src/Time/light.cxx

   1 //
   2 // light.cxx -- lighting routines
   3 //
   4 // Written by Curtis Olson, started April 1998.
   5 //
   6 // Copyright (C) 1998  Curtis L. Olson  - http://www.flightgear.org/~curt
   7 //
   8 // This program is free software; you can redistribute it and/or
   9 // modify it under the terms of the GNU General Public License as
  10 // published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
  11 // License, or (at your option) any later version.
  12 //
  13 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  14 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  16 // General Public License for more details.
  17 //
  18 // You should have received a copy of the GNU General Public License
  19 // along with this program; if not, write to the Free Software
  20 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, USA.
  21 //
  22 // $Id$
  23
  24
  25 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  26 #  include <config.h>
  27 #endif
  28
  29 #include <simgear/compiler.h>
  30
  31 #include <cmath>
  32
  33 #include <simgear/constants.h>
  34 #include <simgear/debug/logstream.hxx>
  35 #include <simgear/math/interpolater.hxx>
  36 #include <simgear/misc/sg_path.hxx>
  37 #include <simgear/scene/sky/sky.hxx>
  38 #include <simgear/screen/colors.hxx>
  39 #include <simgear/timing/sg_time.hxx>
  40 #include <simgear/structure/event_mgr.hxx>
  41
  42 #include <Main/main.hxx>
  43 #include <Main/globals.hxx>
  44 #include <Main/fg_props.hxx>
  45 #include <Viewer/renderer.hxx>
  46 #include <Viewer/viewer.hxx>
  47
  48 #include "light.hxx"
  49 #include "sunsolver.hxx"
  50
  51 // Constructor
  52 FGLight::FGLight ()
  53     : _ambient_tbl( NULL ),
  54       _diffuse_tbl( NULL ),
  55       _specular_tbl( NULL ),
  56       _sky_tbl( NULL ),
  57       _sun_lon(0),
  58       _sun_lat(0),
  59       _moon_lon(0),
  60       _moon_gc_lat(0),
  61       _sun_vec(0, 0, 0, 0),
  62       _moon_vec(0, 0, 0, 0),
  63       _sun_vec_inv(0, 0, 0, 0),
  64       _moon_vec_inv(0, 0, 0, 0),
  65       _sun_angle(0),
  66       _moon_angle(0),
  67       _prev_sun_angle(0),
  68       _sun_rotation(0),
  69       _moon_rotation(0),
  70       _scene_ambient(0, 0, 0, 0),
  71       _scene_diffuse(0, 0, 0, 0),
  72       _scene_specular(0, 0, 0, 0),
  73       _scene_chrome(0, 0, 0, 0),
  74       _sun_color(1, 1, 1, 0),
  75       _sky_color(0, 0, 0, 0),
  76       _fog_color(0, 0, 0, 0),
  77       _cloud_color(0, 0, 0, 0),
  78       _adj_fog_color(0, 0, 0, 0),
  79       _adj_sky_color(0, 0, 0, 0),
  80       _saturation(1.0),
  81       _scattering(0.8),
  82       _overcast(0.0),
  83       _dt_total(0)
  84 {
  85 }
  86
  87 // Destructor
  88 FGLight::~FGLight ()
  89 {
  90     delete _ambient_tbl;
  91     delete _diffuse_tbl;
  92     delete _specular_tbl;
  93     delete _sky_tbl;
  94 }
  95
  96
  97 // initialize lighting tables
  98 void FGLight::init () {
  99     SG_LOG( SG_EVENT, SG_INFO,
 100             "Initializing Lighting interpolation tables." );
 101
 102     // build the path names of the lookup tables
 103     SGPath path( globals->get_fg_root() );
 104
 105     // initialize ambient, diffuse and specular tables
 106     SGPath ambient_path = path;
 107     ambient_path.append( "Lighting/ambient" );
 108     _ambient_tbl = new SGInterpTable( ambient_path.str() );
 109
 110     SGPath diffuse_path = path;
 111     diffuse_path.append( "Lighting/diffuse" );
 112     _diffuse_tbl = new SGInterpTable( diffuse_path.str() );
 113
 114     SGPath specular_path = path;
 115     specular_path.append( "Lighting/specular" );
 116     _specular_tbl = new SGInterpTable( specular_path.str() );
