]> git.mxchange.org Git - simgear.git/blob - simgear/scene/sky/sky.hxx
Work around apparent OSG 3.2.0 normal binding bug.
[simgear.git] / simgear / scene / sky / sky.hxx
1 /**
2  * \file sky.hxx
3  * Provides a class to model a realistic (time/date/position) based sky.
4  */
5
6 // Written by Curtis Olson, started December 1997.
7 // SSG-ified by Curtis Olson, February 2000.
8 //
9 // Copyright (C) 1997-2000  Curtis L. Olson  - http://www.flightgear.org/~curt
10 //
11 // This library is free software; you can redistribute it and/or
12 // modify it under the terms of the GNU Library General Public
13 // License as published by the Free Software Foundation; either
14 // version 2 of the License, or (at your option) any later version.
15 //
16 // This library is distributed in the hope that it will be useful,
17 // but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
18 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
19 // Library General Public License for more details.
20 //
21 // You should have received a copy of the GNU General Public License
22 // along with this program; if not, write to the Free Software
23 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, USA.
24 //
25 // $Id$
26
27
28 #ifndef _SG_SKY_HXX
29 #define _SG_SKY_HXX
30
31
32 #ifndef __cplusplus
33 # error This library requires C++
34 #endif
35
36 #include <simgear/compiler.h>
37 #include <simgear/math/sg_random.h>
38 #include <simgear/misc/sg_path.hxx>
39 #include <simgear/props/props.hxx>
40
41 #include <vector>
42
43 #include <osg/ref_ptr>
44 #include <osg/MatrixTransform>
45 #include <osg/Node>
46 #include <osg/Switch>
47
48 #include <simgear/ephemeris/ephemeris.hxx>
49 #include <simgear/math/SGMath.hxx>
50
51 #include <simgear/scene/sky/cloud.hxx>
52 #include <simgear/scene/sky/dome.hxx>
53 #include <simgear/scene/sky/moon.hxx>
54 #include <simgear/scene/sky/oursun.hxx>
55 #include <simgear/scene/sky/stars.hxx>
56
57 namespace simgear {
58 class SGReaderWriterOptions;
59 }
60
61 typedef struct {
62     SGVec3d pos;
63     SGGeod pos_geod;
64     SGQuatd ori;
65     double spin;
66         double gst;
67         double sun_dist;
68         double moon_dist;
69         double sun_angle;
70 } SGSkyState;
71
72 typedef struct {
73         SGVec3f sky_color;
74     SGVec3f adj_sky_color;
75     SGVec3f fog_color;
76         SGVec3f cloud_color;
77         double sun_angle, moon_angle;
78 } SGSkyColor;
79
80 /**
81  * A class to model a realistic (time/date/position) based sky.
82  *
83  * Introduction 
84  *
85  * The SGSky class models a blended sky dome, a haloed sun, a textured
86  * moon with phase that properly matches the date, stars and planets,
87  * and cloud layers. SGSky is designed to be dropped into existing
88  * plib based applications and depends heavily on plib's scene graph
89  * library, ssg. The sky implements various time of day lighting
90  * effects, it plays well with fog and visibility effects, and
91  * implements scudded cloud fly-through effects. Additionally, you can
92  * wire in the output of the SGEphemeris class to accurately position
93  * all the objects in the sky.
94  *
95  * Building the sky 
96  *
97
98  * Once you have created an instance of SGSky you must call the
99  * build() method.  Building the sky requires several textures. So,
100  * you must specify the path/directory where these textures reside
101  * before building the sky.  You do this first by calling the
102  * texture_path() method.
103
104  * The arguments you pass to the build() method allow you to specify
105  * the horizontal and vertical radiuses of the sky dome, the size of
106  * your sun sphere and moon sphere, a number of planets, and a
107  * multitude of stars.  For the planets and stars you pass in an array
108  * of right ascensions, declinations, and magnitudes.
109
110  * Cloud Layers 
111
112  * Cloud layers can be added, changed, or removed individually. To add
113  * a cloud layer use the add_cloud_layer() method.  The arguments
114  * allow you to specify base height above sea level, layer thickness,
115  * a transition zone for entering/leaving the cloud layer, the size of
116  * the cloud object, and the type of cloud texture. All distances are
117  * in meters. There are additional forms of this method that allow you
118  * to specify your own ssgSimpleState or texture name for drawing the
119  * cloud layer.
