git.mutantstargoat.com Git - laserbrain_demo/blob - src/geom.cc

   1 #include <algorithm>
   2 #include <float.h>
   3 #include "geom.h"
   4
   5 #define SPHERE(ptr)     ((Sphere*)ptr)
   6 #define AABOX(ptr)      ((AABox*)ptr)
   7 #define BOX(ptr)        ((Box*)ptr)
   8 #define PLANE(ptr)      ((Plane*)ptr)
   9
  10 GeomObject::GeomObject()
  11 {
  12         type = GOBJ_UNKNOWN;
  13 }
  14
  15 GeomObject::~GeomObject()
  16 {
  17 }
  18
  19
  20 Sphere::Sphere()
  21 {
  22         type = GOBJ_SPHERE;
  23         radius = 1.0;
  24 }
  25
  26 Sphere::Sphere(const Vec3 &cent, float radius)
  27         : center(cent)
  28 {
  29         type = GOBJ_SPHERE;
  30         this->radius = radius;
  31 }
  32
  33 bool Sphere::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
  34 {
  35         float a = dot(ray.dir, ray.dir);
  36         float b = 2.0 * ray.dir.x * (ray.origin.x - center.x) +
  37                 2.0 * ray.dir.y * (ray.origin.y - center.y) +
  38                 2.0 * ray.dir.z * (ray.origin.z - center.z);
  39         float c = dot(ray.origin, ray.origin) + dot(center, center) -
  40                 2.0 * dot(ray.origin, center) - radius * radius;
  41
  42         float discr = b * b - 4.0 * a * c;
  43         if(discr < 1e-4) {
  44                 return false;
  45         }
  46
  47         float sqrt_discr = sqrt(discr);
  48         float t0 = (-b + sqrt_discr) / (2.0 * a);
  49         float t1 = (-b - sqrt_discr) / (2.0 * a);
  50
  51         if(t0 < 1e-4)
  52                 t0 = t1;
  53         if(t1 < 1e-4)
  54                 t1 = t0;
  55
  56         float t = t0 < t1 ? t0 : t1;
  57         if(t < 1e-4) {
  58                 return false;
  59         }
  60
  61         // fill the HitPoint structure
  62         if(hit) {
  63                 hit->obj = this;
  64                 hit->dist = t;
  65                 hit->pos = ray.origin + ray.dir * t;
  66                 hit->normal = (hit->pos - center) / radius;
  67         }
  68         return true;
  69 }
  70
  71 bool Sphere::contains(const Vec3 &pt) const
  72 {
  73         return length_sq(pt - center) <= radius * radius;
  74 }
  75
  76 float Sphere::distance(const Vec3 &v) const
  77 {
  78         return std::max(length(v - center) - radius, 0.0f);
  79 }
  80
  81 float Sphere::signed_distance(const Vec3 &v) const
  82 {
  83         return length(v - center) - radius;
  84 }
  85
  86 AABox::AABox()
  87 {
  88         type = GOBJ_AABOX;
  89 }
  90
  91 AABox::AABox(const Vec3 &vmin, const Vec3 &vmax)
  92         : min(vmin), max(vmax)
  93 {
  94         type = GOBJ_AABOX;
  95 }
  96
  97 Vec3 AABox::get_corner(int idx) const
  98 {
  99         static const Vec3 v[] = {
 100                 Vec3(-0.5, -0.5, -0.5), Vec3(0.5, -0.5, -0.5), Vec3(0.5, -0.5, 0.5), Vec3(-0.5, -0.5, 0.5),
 101                 Vec3(-0.5, 0.5, -0.5), Vec3(0.5, 0.5, -0.5), Vec3(0.5, 0.5, 0.5), Vec3(-0.5, 0.5, 0.5)
 102         };
 103         return v[idx] * Vec3(max - min);
 104 }
 105
 106 bool AABox::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
 107 {
 108         Vec3 param[2] = {min, max};
 109         Vec3 inv_dir(1.0 / ray.dir.x, 1.0 / ray.dir.y, 1.0 / ray.dir.z);
 110         int sign[3] = {inv_dir.x < 0, inv_dir.y < 0, inv_dir.z < 0};
 111
 112         float tmin = (param[sign[0]].x - ray.origin.x) * inv_dir.x;
 113         float tmax = (param[1 - sign[0]].x - ray.origin.x) * inv_dir.x;
 114         float tymin = (param[sign[1]].y - ray.origin.y) * inv_dir.y;
 115         float tymax = (param[1 - sign[1]].y - ray.origin.y) * inv_dir.y;
 116
 117         if(tmin > tymax || tymin > tmax) {
 118                 return false;
 119         }
 120         if(tymin > tmin) {
 121                 tmin = tymin;
 122         }
 123         if(tymax < tmax) {
 124                 tmax = tymax;
 125         }
 126
