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 Vec3 &min, const Vec3 &max)
 192         : AABox(min, max)
 193 {
 194 }
 195
 196 // XXX all this shit is completely untested
 197 Box::Box(const Vec3 &pos, const Vec3 &vi, const Vec3 &vj, const Vec3 &vk)
 198 {
 199         float ilen = length(vi);
 200         float jlen = length(vj);
 201         float klen = length(vk);
 202
 203         min = Vec3(-ilen, -jlen, -klen);
 204         max = Vec3(ilen, jlen, klen);
 205
 206         float si = ilen == 0.0 ? 1.0 : 1.0 / ilen;
 207         float sj = jlen == 0.0 ? 1.0 : 1.0 / jlen;
 208         float sk = klen == 0.0 ? 1.0 : 1.0 / klen;
 209
 210         xform = Mat4(vi * si, vj * sj, vk * sk);
 211         xform.translate(pos);
 212 }
 213
 214 Box::Box(const Vec3 *varr, int vcount)
 215 {
 216         calc_bounding_aabox(this, varr, vcount);
 217 }
 218
 219 Vec3 Box::get_corner(int idx) const
 220 {
 221         static const Vec3 v[] = {
 222                 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),
 223                 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)
 224         };
 225
 226         return xform * (v[idx] * Vec3(max - min));
 227 }
 228
 229 bool Box::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
 230 {
 231         Mat4 inv_xform = inverse(xform);
 232         Mat4 dir_inv_xform = inv_xform.upper3x3();
 233         Mat4 dir_xform = transpose(dir_inv_xform);
 234         Ray local_ray = Ray(inv_xform * ray.origin, dir_inv_xform * ray.dir);
 235
 236         bool res = AABox::intersect(local_ray, hit);
 237         if(!res || !hit) return res;
 238
 239         hit->pos = xform * hit->pos;
 240         hit->normal = dir_xform * hit->normal;
 241         hit->local_ray = local_ray;
 242         hit->ray = ray;
 243         return true;
 244 }
 245
 246 bool Box::contains(const Vec3 &pt) const
 247 {
 248         // XXX is it faster to extract 6 planes and do dot products? sounds marginal
 249         return AABox::contains(inverse(xform) * pt);
 250 }
 251
 252 float Box::distance(const Vec3 &v) const
 253 {
 254         return 0.0f;    // TODO
 255 }
 256
 257 float Box::signed_distance(const Vec3 &v) const
 258 {
 259         return 0.0f;    // TODO
 260 }
 261
 262 Plane::Plane()
 263         : normal(0.0, 1.0, 0.0)
 264 {
 265 }
 266
 267 Plane::Plane(const Vec3 &p, const Vec3 &norm)
 268         : pt(p)
 269 {
 270         normal = normalize(norm);
 271 }
 272
 273 Plane::Plane(const Vec3 &p1, const Vec3 &p2, const Vec3 &p3)
 274         : pt(p1)
 275 {
 276         normal = normalize(cross(p2 - p1, p3 - p1));
 277 }
 278
 279 Plane::Plane(const Vec3 &normal, float dist)
 280 {
 281         this->normal = normalize(normal);
 282         pt = this->normal * dist;
 283 }
 284
 285 bool Plane::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
 286 {
 287         float ndotdir = dot(normal, ray.dir);
 288         if(fabs(ndotdir) < 1e-4) {
 289                 return false;
 290         }
 291
 292         if(hit) {
 293                 Vec3 ptdir = pt - ray.origin;
 294                 float t = dot(normal, ptdir) / ndotdir;
 295
 296                 hit->dist = t;
 297                 hit->pos = ray.origin + ray.dir * t;
 298                 hit->normal = normal;
 299                 hit->obj = this;
 300         }
 301         return true;
 302 }
 303
 304 bool Plane::contains(const Vec3 &v) const
 305 {
 306         return dot(v, normal) <= 0.0;
 307 }
 308
 309 float Plane::distance(const Vec3 &v) const
 310 {
 311         return std::max(dot(v - pt, normal), 0.0f);
 312 }
 313
 314 float Plane::signed_distance(const Vec3 &v) const
 315 {
 316         return dot(v - pt, normal);
 317 }
 318
 319
 320 Disc::Disc()
 321 {
 322         radius = 1.0;
 323 }
 324
 325 Disc::Disc(const Vec3 &pt, const Vec3 &normal, float rad)
 326         : Plane(pt, normal)
 327 {
 328         radius = rad;
 329 }
 330
 331 Disc::Disc(const Vec3 &normal, float dist, float rad)
 332         : Plane(normal, dist)
 333 {
 334         radius = rad;