120
121  * Repainting the Sky 
122
123  * As the sun circles the globe, you can call the repaint() method to
124  * recolor the sky objects to simulate sunrise and sunset effects,
125  * visibility, and other lighting changes.  The arguments allow you to
126  * specify a base sky color (for the top of the dome), a fog color
127  * (for the horizon), the sun angle with the horizon (for
128  * sunrise/sunset effects), the moon angle (so we can make it more
129  * yellow at the horizon), and new star and planet data so that we can
130  * optionally change the magnitude of these (for day / night
131  * transitions.)
132
133  * Positioning Sky Objects 
134
135  * As time progresses and as you move across the surface of the earth,
136  * the apparent position of the objects and the various lighting
137  * effects can change. the reposition() method allows you to specify
138  * the positions of all the sky objects as well as your view position.
139  * The arguments allow you to specify your view position in world
140  * Cartesian coordinates, the zero elevation position in world
141  * Cartesian coordinates (your longitude, your latitude, sea level),
142  * the ``up'' vector in world Cartesian coordinates, current
143  * longitude, latitude, and altitude. A ``spin'' angle can be
144  * specified for orienting the sky with the sun position so sunset and
145  * sunrise effects look correct. You must specify GMT side real time,
146  * the sun right ascension, sun declination, and sun distance from
147  * view point (to keep it inside your view volume.) You also must
148  * specify moon right ascension, moon declination, and moon distance
149  * from view point.
150
151  * Rendering the Sky 
152
153  * The sky is designed to be rendered in three stages. The first stage
154  * renders the parts that form your back drop - the sky dome, the
155  * stars and planets, the sun, and the moon.  These should be rendered
156  * before the rest of your scene by calling the preDraw() method. The
157  * second stage renders the clouds that are above the viewer. This stage 
158  * is done before translucent objects in the main scene are drawn. It 
159  * is seperated from the preDraw routine to enable to implement a 
160  * multi passes technique and is located in the drawUpperClouds() method.
161  * The third stage renders the clouds that are below the viewer an which 
162  * are likely to be translucent (depending on type) and should be drawn 
163  * after your scene has been rendered.  Use the drawLowerClouds() method 
164  * to draw the second stage of the sky.
165
166  * A typical application might do the following: 
167
168  * <li> thesky->preDraw( my_altitude );
169  * <li> thesky->drawUpperClouds();
170  * <li> ssgCullAndDraw ( myscene ) ;
171  * <li> thesky->drawLowerClouds();
172
173  * The current altitude in meters is passed to the preDraw() method
174  * so the clouds layers can be rendered correction from most distant
175  * to closest.
176
177  * Visibility Effects 
178
179  * Visibility and fog is important for correctly rendering the
180  * sky. You can inform SGSky of the current visibility by calling the
181  * set_visibility() method.
182
183  * When transitioning through clouds, it is nice to pull in the fog as
184  * you get close to the cloud layer to hide the fact that the clouds
185  * are drawn as a flat polygon. As you get nearer to the cloud layer
186  * it is also nice to temporarily pull in the visibility to simulate
187  * the effects of flying in and out of the puffy edge of the
188  * cloud. These effects can all be accomplished by calling the
189  * modify_vis() method.  The arguments allow you to specify your
190  * current altitude (which is then compared to the altitudes of the
191  * various cloud layers.) You can also specify a time factor which
192  * should be the length in seconds since the last time you called
193  * modify_vis(). The time_factor value allows the puffy cloud effect
194  * to be calculated correctly.
195
196  * The modify_vis() method alters the SGSky's internal idea of
197  * visibility, so you should subsequently call get_visibility() to get
198  * the actual modified visibility. You should then make the
199  * appropriate glFog() calls to setup fog properly for your scene.
200
201  * Accessor Methods 
202
203  * Once an instance of SGSky has been successfully initialized, there
204  * are a couple accessor methods you can use such as get_num_layers()
205  * to return the number of cloud layers, get_cloud_layer(i) to return
206  * cloud layer number i, get_visibility() to return the actual
207  * visibility as modified by the sky/cloud model.