 127         float tzmin = (param[sign[2]].z - ray.origin.z) * inv_dir.z;
 128         float tzmax = (param[1 - sign[2]].z - ray.origin.z) * inv_dir.z;
 129
 130         if(tmin > tzmax || tzmin > tmax) {
 131                 return false;
 132         }
 133         if(tzmin > tmin) {
 134                 tmin = tzmin;
 135         }
 136         if(tzmax < tmax) {
 137                 tmax = tzmax;
 138         }
 139
 140         float t = tmin < 1e-4 ? tmax : tmin;
 141         if(t >= 1e-4) {
 142
 143                 if(hit) {
 144                         hit->obj = this;
 145                         hit->dist = t;
 146                         hit->pos = ray.origin + ray.dir * t;
 147
 148                         float min_dist = FLT_MAX;
 149                         Vec3 offs = min + (max - min) / 2.0;
 150                         Vec3 local_hit = hit->pos - offs;
 151
 152                         static const Vec3 axis[] = {
 153                                 Vec3(1, 0, 0), Vec3(0, 1, 0), Vec3(0, 0, 1)
 154                         };
 155                         //int tcidx[][2] = {{2, 1}, {0, 2}, {0, 1}};
 156
 157                         for(int i=0; i<3; i++) {
 158                                 float dist = fabs((max[i] - offs[i]) - fabs(local_hit[i]));
 159                                 if(dist < min_dist) {
 160                                         min_dist = dist;
 161                                         hit->normal = axis[i] * (local_hit[i] < 0.0 ? 1.0 : -1.0);
 162                                         //hit->texcoord = Vec2(hit->pos[tcidx[i][0]], hit->pos[tcidx[i][1]]);
 163                                 }
 164                         }
 165                 }
 166                 return true;
 167         }
 168         return false;
 169 }
 170
 171 bool AABox::contains(const Vec3 &v) const
 172 {
 173         return v.x >= min.x && v.y >= min.y && v.z >= min.z &&
 174                 v.x <= max.x && v.y <= max.y && v.z <= max.z;
 175 }
 176
 177 float AABox::distance(const Vec3 &v) const
 178 {
 179         return 0.0;     // TODO
 180 }
 181
 182 float AABox::signed_distance(const Vec3 &v) const
 183 {
 184         return 0.0;     // TODO
 185 }
 186
 187 Box::Box()
 188 {
 189 }
 190
 191 Box::Box(const AABox &aabox, const Mat4 &xform)
 192         : xform(xform)
 193 {
 194         min = aabox.min;
 195         max = aabox.max;
 196 }
 197
 198 Box::Box(const Vec3 &min, const Vec3 &max)
 199         : AABox(min, max)
 200 {
 201 }
 202
 203 Box::Box(const Vec3 &min, const Vec3 &max, const Mat4 &xform)
 204         : AABox(min, max), xform(xform)
 205 {
 206 }
 207
 208 // XXX all this shit is completely untested
 209 Box::Box(const Vec3 &pos, const Vec3 &vi, const Vec3 &vj, const Vec3 &vk)
 210 {
 211         float ilen = length(vi);
 212         float jlen = length(vj);
 213         float klen = length(vk);
 214
 215         min = Vec3(-ilen, -jlen, -klen);
 216         max = Vec3(ilen, jlen, klen);
 217
 218         float si = ilen == 0.0 ? 1.0 : 1.0 / ilen;
 219         float sj = jlen == 0.0 ? 1.0 : 1.0 / jlen;
 220         float sk = klen == 0.0 ? 1.0 : 1.0 / klen;
 221
 222         xform = Mat4(vi * si, vj * sj, vk * sk);
 223         xform.translate(pos);
 224 }
 225
 226 Box::Box(const Vec3 *varr, int vcount)
 227 {
 228         calc_bounding_aabox(this, varr, vcount);
 229 }
 230
 231 Vec3 Box::get_corner(int idx) const
 232 {
 233         static const Vec3 v[] = {
 234                 Vec3(-0.5, -0.5, -0.5), Vec3(0.5, -0.5, -0.5), Vec3(0.5, -0.5, 0.5), Vec3(-0.5, -0.5, 0.5),
 235                 Vec3(-0.5, 0.5, -0.5), Vec3(0.5, 0.5, -0.5), Vec3(0.5, 0.5, 0.5), Vec3(-0.5, 0.5, 0.5)
 236         };
 237
 238         return xform * (v[idx] * Vec3(max - min));
 239 }
 240
 241 bool Box::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
 242 {
 243         Mat4 inv_xform = inverse(xform);
 244         Mat4 dir_inv_xform = inv_xform.upper3x3();
