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 <Main/renderer.hxx>
  46 #include <Main/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       _sky_color(0, 0, 0, 0),
  75       _fog_color(0, 0, 0, 0),
  76       _cloud_color(0, 0, 0, 0),
  77       _adj_fog_color(0, 0, 0, 0),
  78       _adj_sky_color(0, 0, 0, 0),
  79       _saturation(1.0),
  80       _scattering(0.8),
  81       _dt_total(0)
  82 {
  83 }
  84
  85 // Destructor
  86 FGLight::~FGLight ()
  87 {
  88     delete _ambient_tbl;
  89     delete _diffuse_tbl;
  90     delete _specular_tbl;
  91     delete _sky_tbl;
  92 }
  93
  94
  95 // initialize lighting tables
  96 void FGLight::init () {
  97     SG_LOG( SG_EVENT, SG_INFO,
  98             "Initializing Lighting interpolation tables." );
  99
 100     // build the path names of the lookup tables
 101     SGPath path( globals->get_fg_root() );
 102
 103     // initialize ambient, diffuse and specular tables
 104     SGPath ambient_path = path;
 105     ambient_path.append( "Lighting/ambient" );
 106     _ambient_tbl = new SGInterpTable( ambient_path.str() );
 107
 108     SGPath diffuse_path = path;
 109     diffuse_path.append( "Lighting/diffuse" );
 110     _diffuse_tbl = new SGInterpTable( diffuse_path.str() );
 111
 112     SGPath specular_path = path;
 113     specular_path.append( "Lighting/specular" );
 114     _specular_tbl = new SGInterpTable( specular_path.str() );
 115
 116     // initialize sky table
 117     SGPath sky_path = path;
 118     sky_path.append( "Lighting/sky" );
 119     _sky_tbl = new SGInterpTable( sky_path.str() );
 120
 121     globals->get_event_mgr()->addTask("updateSunPos", this,
 122                             &FGLight::updateSunPos, 0.5 );
 123 }
 124
 125
 126 void FGLight::reinit () {
 127     _prev_sun_angle = -9999.0;
 128     _dt_total = 0;
 129
 130     delete _ambient_tbl;
 131     delete _diffuse_tbl;
 132     delete _specular_tbl;
 133     delete _sky_tbl;
 134
 135     init();
 136
 137     updateSunPos();
 138     update_sky_color();
 139     update_adj_fog_color();
 140 }
 141
 142 void FGLight::bind () {
 143     SGPropertyNode *prop = globals->get_props();
 144
 145     // Write Only
 146     prop->tie("/rendering/scene/saturation",SGRawValuePointer<float>(&_saturation));
 147     prop->tie("/rendering/scene/scattering",SGRawValuePointer<float>(&_scattering));
 148
 149     // Read Only
 150     prop->tie("/sim/time/sun-angle-rad",SGRawValuePointer<double>(&_sun_angle));
 151     prop->tie("/rendering/scene/ambient/red",SGRawValuePointer<float>(&_scene_ambient[0]));
 152     prop->tie("/rendering/scene/ambient/green",SGRawValuePointer<float>(&_scene_ambient[1]));
 153     prop->tie("/rendering/scene/ambient/blue",SGRawValuePointer<float>(&_scene_ambient[2]));
 154     prop->tie("/rendering/scene/diffuse/red",SGRawValuePointer<float>(&_scene_diffuse[0]));
 155     prop->tie("/rendering/scene/diffuse/green",SGRawValuePointer<float>(&_scene_diffuse[1]));
 156     prop->tie("/rendering/scene/diffuse/blue",SGRawValuePointer<float>(&_scene_diffuse[2]));
 157     prop->tie("/rendering/scene/specular/red",SGRawValuePointer<float>(&_scene_specular[0]));
 158     prop->tie("/rendering/scene/specular/green",SGRawValuePointer<float>(&_scene_specular[1]));
 159     prop->tie("/rendering/scene/specular/blue",SGRawValuePointer<float>(&_scene_specular[2]));
 160     prop->tie("/rendering/dome/sky/red",SGRawValuePointer<float>(&_sky_color[0]));
 161     prop->tie("/rendering/dome/sky/green",SGRawValuePointer<float>(&_sky_color[1]));
 162     prop->tie("/rendering/dome/sky/blue",SGRawValuePointer<float>(&_sky_color[2]));
 163     prop->tie("/rendering/dome/fog/red",SGRawValuePointer<float>(&_fog_color[0]));
 164     prop->tie("/rendering/dome/fog/green",SGRawValuePointer<float>(&_fog_color[1]));
 165     prop->tie("/rendering/dome/fog/blue",SGRawValuePointer<float>(&_fog_color[2]));
 166     // Properties used directly by effects
 167     _chromeProps[0] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/red", true);
 168     _chromeProps[1] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/green",
 169                                     true);