 117
 118     // initialize sky table
 119     SGPath sky_path = path;
 120     sky_path.append( "Lighting/sky" );
 121     _sky_tbl = new SGInterpTable( sky_path.str() );
 122
 123     globals->get_event_mgr()->addTask("updateSunPos", this,
 124                             &FGLight::updateSunPos, 0.5 );
 125 }
 126
 127
 128 void FGLight::reinit () {
 129     _prev_sun_angle = -9999.0;
 130     _dt_total = 0;
 131
 132     delete _ambient_tbl;
 133     delete _diffuse_tbl;
 134     delete _specular_tbl;
 135     delete _sky_tbl;
 136
 137     init();
 138
 139     updateSunPos();
 140     update_sky_color();
 141     update_adj_fog_color();
 142 }
 143
 144 void FGLight::bind () {
 145     SGPropertyNode *prop = globals->get_props();
 146
 147     // Write Only
 148     tie(prop,"/rendering/scene/saturation",     SGRawValuePointer<float>(&_saturation));
 149     tie(prop,"/rendering/scene/scattering",     SGRawValuePointer<float>(&_scattering));
 150     tie(prop,"/rendering/scene/overcast",       SGRawValuePointer<float>(&_overcast));
 151
 152     _sunAngleRad = prop->getNode("/sim/time/sun-angle-rad", true);
 153     _sunAngleRad->setDoubleValue(_sun_angle);
 154     _humidity = fgGetNode("/environment/relative-humidity", true);
 155
 156     // Read Only
 157     tie(prop,"/rendering/scene/ambient/red",    SGRawValuePointer<float>(&_scene_ambient[0]));
 158     tie(prop,"/rendering/scene/ambient/green",  SGRawValuePointer<float>(&_scene_ambient[1]));
 159     tie(prop,"/rendering/scene/ambient/blue",   SGRawValuePointer<float>(&_scene_ambient[2]));
 160     tie(prop,"/rendering/scene/diffuse/red",    SGRawValuePointer<float>(&_scene_diffuse[0]));
 161     tie(prop,"/rendering/scene/diffuse/green",  SGRawValuePointer<float>(&_scene_diffuse[1]));
 162     tie(prop,"/rendering/scene/diffuse/blue",   SGRawValuePointer<float>(&_scene_diffuse[2]));
 163     tie(prop,"/rendering/scene/specular/red",   SGRawValuePointer<float>(&_scene_specular[0]));
 164     tie(prop,"/rendering/scene/specular/green", SGRawValuePointer<float>(&_scene_specular[1]));
 165     tie(prop,"/rendering/scene/specular/blue",  SGRawValuePointer<float>(&_scene_specular[2]));
 166     tie(prop,"/rendering/dome/sun/red",         SGRawValuePointer<float>(&_sun_color[0]));
 167     tie(prop,"/rendering/dome/sun/green",       SGRawValuePointer<float>(&_sun_color[1]));
 168     tie(prop,"/rendering/dome/sun/blue",        SGRawValuePointer<float>(&_sun_color[2]));
 169     tie(prop,"/rendering/dome/sky/red",         SGRawValuePointer<float>(&_sky_color[0]));
 170     tie(prop,"/rendering/dome/sky/green",       SGRawValuePointer<float>(&_sky_color[1]));
 171     tie(prop,"/rendering/dome/sky/blue",        SGRawValuePointer<float>(&_sky_color[2]));
 172     tie(prop,"/rendering/dome/cloud/red",       SGRawValuePointer<float>(&_cloud_color[0]));
 173     tie(prop,"/rendering/dome/cloud/green",     SGRawValuePointer<float>(&_cloud_color[1]));
 174     tie(prop,"/rendering/dome/cloud/blue",      SGRawValuePointer<float>(&_cloud_color[2]));
 175     tie(prop,"/rendering/dome/fog/red",         SGRawValuePointer<float>(&_fog_color[0]));
 176     tie(prop,"/rendering/dome/fog/green",       SGRawValuePointer<float>(&_fog_color[1]));
 177     tie(prop,"/rendering/dome/fog/blue",        SGRawValuePointer<float>(&_fog_color[2]));
 178
 179     // Properties used directly by effects
 180     _chromeProps[0] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/red", true);
 181     _chromeProps[1] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/green",
 182                                     true);
 183     _chromeProps[2] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/blue", true);
