Vik Wiki Grafika - Üveg Kocka

#include <math.h>
#include <stdlib.h>

#if defined(__APPLE__)
  #include <OpenGL/gl.h>
  #include <OpenGL/glu.h>
  #include <GLUT/glut.h>
#else
  #if defined(WIN32) || defined(_WIN32) || defined(__WIN32__)
    #include <windows.h>
  #endif
  #include <GL/gl.h>
  #include <GL/glu.h>
  #include <GL/glut.h>
#endif

#ifndef M_PI
  #define M_PI 3.14159265359
#endif

template <typename T>
T max(T a, T b) {
  return a > b ? a : b;
}

template <typename T>
T min(T a, T b) {
  return a < b ? a : b;
}

struct Vector {
  union { float x, r; }; // x és r néven is lehessen hivatkozni erre a tagra.
  union { float y, g; };
  union { float z, b; };

  Vector(float v = 0) : x(v), y(v), z(v) { }
  Vector(float x, float y, float z) : x(x), y(y), z(z) { }
  Vector operator+(const Vector& v) const { return Vector(x + v.x, y + v.y, z + v.z); }
  Vector operator-(const Vector& v) const { return Vector(x - v.x, y - v.y, z - v.z); }
  Vector operator*(const Vector& v) const { return Vector(x * v.x, y * v.y, z * v.z); }
  Vector operator/(const Vector& v) const { return Vector(x / v.x, y / v.y, z / v.z); }
  Vector& operator+=(const Vector& v) { x += v.x, y += v.y, z += v.z; return *this; }
  Vector& operator-=(const Vector& v) { x -= v.x, y -= v.y, z -= v.z; return *this; }
  Vector& operator*=(const Vector& v) { x *= v.x, y *= v.y, z *= v.z; return *this; }
  Vector& operator/=(const Vector& v) { x /= v.x, y /= v.y, z /= v.z; return *this; }
  Vector operator-() const { return Vector(-x, -y, -z); }
  float dot(const Vector& v) const { return x*v.x + y*v.y + z*v.z; }
  Vector cross(const Vector& v) const { return Vector(y*v.z - z*v.y, z*v.x - x*v.z, x*v.y - y*v.x); }
  float length() const { return sqrt(x*x + y*y + z*z); }
  Vector normalize() const { float l = length(); if(l > 1e-3) { return (*this/l); } else { return Vector(); } }
  bool isNull() const { return length() < 1e-3; }
  Vector toneMap() const {
    // Filmic tonemap approximation by Jim Hejl
    Vector v = Vector(max(r - 0.004f, 0.0f), max(g - 0.004f, 0.0f), max(b - 0.004f, 0.0f));
    v = (v*(v*6.2f+0.5f))/(v*(v*6.2f+1.7f)+0.06f);
    return Vector(pow(v.x, 2.2f), pow(v.y, 2.2f), pow(v.z, 2.2f));
  }
};

// Azoknak, akik a shader kódokban használt szintakszishoz hozzá vannak szokva (mint pl. én)
inline float dot(const Vector& lhs, const Vector& rhs) {
  return lhs.dot(rhs);
}

inline Vector cross(const Vector& lhs, const Vector& rhs) {
  return lhs.cross(rhs);
}

inline Vector operator+(float f, const Vector& v) {
  return v+f;
}
inline Vector operator-(float f, const Vector& v) {
  return Vector(f) - v;
}
inline Vector operator*(float f, const Vector& v) {
  return v*f;
}
inline Vector operator/(float f, const Vector& v) {
  return Vector(f) / v;
}

typedef Vector Color;

struct Screen {
  static const int width = 600;
  static const int height = 600;
  static Color image[width * height];
  static void Draw() {
    glDrawPixels(width, height, GL_RGB, GL_FLOAT, image);
  }
  static Color& Pixel(size_t x, size_t y) {
    return image[y*width + x];
  }
};
Color Screen::image[width * height]; // A statikus adattagat out-of-line példányosítani kell (kivéve az inteket és enumokat).