 245         Mat4 dir_xform = transpose(dir_inv_xform);
 246         Ray local_ray = Ray(inv_xform * ray.origin, dir_inv_xform * ray.dir);
 247
 248         bool res = AABox::intersect(local_ray, hit);
 249         if(!res || !hit) return res;
 250
 251         hit->pos = xform * hit->pos;
 252         hit->normal = dir_xform * hit->normal;
 253         hit->local_ray = local_ray;
 254         hit->ray = ray;
 255         return true;
 256 }
 257
 258 bool Box::contains(const Vec3 &pt) const
 259 {
 260         // XXX is it faster to extract 6 planes and do dot products? sounds marginal
 261         return AABox::contains(inverse(xform) * pt);
 262 }
 263
 264 float Box::distance(const Vec3 &v) const
 265 {
 266         return 0.0f;    // TODO
 267 }
 268
 269 float Box::signed_distance(const Vec3 &v) const
 270 {
 271         return 0.0f;    // TODO
 272 }
 273
 274 Plane::Plane()
 275         : normal(0.0, 1.0, 0.0)
 276 {
 277 }
 278
 279 Plane::Plane(const Vec3 &p, const Vec3 &norm)
 280         : pt(p)
 281 {
 282         normal = normalize(norm);
 283 }
 284
 285 Plane::Plane(const Vec3 &p1, const Vec3 &p2, const Vec3 &p3)
 286         : pt(p1)
 287 {
 288         normal = normalize(cross(p2 - p1, p3 - p1));
 289 }
 290
 291 Plane::Plane(const Vec3 &normal, float dist)
 292 {
 293         this->normal = normalize(normal);
 294         pt = this->normal * dist;
 295 }
 296
 297 bool Plane::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
 298 {
 299         float ndotdir = dot(normal, ray.dir);
 300         if(fabs(ndotdir) < 1e-4) {
 301                 return false;
 302         }
 303
 304         if(hit) {
 305                 Vec3 ptdir = pt - ray.origin;
 306                 float t = dot(normal, ptdir) / ndotdir;
 307
 308                 hit->dist = t;
 309                 hit->pos = ray.origin + ray.dir * t;
 310                 hit->normal = normal;
 311                 hit->obj = this;
 312         }
 313         return true;
 314 }
 315
 316 bool Plane::contains(const Vec3 &v) const
 317 {
 318         return dot(v, normal) <= 0.0;
 319 }
 320
 321 float Plane::distance(const Vec3 &v) const
 322 {
 323         return std::max(dot(v - pt, normal), 0.0f);
 324 }
 325
 326 float Plane::signed_distance(const Vec3 &v) const
 327 {
 328         return dot(v - pt, normal);
 329 }
 330
 331
 332 Disc::Disc()
 333 {
 334         radius = 1.0;
 335 }
 336
 337 Disc::Disc(const Vec3 &pt, const Vec3 &normal, float rad)
 338         : Plane(pt, normal)
 339 {
 340         radius = rad;
 341 }
 342
 343 Disc::Disc(const Vec3 &normal, float dist, float rad)
 344         : Plane(normal, dist)
 345 {
 346         radius = rad;
 347 }
 348
 349 bool Disc::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
 350 {
 351         HitPoint phit;
 352         if(Plane::intersect(ray, &phit)) {
 353                 if(length_sq(phit.pos - pt) <= radius * radius) {
 354                         *hit = phit;
 355                         return true;
 356                 }
 357         }
 358         return false;
 359 }
 360
 361 bool Disc::contains(const Vec3 &pt) const
 362 {
 363         Vec3 pj = proj_point_plane(pt, *this);
 364         return length_sq(pj - this->pt) <= radius * radius;
 365 }
 366
 367 float Disc::distance(const Vec3 &v) const
 368 {
 369         return 0.0;     // TODO
 370 }
 371
 372 float Disc::signed_distance(const Vec3 &v) const
 373 {
 374         return 0.0;     // TODO
 375 }
 376
 377
 378 Vec3 proj_point_plane(const Vec3 &pt, const Plane &plane)
 379 {
 380         float dist = plane.signed_distance(pt);
 381         return pt - plane.normal * dist;
 382 }
 383
 384 // ---- bounding sphere calculations ----
 385
 386 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const GeomObject *obj)
 387 {
 388         switch(obj->type) {
 389         case GOBJ_SPHERE:
 390                 *sph = *(Sphere*)obj;
