]> git.mxchange.org Git - simgear.git/blob - simgear/scene/sky/newcloud.cxx
Stuart :
[simgear.git] / simgear / scene / sky / newcloud.cxx
1 // 3D cloud class
2 //
3 // Written by Harald JOHNSEN, started April 2005.
4 //
5 // Copyright (C) 2005  Harald JOHNSEN - hjohnsen@evc.net
6 //
7 // This program is free software; you can redistribute it and/or
8 // modify it under the terms of the GNU General Public License as
9 // published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
10 // License, or (at your option) any later version.
11 //
12 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but
13 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
15 // General Public License for more details.
16 //
17 // You should have received a copy of the GNU General Public License
18 // along with this program; if not, write to the Free Software
19 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, USA.
20 //
21 //
22
23 #ifdef HAVE_CONFIG_H
24 #  include <simgear_config.h>
25 #endif
26
27 #include <osg/AlphaFunc>
28 #include <osg/Program>
29 #include <osg/Uniform>
30 #include <osg/ref_ptr>
31 #include <osg/Texture2D>
32 #include <osg/NodeVisitor>
33 #include <osg/PositionAttitudeTransform>
34 #include <osg/Material>
35 #include <osgUtil/UpdateVisitor>
36 #include <osgDB/ReadFile>
37 #include <osgDB/FileUtils>
38
39
40 #include <simgear/compiler.h>
41
42 #include <plib/sg.h>
43 #include <simgear/math/sg_random.h>
44 #include <simgear/misc/sg_path.hxx>
45 #include <simgear/misc/PathOptions.hxx>
46 #include <simgear/scene/model/model.hxx>
47 #include <simgear/scene/util/StateAttributeFactory.hxx>
48 #include <simgear/scene/util/SGUpdateVisitor.hxx>
49
50 #include <algorithm>
51 #include <osg/BlendFunc>
52 #include <osg/GLU>
53 #include <osg/ShadeModel>
54
55 #include "cloudfield.hxx"
56 #include "newcloud.hxx"
57 #include "CloudShaderGeometry.hxx"
58
59 using namespace simgear;
60 using namespace osg;
61
62 typedef std::map<std::string, osg::ref_ptr<osg::StateSet> > StateSetMap;
63
64 StateSetMap cloudTextureMap;
65 double SGNewCloud::sprite_density = 1.0;
66
67 static char vertexShaderSource[] = 
68     "#version 120\n"
69     "\n"
70     "varying float fogFactor;\n"
71     "attribute vec3 usrAttr1;\n"
72     "attribute vec3 usrAttr2;\n"
73     "float textureIndexX = usrAttr1.r;\n"
74     "float textureIndexY = usrAttr1.g;\n"
75     "float wScale = usrAttr1.b;\n"
76     "float hScale = usrAttr2.r;\n"
77     "float shade = usrAttr2.g;\n"
78     "float cloud_height = usrAttr2.b;\n"
79     "void main(void)\n"
80     "{\n"
81     "  gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0 + vec4(textureIndexX, textureIndexY, 0.0, 0.0);\n"
82     "  vec4 ep = gl_ModelViewMatrixInverse * vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);\n"
83     "  vec4 l  = gl_ModelViewMatrixInverse * vec4(0.0,0.0,1.0,1.0);\n"
84     "  vec3 u = normalize(ep.xyz - l.xyz);\n"
85 // Find a rotation matrix that rotates 1,0,0 into u. u, r and w are
86 // the columns of that matrix.
87     "  vec3 absu = abs(u);\n"
88     "  vec3 r = normalize(vec3(-u.y, u.x, 0));\n"
89     "  vec3 w = cross(u, r);\n"
90 // Do the matrix multiplication by [ u r w pos]. Assume no
91 // scaling in the homogeneous component of pos.
92     "  gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n"
93     "  gl_Position.xyz = gl_Vertex.x * u * wScale;\n"
94     "  gl_Position.xyz += gl_Vertex.y * r * hScale;\n"
95     "  gl_Position.xyz += gl_Vertex.z * w;\n"
96     "  gl_Position.xyz += gl_Color.xyz;\n"
97 // Determine a lighting normal based on the vertex position from the
98 // center of the cloud, so that sprite on the opposite side of the cloud to the sun are darker.