 170     _chromeProps[2] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/blue", true);
 171     _chromeProps[3] = prop->getNode("/rendering/scene/chrome-light/alpha",
 172                                     true);
 173     for (int i = 0; i < 4; ++i)
 174         _chromeProps[i]->setValue(0.0);
 175 }
 176
 177 void FGLight::unbind () {
 178     SGPropertyNode *prop = globals->get_props();
 179     prop->untie("/rendering/scene/saturation");
 180     prop->untie("/rendering/scene/scattering");
 181     prop->untie("/environment/relative-humidity");
 182
 183     prop->untie("/sim/time/sun-angle-rad");
 184     prop->untie("/rendering/scene/ambient/red");
 185     prop->untie("/rendering/scene/ambient/green");
 186     prop->untie("/rendering/scene/ambient/blue");
 187     prop->untie("/rendering/scene/diffuse/red");
 188     prop->untie("/rendering/scene/diffuse/green");
 189     prop->untie("/rendering/scene/diffuse/blue");
 190     prop->untie("/rendering/scene/specular/red");
 191     prop->untie("/rendering/scene/specular/green");
 192     prop->untie("/rendering/scene/specular/blue");
 193     prop->untie("/rendering/dome/sun/red");
 194     prop->untie("/rendering/dome/sun/green");
 195     prop->untie("/rendering/dome/sun/blue");
 196     prop->untie("/rendering/dome/sky/red");
 197     prop->untie("/rendering/dome/sky/green");
 198     prop->untie("/rendering/dome/sky/blue");
 199     prop->untie("/rendering/dome/fog/red");
 200     prop->untie("/rendering/dome/fog/green");
 201     prop->untie("/rendering/dome/fog/blue");
 202 }
 203
 204
 205 // update lighting parameters based on current sun position
 206 void FGLight::update( double dt )
 207 {
 208     update_adj_fog_color();
 209
 210     if (_prev_sun_angle != _sun_angle) {
 211         _prev_sun_angle = _sun_angle;
 212         update_sky_color();
 213     }
 214 }
 215
 216 void FGLight::update_sky_color () {
 217     // if the 4th field is 0.0, this specifies a direction ...
 218     // const GLfloat white[4]          = { 1.0,  1.0,  1.0,  1.0 };
 219     const GLfloat base_sky_color[4] = { 0.31, 0.43, 0.69, 1.0 };
 220     const GLfloat base_fog_color[4] = { 0.63, 0.72, 0.88,  1.0 };
 221
 222     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "Updating light parameters." );
 223
 224     // calculate lighting parameters based on sun's relative angle to
 225     // local up
 226     static SGConstPropertyNode_ptr humidity = fgGetNode("/environment/relative-humidity");
 227     float av = humidity->getFloatValue() * 45;
 228     float visibility_log = log(av)/11.0;
 229     float visibility_inv = (45000.0 - av)/45000.0;
 230
 231     float deg = _sun_angle * SGD_RADIANS_TO_DEGREES;
 232     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "  Sun angle = " << deg );
 233
 234     if (_saturation < 0.0) _saturation = 0.0;
 235     else if (_saturation > 1.0) _saturation = 1.0;
 236     if (_scattering < 0.0) _scattering = 0.0;
 237     else if (_scattering > 1.0) _scattering = 1.0;
 238
 239     float ambient = _ambient_tbl->interpolate( deg ) + visibility_inv/10;
 240     float diffuse = _diffuse_tbl->interpolate( deg );
 241     float specular = _specular_tbl->interpolate( deg ) * visibility_log;
 242     float sky_brightness = _sky_tbl->interpolate( deg );
 243
 244     ambient *= _saturation;
 245     diffuse *= _saturation;
 246     specular *= _saturation;
 247     sky_brightness *= _saturation;
 248
 249     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG,
 250             "  ambient = " << ambient << "  diffuse = " << diffuse
 251             << "  specular = " << specular << "  sky = " << sky_brightness );
 252
 253     // sky_brightness = 0.15;  // used to force a dark sky (when testing)
 254
 255     // set fog and cloud color
 256     float sqrt_sky_brightness = (1.0 - sqrt(1.0 - sky_brightness))*_scattering;
 257     _fog_color[0] = base_fog_color[0] * sqrt_sky_brightness;
 258     _fog_color[1] = base_fog_color[1] * sqrt_sky_brightness;
 259     _fog_color[2] = base_fog_color[2] * sqrt_sky_brightness;
 260     _fog_color[3] = base_fog_color[3];
 261     gamma_correct_rgb( _fog_color.data() );