208
209  */
210
211 class SGSky {
212
213 private:
214     typedef std::vector<SGSharedPtr<SGCloudLayer> > layer_list_type;
215     typedef layer_list_type::iterator layer_list_iterator;
216     typedef layer_list_type::const_iterator layer_list_const_iterator;
217
218     // components of the sky
219     SGSharedPtr<SGSkyDome> dome;
220     SGSharedPtr<SGSun> oursun;
221     SGSharedPtr<SGMoon> moon;
222     SGSharedPtr<SGStars> planets;
223     SGSharedPtr<SGStars> stars;
224     layer_list_type cloud_layers;
225
226     osg::ref_ptr<osg::Group> pre_root, cloud_root;
227     osg::ref_ptr<osg::Switch> pre_selector;
228     osg::ref_ptr<osg::Group> pre_transform;
229
230     osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> _ephTransform;
231
232     SGPath tex_path;
233
234     // visibility
235     float visibility;
236     float effective_visibility;
237     float minimum_sky_visibility;
238
239     int in_cloud;
240
241     // near cloud visibility state variables
242     bool in_puff;
243     double puff_length;         // in seconds
244     double puff_progression;    // in seconds
245     double ramp_up;             // in seconds
246     double ramp_down;           // in seconds
247
248     // 3D clouds enabled
249     bool clouds_3d_enabled;
250
251     // 3D cloud density
252     double clouds_3d_density;
253     
254     // RNG seed
255     mt seed;
256
257 public:
258
259     /** Constructor */
260     SGSky( void );
261
262     /** Destructor */
263     ~SGSky( void );
264
265     /**
266      * Initialize the sky and connect the components to the scene
267      * graph at the provided branch.  See discussion in detailed class
268      * description.
269      * @param h_radius_m horizontal radius of sky dome
270      * @param v_radius_m vertical radius of sky dome
271      * @param sun_size size of sun
272      * @param moon_size size of moon
273      * @param nplanets number of planets
274      * @param planet_data an array of planet right ascensions, declinations,
275      *        and magnitudes
276      * @param nstars number of stars
277      * @param star_data an array of star right ascensions, declinations,
278      *        and magnitudes
279      */
280     void build( double h_radius_m, double v_radius_m,
281                 double sun_size, double moon_size,
282                 const SGEphemeris& eph, SGPropertyNode *property_tree_node,
283                 simgear::SGReaderWriterOptions* options);
284
285     /**
286      * Repaint the sky components based on current value of sun_angle,
287      * sky, and fog colors.  You can also specify new star and planet
288      * data so that we can optionally change the magnitude of these
289      * (for day/night transitions.)  See discussion in detailed
290      * class description.
291      *
292      * Sun and moon angles are specified in degrees relative to local up
293      * <li> 0 degrees = high noon
294      * <li> 90 degrees = sun rise/set
295      * <li> 180 degrees = darkest midnight
296      * @param sky_color the base sky color (for the top of the dome)
297      * @param fog_color the fog color (for the horizon)
298      * @param sun_angle the sun angle with the horizon (for sunrise/sunset
299      *        effects)
300      * @param moon_angle the moon angle (so we can make it more yellow
301      *        at the horizon)
302      * @param nplanets number of planets
303      * @param planet_data an array of planet right ascensions, declinations,
304      *        and magnitudes
305      * @param nstars number of stars
306      * @param star_data an array of star right ascensions, declinations,
307      *        and magnitudes
308      */
309     bool repaint( const SGSkyColor &sc, const SGEphemeris& eph );
310
311     /**
312      * Reposition the sky at the specified origin and orientation
313      *
314      * lon specifies a rotation about the Z axis
315      * lat specifies a rotation about the new Y axis
316      * spin specifies a rotation about the new Z axis (this allows
317      * additional orientation for the sunrise/set effects and is used
318      * by the skydome and perhaps clouds.  See discussion in detailed
319      * class description.
320      * @param view_pos specify your view position in world Cartesian
321      *        coordinates
322      * @param zero_elev the zero elevation position in world Cartesian
323      *        coordinates
324      * @param view_up the up vector in world Cartesian coordinates
325      * @param lon current longitude
326      * @param lat current latitude
327      * @param alt current altitude
328      * @param spin an offset angle for orienting the sky effects with the
329      *        sun position so sunset and sunrise effects look correct.
330      * @param gst GMT side real time
331      * @param sun_ra the sun's current right ascension
332      * @param sun_dec the sun's current declination
333      * @param sun_dist the sun's distance from the current view point
334      *        (to keep it inside your view volume.)
335      * @param moon_ra the moon's current right ascension
336      * @param moon_dec the moon's current declination
337      * @param moon_dist the moon's distance from the current view point. 
338      */
339     bool reposition( const SGSkyState &st, const SGEphemeris& eph, double dt = 0.0 );
340
341     /**
342      * Modify the given visibility based on cloud layers, thickness,
343      * transition range, and simulated "puffs".  See discussion in detailed
344      * class description.