struct Ray {
  Vector origin, direction;
  bool in_air;
  Ray(Vector origin = Vector(), Vector direction = Vector(), bool in_air = true)
    : origin(origin), direction(direction.normalize()), in_air(in_air) { }
};

struct Intersection {
  Ray ray;
  Vector pos, normal;
  bool is_valid;
  Intersection(Ray ray = Ray(), Vector pos = Vector(), Vector normal = Vector(), bool is_valid = false)
    : ray(ray), pos(pos), normal(normal), is_valid(is_valid) { }
};

struct Light {
  enum LightType {Ambient, Directional, Point, Spot} type;
  Vector pos, dir;
  Color color;
  float spot_cutoff;
};

struct Material {
  virtual ~Material() { }
  virtual Color getColor(Intersection, const Light[], size_t, int) = 0;
};

struct Object {
  Material *mat;
  Object(Material* m) : mat(m) { }
  virtual ~Object() { }
  virtual Intersection intersectRay(Ray) = 0;
};

struct Scene {
  static const size_t max_obj_num = 100;
  size_t obj_num;
  Object* objs[max_obj_num];

  void AddObject(Object *o) {
    objs[obj_num++] = o;
  }

  ~Scene() {
    for(int i = 0; i != obj_num; ++i) {
      delete objs[i];
    }
  }

  static const size_t max_lgt_num = 10;
  size_t lgt_num;
  Light lgts[max_obj_num];

  void AddLight(const Light& l) {
    lgts[lgt_num++] = l;
  }

  static const Vector env_color;

  Scene() : obj_num(0) { }

  Intersection getClosestIntersection(Ray r, int* index = NULL) const {
    Intersection closest_intersection;
    float closest_intersection_dist;
    int closest_index = -1;

    for(int i = 0; i < obj_num; ++i) {
      Intersection inter = objs[i]->intersectRay(r);
      if(!inter.is_valid)
        continue;
      float dist = (inter.pos - r.origin).length();
      if(closest_index == -1 || dist < closest_intersection_dist) {
        closest_intersection = inter;
        closest_intersection_dist = dist;
        closest_index = i;
      }
    }

    if(index) {
      *index = closest_index;
    }
    return closest_intersection;
  }

  Color shootRay(Ray r, int recursion_level = 0) const {
    if(recursion_level >= 8) {
      return env_color;
    }

    int index;
    Intersection inter = getClosestIntersection(r, &index);

    if(index != -1) {
      return objs[index]->mat->getColor(inter, lgts, lgt_num, recursion_level).toneMap();
    } else {
      return env_color;
    }
  }
} scene;
const Vector Scene::env_color = Vector(135./255., 206./255., 235./255.);

struct Camera {
  Vector pos, plane_pos, right, up;

  Camera(float fov, const Vector& eye, const Vector& target, const Vector& plane_up)
      : pos(eye - (target-eye).normalize() / (2*tan((fov*M_PI/180)/2))), plane_pos(eye)
   {
      Vector fwd = (plane_pos - pos).normalize();
      right = cross(fwd, plane_up).normalize();
      up = cross(right, fwd).normalize();
   }

  void takePicture() {
    for(int x = 0; x < Screen::height; ++x)
      for(int y = 0; y < Screen::width; ++y)
        capturePixel(x, y);
  }

  void capturePixel(float x, float y) {
    Vector pos_on_plane = Vector(
      (x - Screen::width/2) / (Screen::width/2),
      // Itt nem kell megfordítani az y tengelyt. A bal fölső sarok az origó most.
      (y - Screen::height/2) / (Screen::height/2),
      0
    );

    Vector plane_intersection = plane_pos + pos_on_plane.x * right + pos_on_plane.y * up;

    Ray r = Ray(pos, (plane_intersection - pos).normalize());
    Screen::Pixel(x, y) = scene.shootRay(r);
  }
} camera(60, Vector(-1.2f, 1.5f, -1.5f), Vector(), Vector(0, 1, 0));

// Idáig egy általános raytracert definiáltam. Innentől jönnek a konkrétumok.

struct DiffuseMaterial : public Material {
  Color own_color;