99     "  float n = dot(normalize(gl_LightSource[0].position.xyz), normalize(mat3x3(gl_ModelViewMatrix) * gl_Position.xyz));\n"
100 // Determine the position - used for fog and shading calculations        
101     "  vec3 ecPosition = vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Position);\n"
102     "  float fogCoord = abs(ecPosition.z);\n"
103     "  float fract = smoothstep(0.0, cloud_height, gl_Position.z + cloud_height);\n"
104 // Final position of the sprite
105     "  gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Position;\n"
106 // Limit the normal range from [0,1.0], and apply the shading (vertical factor)
107     "  n = min(smoothstep(-0.5, 0.5, n), shade * (1.0 - fract) + fract);\n"
108 // This lighting normal is then used to mix between almost pure ambient (0) and diffuse (1.0) light
109     "  vec4 backlight = 0.9 * gl_LightSource[0].ambient + 0.1 * gl_LightSource[0].diffuse;\n"
110     "  gl_FrontColor = mix(backlight, gl_LightSource[0].diffuse, n);\n"
111     "  gl_FrontColor += gl_FrontLightModelProduct.sceneColor;\n"
112 // As we get within 100m of the sprite, it is faded out. Equally at large distances it also fades out.
113     "  gl_FrontColor.a = min(smoothstep(10.0, 100.0, fogCoord), 1 - smoothstep(15000.0, 20000.0, fogCoord));\n"
114     "  gl_BackColor = gl_FrontColor;\n"
115 // Fog doesn't affect clouds as much as other objects.        
116     "  fogFactor = exp( -gl_Fog.density * fogCoord * 0.5);\n"
117     "  fogFactor = clamp(fogFactor, 0.0, 1.0);\n"
118     "}\n";
119
120 static char fragmentShaderSource[] = 
121     "uniform sampler2D baseTexture; \n"
122     "varying float fogFactor;\n"
123     "\n"
124     "void main(void)\n"
125     "{\n"
126     "  vec4 base = texture2D( baseTexture, gl_TexCoord[0].st);\n"
127     "  vec4 finalColor = base * gl_Color;\n"
128     "  gl_FragColor.rgb = mix(gl_Fog.color.rgb, finalColor.rgb, fogFactor );\n"
129     "  gl_FragColor.a = finalColor.a;\n"
130     "}\n";
131
132 SGNewCloud::SGNewCloud(string type,
133                        const SGPath &tex_path, 
134                        string tex,
135                        double min_w,
136                        double max_w,
137                        double min_h,
138                        double max_h,
139                        double min_sprite_w,
140                        double max_sprite_w,
141                        double min_sprite_h,
142                        double max_sprite_h,
143                        double b,
144                        int n,
145                        int nt_x,
146                        int nt_y) :
147         min_width(min_w),
148         max_width(max_w),
149         min_height(min_h),
150         max_height(max_h),
151         min_sprite_width(min_sprite_w),
152         max_sprite_width(max_sprite_w),
153         min_sprite_height(min_sprite_h),
154         max_sprite_height(max_sprite_h),
155         bottom_shade(b),
156         num_sprites(n),
157         num_textures_x(nt_x),
158         num_textures_y(nt_y),
159         texture(tex),
160         name(type)
161 {
162     // Create a new StateSet for the texture, if required.