 335 }
 336
 337 bool Disc::intersect(const Ray &ray, HitPoint *hit) const
 338 {
 339         HitPoint phit;
 340         if(Plane::intersect(ray, &phit)) {
 341                 if(length_sq(phit.pos - pt) <= radius * radius) {
 342                         *hit = phit;
 343                         return true;
 344                 }
 345         }
 346         return false;
 347 }
 348
 349 bool Disc::contains(const Vec3 &pt) const
 350 {
 351         Vec3 pj = proj_point_plane(pt, *this);
 352         return length_sq(pj - this->pt) <= radius * radius;
 353 }
 354
 355 float Disc::distance(const Vec3 &v) const
 356 {
 357         return 0.0;     // TODO
 358 }
 359
 360 float Disc::signed_distance(const Vec3 &v) const
 361 {
 362         return 0.0;     // TODO
 363 }
 364
 365
 366 Vec3 proj_point_plane(const Vec3 &pt, const Plane &plane)
 367 {
 368         float dist = plane.signed_distance(pt);
 369         return pt - plane.normal * dist;
 370 }
 371
 372 // ---- bounding sphere calculations ----
 373
 374 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const GeomObject *obj)
 375 {
 376         switch(obj->type) {
 377         case GOBJ_SPHERE:
 378                 *sph = *(Sphere*)obj;
 379                 break;
 380
 381         case GOBJ_AABOX:
 382                 sph->center = (AABOX(obj)->min + AABOX(obj)->max) * 0.5;
 383                 sph->radius = length(AABOX(obj)->max - AABOX(obj)->min) * 0.5;
 384                 break;
 385
 386         case GOBJ_BOX:
 387                 sph->center = (BOX(obj)->min + BOX(obj)->max) * 0.5 + BOX(obj)->xform.get_translation();
 388                 sph->radius = length(BOX(obj)->max - BOX(obj)->min) * 0.5;
 389                 break;
 390
 391         case GOBJ_PLANE:
 392         default:
 393                 return false;
 394         }
 395         return true;
 396 }
 397
 398 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const GeomObject *a, const GeomObject *b)
 399 {
 400         Sphere bsa, bsb;
 401
 402         if(!calc_bounding_sphere(&bsa, a) || !calc_bounding_sphere(&bsb, b)) {
 403                 return false;
 404         }
 405
 406         float dist = length(bsa.center - bsb.center);
 407         float surf_dist = dist - (bsa.radius + bsb.radius);
 408         float d1 = bsa.radius + surf_dist / 2.0;
 409         float d2 = bsb.radius + surf_dist / 2.0;
 410         float t = d1 / (d1 + d2);
 411
 412         if(t < 0.0) t = 0.0;
 413         if(t > 1.0) t = 1.0;
 414
 415         sph->center = bsa.center * t + bsb.center * (1.0 - t);
 416         sph->radius = std::max(dist * t + bsb.radius, dist * (1.0f - t) + bsa.radius);
 417         return true;
 418 }
 419
 420 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const GeomObject **objv, int num)
 421 {
 422         if(num <= 0) return false;
 423
 424         if(!calc_bounding_sphere(sph, objv[0])) {
 425                 return false;
 426         }
 427
 428         for(int i=1; i<num; i++) {
 429                 if(!calc_bounding_sphere(sph, sph, objv[i])) {
 430                         return false;
 431                 }
 432         }
 433         return true;
 434 }
 435
 436 bool calc_bounding_sphere(Sphere *sph, const Vec3 *v, int num, const Mat4 &xform)
 437 {
 438         if(num <= 0) return false;
 439
 440         sph->center = Vec3(0.0, 0.0, 0.0);
 441         for(int i=0; i<num; i++) {
 442                 sph->center += xform * v[i];
 443         }
 444         sph->center /= (float)num;
 445
 446         float rad_sq = 0.0f;
 447         for(int i=0; i<num; i++) {
 448                 Vec3 dir = xform * v[i] - sph->center;
 449                 rad_sq = std::max(rad_sq, dot(dir, dir));
 450         }
 451         sph->radius = sqrt(rad_sq);
 452         return true;
 453 }
 454
 455 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const GeomObject *obj)
 456 {
 457         switch(obj->type) {
 458         case GOBJ_AABOX:
 459                 *box = *(AABox*)obj;
 460                 break;
 461
