
 180
 181 double Orbit::ArgumentPeriapsis() const noexcept {
 182         return arg;
 183 }
 184
 185 Orbit &Orbit::ArgumentPeriapsis(double a) noexcept {
 186         arg = a;
 187         return *this;
 188 }
 189
 190 double Orbit::MeanAnomaly() const noexcept {
 191         return mna;
 192 }
 193
 194 Orbit &Orbit::MeanAnomaly(double m) noexcept {
 195         mna = m;
 196         return *this;
 197 }
 198
 199 namespace {
 200
 201 double mean2eccentric(double M, double e) {
 202         double E = M; // eccentric anomaly, solve M = E - e sin E
 203         // limit to 100 steps to prevent deadlocks in impossible situations
 204         for (int i = 0; i < 100; ++i) {
 205                 double dE = (E - e * sin(E) - M) / (1 - e * cos(E));
 206                 E -= dE;
 207                 if (abs(dE) < 1.0e-6) break;
 208         }
 209         return E;
 210 }
 211
 212 }
 213
 214 glm::dmat4 Orbit::Matrix(double t) const noexcept {
 215         double M = mna + t;
 216         double E = mean2eccentric(M, ecc);
 217
 218         // coordinates in orbital plane, P=x, Q=-z
 219         double P = sma * (cos(E) - ecc);
 220         double Q = sma * sin(E) * sqrt(1 - (ecc * ecc));
 221
 222         return glm::translate(glm::yawPitchRoll(asc, inc, arg), glm::dvec3(P, 0.0, -Q));
 223 }
 224
 225 glm::dmat4 Orbit::InverseMatrix(double t) const noexcept {
 226         double M = mna + t;
 227         double E = mean2eccentric(M, ecc);
 228         double P = sma * (cos(E) - ecc);
 229         double Q = sma * sin(E) * sqrt(1 - (ecc * ecc));
 230         return glm::transpose(glm::yawPitchRoll(asc, inc, arg)) * glm::translate(glm::dvec3(-P, 0.0, Q));
 231 }
 232
 233
 234 Planet::Planet(int sidelength)
 235 : Body()
 236 , sidelength(sidelength)
 237 , tiles(new Tile[TilesTotal()])
 238 , vao() {
 239         Radius(double(sidelength) / 2.0);
 240 }
 241
 242 Planet::~Planet() {
 243 }
 244
 245 void Planet::BuildVAOs() {
 246         vao.Bind();
 247         vao.BindAttributes();
 248         vao.EnableAttribute(0);
 249         vao.EnableAttribute(1);
 250         vao.AttributePointer<glm::vec3>(0, false, offsetof(Attributes, position));
 251         vao.AttributePointer<glm::vec3>(1, false, offsetof(Attributes, tex_coord));
 252         vao.ReserveAttributes(TilesTotal() * 4, GL_STATIC_DRAW);
 253         {
 254                 auto attrib = vao.MapAttributes(GL_WRITE_ONLY);
 255                 float offset = sidelength * 0.5f;
 256
 257                 // srf  0  1  2  3  4  5
 258                 //  up +Z +X +Y -Z -X -Y
 259
 260                 for (int index = 0, surface = 0; surface < 6; ++surface) {
 261                         for (int y = 0; y < sidelength; ++y) {
 262                                 for (int x = 0; x < sidelength; ++x, ++index) {
 263                                         float tex = TileAt(surface, x, y).type;
 264                                         attrib[4 * index + 0].position[(surface + 0) % 3] = x + 0 - offset;
 265                                         attrib[4 * index + 0].position[(surface + 1) % 3] = y + 0 - offset;
 266                                         attrib[4 * index + 0].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 267                                         attrib[4 * index + 0].tex_coord[0] = 0.0f;
 268                                         attrib[4 * index + 0].tex_coord[1] = 0.0f;
 269                                         attrib[4 * index + 0].tex_coord[2] = tex;
 270
 271                                         attrib[4 * index + 1].position[(surface + 0) % 3] = x + 0 - offset;
 272                                         attrib[4 * index + 1].position[(surface + 1) % 3] = y + 1 - offset;
 273                                         attrib[4 * index + 1].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 274                                         attrib[4 * index + 1].tex_coord[0] = 0.0f;
 275                                         attrib[4 * index + 1].tex_coord[1] = 1.0f;
 276                                         attrib[4 * index + 1].tex_coord[2] = tex;
 277
 278                                         attrib[4 * index + 2].position[(surface + 0) % 3] = x + 1 - offset;
 279                                         attrib[4 * index + 2].position[(surface + 1) % 3] = y + 0 - offset;
 280                                         attrib[4 * index + 2].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 281                                         attrib[4 * index + 2].tex_coord[0] = 1.0f;