163     StateSetMap::iterator iter = SGCloudField::cloudTextureMap.find(texture);
164
165     if (iter == SGCloudField::cloudTextureMap.end()) {
166         stateSet = new osg::StateSet;
167                 
168         osg::ref_ptr<osgDB::ReaderWriter::Options> options = makeOptionsFromPath(tex_path);
169                 
170         osg::Texture2D *tex = new osg::Texture2D;
171         tex->setWrap( osg::Texture2D::WRAP_S, osg::Texture2D::CLAMP );
172         tex->setWrap( osg::Texture2D::WRAP_T, osg::Texture2D::CLAMP );
173         tex->setImage(osgDB::readImageFile(texture, options.get()));
174                 
175         StateAttributeFactory* attribFactory = StateAttributeFactory::instance();
176         
177         stateSet->setMode(GL_LIGHTING,  osg::StateAttribute::ON);
178         stateSet->setMode(GL_CULL_FACE, osg::StateAttribute::OFF);
179         
180         // Fog handling
181         stateSet->setAttributeAndModes(attribFactory->getSmoothShadeModel());
182         stateSet->setAttributeAndModes(attribFactory->getStandardBlendFunc());
183
184         stateSet->setTextureAttributeAndModes(0, tex, osg::StateAttribute::ON );
185         stateSet->setRenderBinDetails(osg::StateSet::TRANSPARENT_BIN, "DepthSortedBin");
186                 
187         static ref_ptr<AlphaFunc> alphaFunc;
188         static ref_ptr<Program> program;
189         static ref_ptr<Uniform> baseTextureSampler;
190         static ref_ptr<Material> material;
191                   
192         // Generate the shader etc, if we don't already have one.
193         if (!program.valid()) {
194             alphaFunc = new AlphaFunc;
195             alphaFunc->setFunction(AlphaFunc::GREATER,0.001f);
196             program  = new Program;
197             baseTextureSampler = new osg::Uniform("baseTexture", 0);
198             Shader* vertex_shader = new Shader(Shader::VERTEX, vertexShaderSource);
199             program->addShader(vertex_shader);
200             program->addBindAttribLocation("usrAttr1", CloudShaderGeometry::USR_ATTR_1);
201             program->addBindAttribLocation("usrAttr2", CloudShaderGeometry::USR_ATTR_2);
202             Shader* fragment_shader = new Shader(Shader::FRAGMENT, fragmentShaderSource);
203             program->addShader(fragment_shader);
204             material = new Material;
205             // DonĀ“t track vertex color
206             material->setColorMode(Material::OFF);
207             
208             // We don't actually use the material information either - see shader.
209             material->setAmbient(Material::FRONT_AND_BACK,
210                                  Vec4(0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f));
211             material->setDiffuse(Material::FRONT_AND_BACK,
212                                  Vec4(0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f));
213         }
214                   
215         stateSet->setAttributeAndModes(alphaFunc.get());
216         stateSet->setAttribute(program.get());
217         stateSet->addUniform(baseTextureSampler.get());
218         stateSet->setMode(GL_VERTEX_PROGRAM_TWO_SIDE, StateAttribute::ON);
219         stateSet->setAttribute(material.get());
220                 
221         // Add the newly created texture to the map for use later.
222         SGCloudField::cloudTextureMap.insert(StateSetMap::value_type(texture,  stateSet));
223     } else {
224         stateSet = iter->second.get();
225     }
226     
227     quad = createOrthQuad(min_sprite_width, min_sprite_height, num_textures_x, num_textures_y);
228 }
229
230 SGNewCloud::~SGNewCloud() {
231 }
232
233 osg::Geometry* SGNewCloud::createOrthQuad(float w, float h, int varieties_x, int varieties_y)
234 {
235     // Create front and back polygons so we don't need to screw around
236     // with two-sided lighting in the shader.
237     osg::Vec3Array& v = *(new osg::Vec3Array(4));
238     osg::Vec3Array& n = *(new osg::Vec3Array(4));
239     osg::Vec2Array& t = *(new osg::Vec2Array(4));
240     
241     float cw = w*0.5f;
242
243     v[0].set(0.0f, -cw, 0.0f);
244     v[1].set(0.0f,  cw, 0.0f);
245     v[2].set(0.0f,  cw, h);
246     v[3].set(0.0f, -cw, h);
247     
248     // The texture coordinate range is not the
249     // entire coordinate space - as the texture
250     // has a number of different clouds on it.
251     float tx = 1.0f/varieties_x;
252     float ty = 1.0f/varieties_y;
253
254     t[0].set(0.0f, 0.0f);
255     t[1].set(  tx, 0.0f);
256     t[2].set(  tx, ty);
257     t[3].set(0.0f, ty);
258
259     // The normal isn't actually use in lighting.