 184     _chromeProps[3] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/alpha",
 185                                     true);
 186     for (int i = 0; i < 4; ++i)
 187         _chromeProps[i]->setValue(0.0);
 188 }
 189
 190 void FGLight::unbind () {
 191     _tiedProperties.Untie();
 192 }
 193
 194
 195 // update lighting parameters based on current sun position
 196 void FGLight::update( double dt )
 197 {
 198     update_adj_fog_color();
 199
 200     if (_prev_sun_angle != _sun_angle) {
 201         _prev_sun_angle = _sun_angle;
 202         update_sky_color();
 203     }
 204 }
 205
 206 void FGLight::update_sky_color () {
 207     const SGVec4f base_sky_color( 0.31, 0.43, 0.69, 1.0 );
 208     const SGVec4f base_fog_color( 0.63, 0.72, 0.88, 1.0 );
 209
 210     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "Updating light parameters." );
 211
 212     // calculate lighting parameters based on sun's relative angle to
 213     // local up
 214     float av = _humidity->getFloatValue() * 45;
 215     float visibility_log = log(av)/11.0;
 216     float visibility_inv = (45000.0 - av)/45000.0;
 217
 218     float deg = _sun_angle * SGD_RADIANS_TO_DEGREES;
 219     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "  Sun angle = " << deg );
 220
 221     if (_saturation < 0.0) _saturation = 0.0;
 222     else if (_saturation > 1.0) _saturation = 1.0;
 223     if (_scattering < 0.0) _scattering = 0.0;
 224     else if (_scattering > 1.0) _scattering = 1.0;
 225     if (_overcast < 0.0) _overcast = 0.0;
 226     else if (_overcast > 1.0) _overcast = 1.0;
 227
 228     float ambient = _ambient_tbl->interpolate( deg ) + visibility_inv/10;
 229     float diffuse = _diffuse_tbl->interpolate( deg );
 230     float specular = _specular_tbl->interpolate( deg ) * visibility_log;
 231     float sky_brightness = _sky_tbl->interpolate( deg );
 232
 233     ambient *= _saturation;
 234     diffuse *= _saturation;
 235     specular *= _saturation;
 236     sky_brightness *= _saturation;
 237
 238     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG,
 239             "  ambient = " << ambient << "  diffuse = " << diffuse
 240             << "  specular = " << specular << "  sky = " << sky_brightness );
 241
 242     // sky_brightness = 0.15;  // used to force a dark sky (when testing)
 243
 244     /** fog color */
 245     float sqr_sky_brightness = sky_brightness * sky_brightness * _scattering;
 246     _fog_color = base_fog_color * sqr_sky_brightness;
 247     _fog_color[3] = base_fog_color[3];
 248     gamma_correct_rgb( _fog_color.data() );
 249
 250     /** sky color */
 251     static const SGVec4f one_vec( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
 252     SGVec4f overcast_color = (one_vec - base_sky_color) * _overcast;
 253     _sky_color = (base_sky_color + overcast_color) * sky_brightness;
 254     _sky_color[3] = base_sky_color[3];
 255     gamma_correct_rgb( _sky_color.data() );
 256
 257     /** cloud color */
 258     _cloud_color = base_fog_color * sky_brightness;
 259
 260     /** adjust the cloud colors for sunrise/sunset effects (darken them) */
 261     if (_sun_angle > 1.0) {
 262        float sun2 = 1.0 / sqrt(_sun_angle);
 263        _cloud_color *= sun2;
 264     }
 265     _cloud_color[3] = base_fog_color[3];
 266     gamma_correct_rgb( _cloud_color.data() );
 267
 268     /** ambient light */
 269     _scene_ambient = _fog_color  * ambient;
 270     _scene_ambient[3] = _fog_color[3];
 271     gamma_correct_rgb( _scene_ambient.data() );
 272
 273     /** diffuse light */
 274     SGSky* thesky = globals->get_renderer()->getSky();
 275     SGVec4f color = thesky->get_scene_color();