 282                                         attrib[4 * index + 2].tex_coord[1] = 0.0f;
 283                                         attrib[4 * index + 2].tex_coord[2] = tex;
 284
 285                                         attrib[4 * index + 3].position[(surface + 0) % 3] = x + 1 - offset;
 286                                         attrib[4 * index + 3].position[(surface + 1) % 3] = y + 1 - offset;
 287                                         attrib[4 * index + 3].position[(surface + 2) % 3] = surface < 3 ? offset : -offset;
 288                                         attrib[4 * index + 3].tex_coord[0] = 1.0f;
 289                                         attrib[4 * index + 3].tex_coord[1] = 1.0f;
 290                                         attrib[4 * index + 3].tex_coord[2] = tex;
 291                                 }
 292                         }
 293                 }
 294         }
 295         vao.BindElements();
 296         vao.ReserveElements(TilesTotal() * 6, GL_STATIC_DRAW);
 297         {
 298                 auto element = vao.MapElements(GL_WRITE_ONLY);
 299                 int index = 0;
 300                 for (int surface = 0; surface < 3; ++surface) {
 301                         for (int y = 0; y < sidelength; ++y) {
 302                                 for (int x = 0; x < sidelength; ++x, ++index) {
 303                                         element[6 * index + 0] = 4 * index + 0;
 304                                         element[6 * index + 1] = 4 * index + 2;
 305                                         element[6 * index + 2] = 4 * index + 1;
 306                                         element[6 * index + 3] = 4 * index + 1;
 307                                         element[6 * index + 4] = 4 * index + 2;
 308                                         element[6 * index + 5] = 4 * index + 3;
 309                                 }
 310                         }
 311                 }
 312                 for (int surface = 3; surface < 6; ++surface) {
 313                         for (int y = 0; y < sidelength; ++y) {
 314                                 for (int x = 0; x < sidelength; ++x, ++index) {
 315                                         element[6 * index + 0] = 4 * index + 0;
 316                                         element[6 * index + 1] = 4 * index + 1;
 317                                         element[6 * index + 2] = 4 * index + 2;
 318                                         element[6 * index + 3] = 4 * index + 2;
 319                                         element[6 * index + 4] = 4 * index + 1;
 320                                         element[6 * index + 5] = 4 * index + 3;
 321                                 }
 322                         }
 323                 }
 324         }
 325         vao.Unbind();
 326 }
 327
 328 void Planet::Draw(app::Assets &assets, graphics::Viewport &viewport) {
 329         vao.Bind();
 330         const glm::mat4 &MV = assets.shaders.planet_surface.MV();
 331         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f)));
 332         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 0);
 333         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f)));
 334         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 1);
 335         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f)));
 336         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 2);
 337         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f)));
 338         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 3);
 339         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(-1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f)));
 340         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 4);
 341         assets.shaders.planet_surface.SetNormal(glm::vec3(MV * glm::vec4(0.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f)));
 342         vao.DrawTriangles(TilesPerSurface() * 6, TilesPerSurface() * 6 * 5);
 343 }
 344
 345
 346 void GenerateTest(Planet &p) {
 347         for (int surface = 0; surface <= 5; ++surface) {
 348                 for (int y = 0; y < p.SideLength(); ++y) {
 349                         for (int x = 0; x < p.SideLength(); ++x) {
 350                                 p.TileAt(surface, x, y).type = (x == p.SideLength()/2) + (y == p.SideLength()/2);
 351                         }
 352                 }
 353         }
 354         p.BuildVAOs();
 355 }
 356
 357
 358 Sun::Sun()
 359 : Body() {
 360 }
 361
 362 Sun::~Sun() {
 363 }
 364
 365 }
 366 }