 391                 break;
 392
 393         case GOBJ_AABOX:
 394                 sph->center = (AABOX(obj)->min + AABOX(obj)->max) * 0.5;
 395                 sph->radius = length(AABOX(obj)->max - AABOX(obj)->min) * 0.5;
 396                 break;
 397
 398         case GOBJ_BOX:
 399                 sph->center = (BOX(obj)->min + BOX(obj)->max) * 0.5 + BOX(obj)->xform.get_translation();
 400                 sph->radius = length(BOX(obj)->max - BOX(obj)->min) * 0.5;
 401                 break;
 402
 403         case GOBJ_PLANE:
 404         default:
 405                 return false;
 406         }
 407         return true;
 408 }
 409
 410 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const GeomObject *a, const GeomObject *b)
 411 {
 412         Sphere bsa, bsb;
 413
 414         if(!calc_bounding_sphere(&bsa, a) || !calc_bounding_sphere(&bsb, b)) {
 415                 return false;
 416         }
 417
 418         float dist = length(bsa.center - bsb.center);
 419         float surf_dist = dist - (bsa.radius + bsb.radius);
 420         float d1 = bsa.radius + surf_dist / 2.0;
 421         float d2 = bsb.radius + surf_dist / 2.0;
 422         float t = d1 / (d1 + d2);
 423
 424         if(t < 0.0) t = 0.0;
 425         if(t > 1.0) t = 1.0;
 426
 427         sph->center = bsa.center * t + bsb.center * (1.0 - t);
 428         sph->radius = std::max(dist * t + bsb.radius, dist * (1.0f - t) + bsa.radius);
 429         return true;
 430 }
 431
 432 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const GeomObject **objv, int num)
 433 {
 434         if(num <= 0) return false;
 435
 436         if(!calc_bounding_sphere(sph, objv[0])) {
 437                 return false;
 438         }
 439
 440         for(int i=1; i<num; i++) {
 441                 if(!calc_bounding_sphere(sph, sph, objv[i])) {
 442                         return false;
 443                 }
 444         }
 445         return true;
 446 }
 447
 448 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const Vec3 *v, int num, const Mat4 &xform)
 449 {
 450         if(num <= 0) return false;
 451
 452         sph->center = Vec3(0.0, 0.0, 0.0);
 453         for(int i=0; i<num; i++) {
 454                 sph->center += xform * v[i];
 455         }
 456         sph->center /= (float)num;
 457
 458         float rad_sq = 0.0f;
 459         for(int i=0; i<num; i++) {
 460                 Vec3 dir = xform * v[i] - sph->center;
 461                 rad_sq = std::max(rad_sq, dot(dir, dir));
 462         }
 463         sph->radius = sqrt(rad_sq);
 464         return true;
 465 }
 466
 467 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const GeomObject *obj)
 468 {
 469         switch(obj->type) {
 470         case GOBJ_AABOX:
 471                 *box = *(AABox*)obj;
 472                 break;
 473
 474         case GOBJ_BOX:
 475                 {
 476                         Vec3 v[8];
 477                         for(int i=0; i<8; i++) {
 478                                 v[i] = BOX(obj)->get_corner(i);
 479                         }
 480                         calc_bounding_aabox(box, v, 8);
 481                 }
 482                 break;
 483
 484         case GOBJ_SPHERE:
 485                 {
 486                         float r = SPHERE(obj)->radius;
 487                         box->min = SPHERE(obj)->center - Vec3(r, r, r);
 488                         box->max = SPHERE(obj)->center + Vec3(r, r, r);
 489                 }
 490                 break;
 491
 492         case GOBJ_PLANE:
 493         default:
 494                 return false;
 495         }
 496         return true;
 497 }
 498
 499 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const GeomObject *a, const GeomObject *b)
 500 {
 501         AABox bba, bbb;
 502
 503         if(!calc_bounding_aabox(&bba, a) || !calc_bounding_aabox(&bbb, b)) {
 504                 return false;