 462         case GOBJ_BOX:
 463                 {
 464                         Vec3 v[8];
 465                         for(int i=0; i<8; i++) {
 466                                 v[i] = BOX(obj)->get_corner(i);
 467                         }
 468                         calc_bounding_aabox(box, v, 8);
 469                 }
 470                 break;
 471
 472         case GOBJ_SPHERE:
 473                 {
 474                         float r = SPHERE(obj)->radius;
 475                         box->min = SPHERE(obj)->center - Vec3(r, r, r);
 476                         box->max = SPHERE(obj)->center + Vec3(r, r, r);
 477                 }
 478                 break;
 479
 480         case GOBJ_PLANE:
 481         default:
 482                 return false;
 483         }
 484         return true;
 485 }
 486
 487 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const GeomObject *a, const GeomObject *b)
 488 {
 489         AABox bba, bbb;
 490
 491         if(!calc_bounding_aabox(&bba, a) || !calc_bounding_aabox(&bbb, b)) {
 492                 return false;
 493         }
 494
 495         for(int i=0; i<3; i++) {
 496                 box->min[i] = std::min(bba.min[i], bbb.min[i]);
 497                 box->max[i] = std::max(bba.max[i], bbb.max[i]);
 498         }
 499         return true;
 500 }
 501
 502 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const GeomObject **objv, int num)
 503 {
 504         if(num <= 0) return false;
 505
 506         if(!calc_bounding_aabox(box, objv[0])) {
 507                 return false;
 508         }
 509
 510         for(int i=1; i<num; i++) {
 511                 if(!calc_bounding_aabox(box, box, objv[i])) {
 512                         return false;
 513                 }
 514         }
 515         return true;
 516 }
 517
 518 bool calc_bounding_aabox(AABox *box, const Vec3 *v, int num, const Mat4 &xform)
 519 {
 520         if(num <= 0) return false;
 521
 522         box->min = box->max = xform * v[0];
 523         for(int i=1; i<num; i++) {
 524                 Vec3 p = xform * v[i];
 525
 526                 for(int j=0; j<3; j++) {
 527                         box->min[j] = std::min(box->min[j], p[j]);
 528                         box->max[j] = std::max(box->max[j], p[j]);
 529                 }
 530         }
 531         return true;
 532 }
 533
 534 bool intersect_sphere_sphere(Disc *result, const Sphere &a, const Sphere &b)
 535 {
 536         Vec3 dir = b.center - a.center;
 537
 538         float dist_sq = length_sq(dir);
 539         if(dist_sq <= 1e-8) return false;
 540
 541         float rsum = a.radius + b.radius;
 542         float rdif = fabs(a.radius - b.radius);
 543         if(dist_sq > rsum * rsum || dist_sq < rdif * rdif) {
 544                 return false;
 545         }
 546
 547         float dist = sqrt(dist_sq);
 548         float t = (dist_sq + a.radius * a.radius - b.radius * b.radius) / (2.0 * sqrt(dist_sq));
 549
 550         result->pt = a.center + dir * t;
 551         result->normal = dir / dist;
 552         result->radius = sin(acos(t)) * a.radius;
 553         return true;
 554 }
 555
 556 bool intersect_plane_plane(Ray *result, const Plane &a, const Plane &b)
 557 {
 558         return false;   // TODO
 559 }
 560
 561 bool intersect_sphere_plane(Sphere *result, const Sphere &s, const Plane &p)
 562 {
 563         return false;   // TODO
 564 }
 565
 566 bool intersect_plane_sphere(Sphere *result, const Plane &p, const Sphere &s)
 567 {
 568         return false;   // TODO
 569 }
 570
 571 bool intersect_aabox_aabox(AABox *res, const AABox &a, const AABox &b)
 572 {
 573         for(int i=0; i<3; i++) {
 574                 res->min[i] = std::max(a.min[i], b.min[i]);
 575                 res->max[i] = std::min(a.max[i], b.max[i]);
 576
 577                 if(res->max[i] < res->min[i]) {
 578                         res->max[i] = res->min[i];
 579                 }
 580         }
 581         return res->min.x != res->max.x && res->min.y != res->max.y && res->min.z != res->max.z;
 582 }