 262
 263     // set sky color
 264     _sky_color[0] = base_sky_color[0] * sky_brightness;
 265     _sky_color[1] = base_sky_color[1] * sky_brightness;
 266     _sky_color[2] = base_sky_color[2] * sky_brightness;
 267     _sky_color[3] = base_sky_color[3];
 268     gamma_correct_rgb( _sky_color.data() );
 269
 270     _cloud_color[0] = base_fog_color[0] * sky_brightness;
 271     _cloud_color[1] = base_fog_color[1] * sky_brightness;
 272     _cloud_color[2] = base_fog_color[2] * sky_brightness;
 273     _cloud_color[3] = base_fog_color[3];
 274
 275     // adjust the cloud colors for sunrise/sunset effects (darken them)
 276     if (_sun_angle > 1.0) {
 277        float sun2 = sqrt(_sun_angle);
 278        _cloud_color[0] /= sun2;
 279        _cloud_color[1] /= sun2;
 280        _cloud_color[2] /= sun2;
 281     }
 282     gamma_correct_rgb( _cloud_color.data() );
 283
 284     _scene_ambient[0] = _fog_color[0] * ambient;
 285     _scene_ambient[1] = _fog_color[1] * ambient;
 286     _scene_ambient[2] = _fog_color[2] * ambient;
 287     _scene_ambient[3] = 1.0;
 288     gamma_correct_rgb( _scene_ambient.data() );
 289
 290     SGVec4f color = thesky->get_scene_color();
 291     _scene_diffuse[0] = color[0] * diffuse;
 292     _scene_diffuse[1] = color[1] * diffuse;
 293     _scene_diffuse[2] = color[2] * diffuse;
 294     _scene_diffuse[3] = 1.0;
 295     gamma_correct_rgb( _scene_diffuse.data() );
 296
 297     SGVec4f chrome = _scene_ambient * .4f + _scene_diffuse;
 298     chrome[3] = 1.0f;
 299     if (chrome != _scene_chrome) {
 300         _scene_chrome = chrome;
 301         for (int i = 0; i < 4; ++i)
 302             _chromeProps[i]->setValue(static_cast<double>(_scene_chrome[i]));
 303     }
 304
 305     color = thesky->get_sun_color();
 306     _scene_specular[0] = color[0] * specular;
 307     _scene_specular[1] = color[1] * specular;
 308     _scene_specular[2] = color[2] * specular;
 309     _scene_specular[3] = 1.0;
 310     gamma_correct_rgb( _scene_specular.data() );
 311 }
 312
 313
 314 // calculate fog color adjusted for sunrise/sunset effects
 315 void FGLight::update_adj_fog_color () {
 316
 317     double pitch = globals->get_current_view()->getPitch_deg()
 318                      * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 319     double pitch_offset = globals->get_current_view()-> getPitchOffset_deg()
 320                      * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 321     double heading = globals->get_current_view()->getHeading_deg()
 322                      * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 323     double heading_offset = globals->get_current_view()->getHeadingOffset_deg()
 324                             * SGD_DEGREES_TO_RADIANS;
 325
 326     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "Updating adjusted fog parameters." );
 327
 328     // set fog color (we'll try to match the sunset color in the
 329     // direction we are looking
 330
 331     // Do some sanity checking ...
 332     if ( _sun_rotation < -2.0 * SGD_2PI || _sun_rotation > 2.0 * SGD_2PI ) {
 333         SG_LOG( SG_EVENT, SG_ALERT, "Sun rotation bad = " << _sun_rotation );
 334         return;
 335     }
 336
 337     if ( heading < -2.0 * SGD_2PI || heading > 2.0 * SGD_2PI ) {
 338         SG_LOG( SG_EVENT, SG_ALERT, "Heading rotation bad = " << heading );
 339         return;
 340     }
 341
 342     if ( heading_offset < -2.0 * SGD_2PI || heading_offset > 2.0 * SGD_2PI ) {
 343         SG_LOG( SG_EVENT, SG_ALERT, "Heading offset bad = " << heading_offset );
 344         return;
 345     }
 346
 347     double hor_rotation, vert_rotation;
 348     static float gamma = system_gamma;
 349
 350     // first determine the difference between our view angle and local
 351     // direction to the sun
 352     vert_rotation = pitch + pitch_offset;
 353     hor_rotation = -(_sun_rotation + SGD_PI) - heading + heading_offset;
 354     if (hor_rotation < 0 )
 355        hor_rotation = fmod(hor_rotation, SGD_2PI) + SGD_2PI;
 356     else
 357        hor_rotation = fmod(hor_rotation, SGD_2PI);
 358
 359     // revert to unmodified values before using them.