 505         }
 506
 507         for(int i=0; i<3; i++) {
 508                 box->min[i] = std::min(bba.min[i], bbb.min[i]);
 509                 box->max[i] = std::max(bba.max[i], bbb.max[i]);
 510         }
 511         return true;
 512 }
 513
 514 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const GeomObject **objv, int num)
 515 {
 516         if(num <= 0) return false;
 517
 518         if(!calc_bounding_aabox(box, objv[0])) {
 519                 return false;
 520         }
 521
 522         for(int i=1; i<num; i++) {
 523                 if(!calc_bounding_aabox(box, box, objv[i])) {
 524                         return false;
 525                 }
 526         }
 527         return true;
 528 }
 529
 530 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const Vec3 *v, int num, const Mat4 &xform)
 531 {
 532         if(num <= 0) return false;
 533
 534         box->min = box->max = xform * v[0];
 535         for(int i=1; i<num; i++) {
 536                 Vec3 p = xform * v[i];
 537
 538                 for(int j=0; j<3; j++) {
 539                         box->min[j] = std::min(box->min[j], p[j]);
 540                         box->max[j] = std::max(box->max[j], p[j]);
 541                 }
 542         }
 543         return true;
 544 }
 545
 546 bool calc_bounding_box(Box *box, const GeomObject *obj)
 547 {
 548         switch(obj->type) {
 549         case GOBJ_BOX:
 550                 *box = *(Box*)obj;
 551                 break;
 552
 553         case GOBJ_AABOX:
 554                 box->min = BOX(obj)->min;
 555                 box->max = BOX(obj)->max;
 556                 box->xform = Mat4::identity;
 557                 break;
 558
 559         case GOBJ_SPHERE:
 560                 {
 561                         float r = SPHERE(obj)->radius;
 562                         box->min = SPHERE(obj)->center - Vec3(r, r, r);
 563                         box->max = SPHERE(obj)->center + Vec3(r, r, r);
 564                         box->xform = Mat4::identity;
 565                 }
 566                 break;
 567
 568         case GOBJ_PLANE:
 569         default:
 570                 return false;
 571         }
 572         return true;
 573 }
 574
 575 bool intersect_sphere_sphere(Disc *result, const Sphere &a, const Sphere &b)
 576 {
 577         Vec3 dir = b.center - a.center;
 578
 579         float dist_sq = length_sq(dir);
 580         if(dist_sq <= 1e-8) return false;
 581
 582         float rsum = a.radius + b.radius;
 583         float rdif = fabs(a.radius - b.radius);
 584         if(dist_sq > rsum * rsum || dist_sq < rdif * rdif) {
 585                 return false;
 586         }
 587
 588         float dist = sqrt(dist_sq);
 589         float t = (dist_sq + a.radius * a.radius - b.radius * b.radius) / (2.0 * sqrt(dist_sq));
 590
 591         result->pt = a.center + dir * t;
 592         result->normal = dir / dist;
 593         result->radius = sin(acos(t)) * a.radius;
 594         return true;
 595 }
 596
 597 bool intersect_plane_plane(Ray *result, const Plane &a, const Plane &b)
 598 {
 599         return false;   // TODO
 600 }
 601
 602 bool intersect_sphere_plane(Sphere *result, const Sphere &s, const Plane &p)
 603 {
 604         return false;   // TODO
 605 }
 606
 607 bool intersect_plane_sphere(Sphere *result, const Plane &p, const Sphere &s)
 608 {
 609         return false;   // TODO
 610 }
 611
 612 bool intersect_aabox_aabox(AABox *res, const AABox &a, const AABox &b)
 613 {
 614         for(int i=0; i<3; i++) {
 615                 res->min[i] = std::max(a.min[i], b.min[i]);
 616                 res->max[i] = std::min(a.max[i], b.max[i]);
 617
 618                 if(res->max[i] < res->min[i]) {
 619                         res->max[i] = res->min[i];
 620                 }
 621         }
 622         return res->min.x != res->max.x && res->min.y != res->max.y && res->min.z != res->max.z;
 623 }