 276     _scene_diffuse = color * diffuse;
 277     _scene_diffuse[3] = color[3];
 278     gamma_correct_rgb( _scene_diffuse.data() );
 279
 280     SGVec4f chrome = _scene_ambient * .4f + _scene_diffuse;
 281     chrome[3] = 1.0f;
 282     if (chrome != _scene_chrome) {
 283         _scene_chrome = chrome;
 284         for (int i = 0; i < 4; ++i)
 285             _chromeProps[i]->setValue(static_cast<double>(_scene_chrome[i]));
 286     }
 287
 288     /** specular light */
 289     _sun_color = thesky->get_sun_color();
 290     _scene_specular = _sun_color * specular;
 291     _scene_specular[3] = _sun_color[3];
 292     gamma_correct_rgb( _scene_specular.data() );
 293 }
 294
 295
 296 // calculate fog color adjusted for sunrise/sunset effects
 297 void FGLight::update_adj_fog_color () {
 298
 299 //    double pitch = globals->get_current_view()->getPitch_deg()
 300 //                     * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 301 //    double pitch_offset = globals->get_current_view()-> getPitchOffset_deg()
 302 //                     * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 303     double heading = globals->get_current_view()->getHeading_deg()
 304                      * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 305     double heading_offset = globals->get_current_view()->getHeadingOffset_deg()
 306                             * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 307
 308     // set fog color (we'll try to match the sunset color in the
 309     // direction we are looking
 310
 311     // Do some sanity checking ...
 312     if ( _sun_rotation < -2.0 * SGD_2PI || _sun_rotation > 2.0 * SGD_2PI ) {
 313         SG_LOG( SG_EVENT, SG_ALERT, "Sun rotation bad = " << _sun_rotation );
 314         return;
 315     }
 316
 317     if ( heading < -2.0 * SGD_2PI || heading > 2.0 * SGD_2PI ) {
 318         SG_LOG( SG_EVENT, SG_ALERT, "Heading rotation bad = " << heading );
 319         return;
 320     }
 321
 322     if ( heading_offset < -2.0 * SGD_2PI || heading_offset > 2.0 * SGD_2PI ) {
 323         SG_LOG( SG_EVENT, SG_ALERT, "Heading offset bad = " << heading_offset );
 324         return;
 325     }
 326
 327     static float gamma = system_gamma;
 328
 329     // first determine the difference between our view angle and local
 330     // direction to the sun
 331     //double vert_rotation = pitch + pitch_offset;
 332
 333     // revert to unmodified values before using them.
 334     //
 335     SGSky* thesky = globals->get_renderer()->getSky();
 336     SGVec4f color = thesky->get_scene_color();
 337
 338     gamma_restore_rgb( _fog_color.data(), gamma );
 339     gamma_restore_rgb( _sky_color.data(), gamma );
 340
 341     // Calculate the fog color in the direction of the sun for
 342     // sunrise/sunset effects.
 343     //
 344     _sun_color[0] = color[0]*color[0]*color[0];
 345     _sun_color[1] = color[1]*color[1]*color[1];
 346     _sun_color[2] = color[2]*color[2];
 347
 348     // interpolate between the sunrise/sunset color and the color
 349     // at the opposite direction of this effect. Take in account
 350     // the current visibility.
 351     //
 352     float av = thesky->get_visibility();
 353     if (av > 45000) av = 45000;
 354
 355     float avf = 0.87 - (45000 - av) / 83333.33;
 356     float sif = 0.5 - cos(_sun_angle*2)/2;
 357
 358     if (sif < 1e-4)
 359        sif = 1e-4;
 360
 361     // determine horizontal angle between current view direction and sun
 362     // since _sun_rotation is relative to South, and heading is in the local frame
 363     // we need to account for the 180 degrees offset and differing signs
 364     // hence the negation and SGD_PI adjustment.