345      * @param alt current altitude
346      * @param time_factor amount of time since modify_vis() last called so
347      *        we can scale effect rates properly despite variable frame rates.
348      */
349     void modify_vis( float alt, float time_factor );
350
351     osg::Node* getPreRoot() { return pre_root.get(); }
352     osg::Node* getCloudRoot() { return cloud_root.get(); }
353
354     /** 
355      * Specify the texture path (optional, defaults to current directory)
356      * @param path base path to texture locations
357      */
358     void texture_path( const string& path );
359
360     /** Enable drawing of the sky. */
361     inline void enable() {
362         pre_selector->setValue(0, 1);
363     }
364
365     /**
366      * Disable drawing of the sky in the scene graph.  The leaf node is still
367      * there, how ever it won't be traversed on by ssgCullandRender()
368      */
369     inline void disable() {
370         pre_selector->setValue(0, 0);
371     }
372
373     /**
374      * Get the current sun color
375      */
376     inline SGVec4f get_sun_color() { return oursun->get_color(); }
377
378     /**
379      * Get the current scene color
380      */
381     inline SGVec4f get_scene_color() { return oursun->get_scene_color(); }
382
383     /**
384      * Add a cloud layer.
385      *
386      * Transfer pointer ownership to this object.
387      *
388      * @param layer The new cloud layer to add.
389      */
390     void add_cloud_layer (SGCloudLayer * layer);
391
392
393     /**
394      * Get a cloud layer (const).
395      *
396      * Pointer ownership remains with this object.
397      *
398      * @param i The index of the cloud layer, zero-based.
399      * @return A const pointer to the cloud layer.
400      */
401     const SGCloudLayer * get_cloud_layer (int i) const;
402
403
404     /**
405      * Get a cloud layer (non-const).
406      *
407      * Pointer ownership remains with this object.
408      *
409      * @param i The index of the cloud layer, zero-based.
410      * @return A non-const pointer to the cloud layer.
411      */
412     SGCloudLayer * get_cloud_layer (int i);
413
414
415     /**
416      * Return the number of cloud layers currently available.
417      *
418      * @return The cloud layer count.
419      */
420     int get_cloud_layer_count () const;
421
422
423     /** @return current effective visibility */
424     inline float get_visibility() const { return effective_visibility; }
425
426     /** Set desired clear air visibility.
427      * @param v visibility in meters
428      */
429     inline void set_visibility( float v ) {
430         effective_visibility = visibility = (v <= 25.0) ? 25.0 : v;
431     }
432
433     /** Get 3D cloud density */
434     double get_3dCloudDensity() const;
435
436     /** Set 3D cloud density 
437      * @param density 3D cloud density
438      */
439     void set_3dCloudDensity(double density);
440
441     /** Get 3D cloud visibility range*/
442     float get_3dCloudVisRange() const;
443
444     /** Set 3D cloud visibility range
445      * @param density 3D cloud visibility range
446      */
447     void set_3dCloudVisRange(float vis);
448
449     /** Get 3D cloud impostor distance*/
450     float get_3dCloudImpostorDistance() const;
451
452     /** Set 3D cloud impostor distance
453      * @param density 3D cloud impostor distance
454      */
455     void set_3dCloudImpostorDistance(float vis);
456
457     /** Get 3D cloud LoD1 Range*/
458     float get_3dCloudLoD1Range() const;
459
460     /** Set 3D cloud LoD1 Range
461      * @param vis LoD1 Range
462      */
463     void set_3dCloudLoD1Range(float vis);
464
465     /** Get 3D cloud LoD2 Range*/
466     float get_3dCloudLoD2Range() const;
467
468     /** Set 3D cloud LoD2 Range
469      * @param vis LoD2 Range
470      */
471     void set_3dCloudLoD2Range(float vis);
472
473     /** Get 3D cloud impostor usage */
474     bool get_3dCloudUseImpostors() const;
475
476     /** Set 3D cloud impostor usage
477      * @param wrap whether use impostors for 3D clouds
478      */
479     void set_3dCloudUseImpostors(bool imp);
480
481     /** Get 3D cloud wrapping */
482     bool get_3dCloudWrap() const;
483
484     /** Set 3D cloud wrapping
485      * @param wrap whether to wrap 3D clouds
486      */
487     void set_3dCloudWrap(bool wrap);
488
489
490     /** Get minimum sky visibility */
491     float get_minimum_sky_visibility() const;
492
493     /** Set minimum sky visibility */
494     void set_minimum_sky_visibility( float value );
495 };
496 #endif // _SG_SKY_HXX