 360     //
 361     SGVec4f color = thesky->get_scene_color();
 362
 363     gamma_restore_rgb( _fog_color.data(), gamma );
 364     gamma_restore_rgb( _sky_color.data(), gamma );
 365
 366     // Calculate the fog color in the direction of the sun for
 367     // sunrise/sunset effects.
 368     //
 369     float s_red =   color[0]*color[0]*color[0];
 370     float s_green = color[1]*color[1]*color[1];
 371     float s_blue =  color[2]*color[2];
 372
 373     // interpolate between the sunrise/sunset color and the color
 374     // at the opposite direction of this effect. Take in account
 375     // the current visibility.
 376     //
 377     float av = thesky->get_visibility();
 378     if (av > 45000) av = 45000;
 379
 380     float avf = 0.87 - (45000 - av) / 83333.33;
 381     float sif = 0.5 - cos(_sun_angle*2)/2;
 382
 383     if (sif < 1e-4)
 384        sif = 1e-4;
 385
 386     float rf1 = fabs((hor_rotation - SGD_PI) / SGD_PI);         // 0.0 .. 1.0
 387     float rf2 = avf * pow(rf1*rf1, 1/sif) * 1.0639 * _saturation * _scattering;
 388     float rf3 = 1.0 - rf2;
 389
 390     gamma = system_gamma * (0.9 - sif*avf);
 391     _adj_fog_color[0] = rf3 * _fog_color[0] + rf2 * s_red;
 392     _adj_fog_color[1] = rf3 * _fog_color[1] + rf2 * s_green;
 393     _adj_fog_color[2] = rf3 * _fog_color[2] + rf2 * s_blue;
 394     gamma_correct_rgb( _adj_fog_color.data(), gamma);
 395
 396     // make sure the colors have their original value before they are being
 397     // used by the rest of the program.
 398     //
 399     gamma_correct_rgb( _fog_color.data(), gamma );
 400     gamma_correct_rgb( _sky_color.data(), gamma );
 401 }
 402
 403 // update the cur_time_params structure with the current sun position
 404 void FGLight::updateSunPos()
 405 {
 406     SGTime *t = globals->get_time_params();
 407     FGViewer *v = globals->get_current_view();
 408
 409     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "  Updating Sun position" );
 410     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "  Gst = " << t->getGst() );
 411
 412     fgSunPositionGST(t->getGst(), &_sun_lon, &_sun_lat);
 413     // It might seem that sun_gc_lat needs to be converted to geodetic
 414     // latitude here, but it doesn't. The sun latitude is the latitude
 415     // of the point on the earth where the up vector has the same
 416     // angle from geocentric Z as the sun direction. But geodetic
 417     // latitude is defined as 90 - angle of up vector from Z!
 418     SGVec3d sunpos(SGVec3d::fromGeoc(SGGeoc::fromRadM(_sun_lon, _sun_lat,
 419                                                       SGGeodesy::EQURAD)));
 420
 421     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "    t->cur_time = " << t->get_cur_time() );
 422     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG,
 423             "    Sun Geocentric lat = " << _sun_lat
 424             << " Geodcentric lat = " << _sun_lat );
 425
 426     // update the sun light vector
 427     sun_vec() = SGVec4f(toVec3f(normalize(sunpos)), 0);
 428     sun_vec_inv() = - sun_vec();
 429
 430     // calculate the sun's relative angle to local up
 431     SGVec3d viewPos = v->get_view_pos();
 432     SGQuatd hlOr = SGQuatd::fromLonLat(SGGeod::fromCart(viewPos));
 433     SGVec3d world_up = hlOr.backTransform(-SGVec3d::e3());
 434     SGVec3d nsun = normalize(sunpos);
 435     // cout << "nup = " << nup[0] << "," << nup[1] << ","
 436     //      << nup[2] << endl;
 437     // cout << "nsun = " << nsun[0] << "," << nsun[1] << ","
 438     //      << nsun[2] << endl;
 439
 440     _sun_angle = acos( dot ( world_up, nsun ) );
 441     SG_LOG( SG_EVENT, SG_DEBUG, "sun angle relative to current location = "
 442             << get_sun_angle() );
 443
 444     // Get direction to the sun in the local frame.
 445     SGVec3d local_sun_vec = hlOr.transform(nsun);
 446
 447     // Angle from south. XXX Is this correct in the southern hemisphere?
 448     _sun_rotation = atan2(local_sun_vec.x(), -local_sun_vec.y());
 449
 450     // cout << "  Sky needs to rotate = " << _sun_rotation << " rads = "
 451     //      << _sun_rotation * SGD_RADIANS_TO_DEGREES << " degrees." << endl;
 452 }