 365     double hor_rotation = -_sun_rotation - SGD_PI - heading + heading_offset;
 366     if (hor_rotation < 0 )
 367         hor_rotation = fmod(hor_rotation, SGD_2PI) + SGD_2PI;
 368     else
 369         hor_rotation = fmod(hor_rotation, SGD_2PI);
 370
 371     float rf1 = fabs((hor_rotation - SGD_PI) / SGD_PI); // 0.0 .. 1.0
 372     float rf2 = avf * pow(rf1*rf1, 1/sif) * 1.0639 * _saturation * _scattering;
 373     float rf3 = 1.0 - rf2;
 374
 375     gamma = system_gamma * (0.9 - sif*avf);
 376     _adj_fog_color = rf3 * _fog_color + rf2 * _sun_color;
 377     _adj_fog_color[3] = 0;
 378     gamma_correct_rgb( _adj_fog_color.data(), gamma);
 379
 380     // make sure the colors have their original value before they are being
 381     // used by the rest of the program.
 382     //
 383     gamma_correct_rgb( _fog_color.data(), gamma );
 384     gamma_correct_rgb( _sky_color.data(), gamma );
 385 }
 386
 387 // update the cur_time_params structure with the current sun position
 388 void FGLight::updateSunPos()
 389 {
 390     SGTime *t = globals->get_time_params();
 391     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "  Updating Sun position" );
 392     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "  Gst = " << t->getGst() );
 393
 394     fgSunPositionGST(t->getGst(), &_sun_lon, &_sun_lat);
 395
 396     // It might seem that sun_gc_lat needs to be converted to geodetic
 397     // latitude here, but it doesn't. The sun latitude is the latitude
 398     // of the point on the earth where the up vector has the same
 399     // angle from geocentric Z as the sun direction. But geodetic
 400     // latitude is defined as 90 - angle of up vector from Z!
 401     SGVec3d sunpos = SGVec3d::fromGeoc(SGGeoc::fromRadM(_sun_lon, _sun_lat,
 402                                                           SGGeodesy::EQURAD));
 403
 404     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "    t->cur_time = " << t->get_cur_time() );
 405     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG,
 406             "    Sun Geocentric lat = " << _sun_lat
 407             << " Geodcentric lat = " << _sun_lat );
 408
 409     // update the sun light vector
 410     _sun_vec = SGVec4f(toVec3f(normalize(sunpos)), 0);
 411     _sun_vec_inv = - _sun_vec;
 412
 413     // calculate the sun's relative angle to local up
 414     SGQuatd hlOr =  SGQuatd::fromLonLat( globals->get_view_position() );
 415     SGVec3d world_up = hlOr.backTransform( -SGVec3d::e3() );
 416     // cout << "nup = " << nup[0] << "," << nup[1] << ","
 417     //      << nup[2] << endl;
 418     // cout << "nsun = " << nsun[0] << "," << nsun[1] << ","
 419     //      << nsun[2] << endl;
 420
 421     SGVec3d nsun = normalize(sunpos);
 422     SGVec3d nup = normalize(world_up);
 423     _sun_angle = acos( dot( nup, nsun ) );
 424
 425     double signedPI = (_sun_angle < 0.0) ? -SGD_PI : SGD_PI;
 426     _sun_angle = fmod(_sun_angle+signedPI, SGD_2PI) - signedPI;
 427
 428     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "sun angle relative to current location = "
 429             << get_sun_angle() );
 430
 431     // Get direction to the sun in the local frame.
 432     SGVec3d local_sun_vec = hlOr.transform(nsun);
 433
 434     // Angle from South.
 435     // atan2(y,x) returns the angle between the positive X-axis
 436     // and the vector with the origin at 0, going through (x,y)
 437     // Since the local frame coordinates have x-positive pointing Nord and
 438     // y-positive pointing East we need to negate local_sun_vec.x()
 439     // _sun_rotation is positive counterclockwise from South (sun in the East)
 440     // and negative clockwise from South (sun in the West)
 441     _sun_rotation = atan2(local_sun_vec.y(), -local_sun_vec.x());
 442
 443     // cout << "  Sky needs to rotate = " << _sun_rotation << " rads = "
 444     //      << _sun_rotation * SGD_RADIANS_TO_DEGREES << " degrees." << endl;
 445
 446     _sunAngleRad->setDoubleValue(_sun_angle);
 447 }