260     n[0].set(1.0f, -1.0f, -1.0f);
261     n[1].set(1.0f,  1.0f, -1.0f);
262     n[2].set(1.0f,  1.0f,  1.0f);
263     n[3].set(1.0f, -1.0f,  1.0f);
264
265     osg::Geometry *geom = new osg::Geometry;
266
267     geom->setVertexArray(&v);
268     geom->setTexCoordArray(0, &t);
269     geom->setNormalArray(&n);
270     geom->setNormalBinding(Geometry::BIND_PER_VERTEX);
271     // No color for now; that's used to pass the position.
272     geom->addPrimitiveSet(new osg::DrawArrays(osg::PrimitiveSet::QUADS,0,4));
273
274     return geom;
275 }
276
277 // return a random number between -n/2 and n/2, tending to 0
278 static float Rnd(float n) {
279     return n * (-0.5f + (sg_random() + sg_random()) / 2.0f);
280 }
281
282 osg::ref_ptr<Geode> SGNewCloud::genCloud() {
283     
284     osg::ref_ptr<osg::Geode> geode = new Geode;
285         
286     CloudShaderGeometry* sg = new CloudShaderGeometry(num_textures_x, num_textures_y, max_width, max_height);
287     
288     // Determine how big this specific cloud instance is. Note that we subtract
289     // the sprite size because the width/height is used to define the limits of
290     // the center of the sprites, not their edges.
291     float width = min_width + sg_random() * (max_width - min_width) - min_sprite_width;
292     float height = min_height + sg_random() * (max_height - min_height) - min_sprite_height;
293     
294     // Determine the cull distance. This is used to remove sprites that are too close together.
295     // The value is squared as we use vector calculations.
296     float cull_distance_squared = min_sprite_height * min_sprite_height * 0.1f;
297     
298     // The number of sprites we actually used is a function of the (user-controlled) density
299     int n_sprites = num_sprites * sprite_density;
300     
301     for (int i = 0; i < n_sprites; i++)
302     {
303         // Determine the position of the sprite. Rather than being completely random,
304         // we place them on the surface of a distorted sphere. However, we place
305         // the first and second sprites on the top and bottom, and the third in the
306         // center of the sphere (and at maximum size) to ensure good coverage and
307         // reduce the chance of there being "holes" in our cloud.
308         float x, y, z;
309         
310         if (i == 0) {
311             x = 0;
312             y = 0;
313             z = height * 0.5f;
314         } else if (i == 1) {
315             x = 0;
316             y = 0;
317             z = - height * 0.5f;
318         } else if (i == 2) {
319             x = 0;
320             y = 0;
321             z = 0;
322         } else {
323             double theta = sg_random() * SGD_2PI;
324             double elev  = sg_random() * SGD_PI;
325             x = width * cos(theta) * 0.5f * sin(elev);
326             y = width * sin(theta) * 0.5f * sin(elev);
327             z = height * cos(elev) * 0.5f; 
328         }
329         
330         SGVec3f *pos = new SGVec3f(x, y, z); 
331
332         // Determine the height and width as scaling factors on the minimum size (used to create the quad)
333         float sprite_width = 1.0f + sg_random() * (max_sprite_width - min_sprite_width) / min_sprite_width;
334         float sprite_height = 1.0f + sg_random() * (max_sprite_height - min_sprite_height) / min_sprite_height;
335         
336         if (i == 2) {
337             // The center sprite is always maximum size to fill up any holes.
338             sprite_width = 1.0f + (max_sprite_width - min_sprite_width) / min_sprite_width;
339             sprite_height = 1.0f + (max_sprite_height - min_sprite_height) / min_sprite_height;
340         }
341         
342         // Determine the sprite texture indexes;
343         int index_x = (int) floor(sg_random() * num_textures_x);
344         if (index_x == num_textures_x) { index_x--; }
345         
346         int index_y = (int) floor(sg_random() * num_textures_y);
347         if (index_y == num_textures_y) { index_y--; }
348         
349         sg->addSprite(*pos, 
350                     index_x, 
351                     index_y, 
352                     sprite_width, 
353                     sprite_height, 
354                     bottom_shade, 
355                     cull_distance_squared, 
356                     height * 0.5f);
357     }
358     
359     sg->setGeometry(quad);
360     geode->addDrawable(sg);
361     geode->setName("3D cloud");
362     geode->setStateSet(stateSet.get());
363     
364     return geode;
365 }
366