  DiffuseMaterial(const Color& color) : own_color(color) { }

  Color getColor(Intersection inter, const Light* lgts, size_t lgt_num, int recursion_level) {
    Color accum_color;

    for(int i = 0; i < lgt_num; ++i) {
      const Light& light = lgts[i];

      switch(light.type) {
        case Light::Ambient: {
          accum_color += light.color * own_color;
        } break;
        case Light::Directional: {
          // Lőjjünk egy sugarat a fényforrás irányába.
          Ray shadow_checker = Ray(inter.pos + 1e-3*light.dir, light.dir); // Az irányfény iránya nálam a forrás felé futat.
          Intersection shadow_checker_int = scene.getClosestIntersection(shadow_checker);
          if(shadow_checker_int.is_valid) {
            break; // Ha bármivel is ütközik, akkor árnyékban vagyunk
          }

          float intensity = max(dot(inter.normal, light.dir.normalize()), 0.0f);
          accum_color += intensity * light.color * own_color;
        } break;
        case Light::Spot: {
          Vector light_to_pos = inter.pos - light.pos;
          if(dot(light_to_pos.normalize(), light.dir) < light.spot_cutoff) {
            break; // Ha nincs megvilágítva, akkor ne csináljuk semmit.
          } // Különben számoljuk pont fényforrással.
        } // NINCS break!
        case Light::Point: {
          // Lőjjünk egy sugarat a fényforrás felől a konkrét pont irányába
          Ray shadow_checker = Ray(light.pos, (inter.pos - light.pos).normalize());
          Intersection shadow_checker_int = scene.getClosestIntersection(shadow_checker);
          if(shadow_checker_int.is_valid &&
            (shadow_checker_int.pos-light.pos).length() + 1e-3 < (inter.pos-light.pos).length()) {
            break; // Ha bármivel is ütközik, ami közelebb van a fényhez, mint mi, akkor árnyékban vagyunk
          }

          Vector pos_to_light = light.pos - inter.pos;
          float attenuation = pow(1/pos_to_light.length(), 2);
          float intensity = max(dot(inter.normal, pos_to_light.normalize()), 0.0f);
          accum_color += attenuation * intensity * light.color * own_color;
        } break;
      }
    }

    return accum_color;
  }
};

inline Vector reflect(Vector I, Vector N) {
  return I - (2.0 * dot(N, I)) * N;
}

struct SpecularMaterial : DiffuseMaterial {
  const Color specular_color;
  const float shininess;

  SpecularMaterial(const Color& diffuse_color, const Color& specular_color, float shininess)
    : DiffuseMaterial(diffuse_color), specular_color(specular_color), shininess(shininess) { }

  Color getColor(Intersection inter, const Light* lgts, size_t lgt_num, int recursion_level) {
    Color accum_color = DiffuseMaterial::getColor(inter, lgts, lgt_num, recursion_level);

    for(int i = 0; i < lgt_num; ++i) {
      const Light& light = lgts[i];

      switch(light.type) {
        case Light::Directional: {
          // Lőjjünk egy sugarat a fényforrás irányába.
          Ray shadow_checker = Ray(inter.pos + 1e-3*light.dir, light.dir); // Az irányfény iránya nálam a forrás felé futat.
          Intersection shadow_checker_int = scene.getClosestIntersection(shadow_checker);
          if(shadow_checker_int.is_valid) {
            break; // Ha bármivel is ütközik, akkor árnyékban vagyunk
          }

          float specular_power =
            pow(
              max(0.0f, dot(
                reflect(-light.dir.normalize(), inter.normal),
                (camera.pos-inter.pos).normalize())
              ), shininess
            );
          accum_color += specular_power * light.color * specular_color;
        } break;
        case Light::Spot: {
          Vector light_to_pos = inter.pos - light.pos;
          if(dot(light_to_pos.normalize(), light.dir) < light.spot_cutoff) {
            break;
          }
        }
        case Light::Point: {
          Ray shadow_checker = Ray(light.pos, (inter.pos - light.pos).normalize());
          Intersection shadow_checker_int = scene.getClosestIntersection(shadow_checker);
          if(shadow_checker_int.is_valid &&
            (shadow_checker_int.pos-light.pos).length() + 1e-3 < (inter.pos-light.pos).length()) {
            break; // Ha bármivel is ütközik, ami közelebb van a fényhez, mint mi, akkor árnyékban vagyunk
          }

          Vector light_to_pos = inter.pos-light.pos;
          float attenuation = pow(1/light_to_pos.length(), 2);

          float specular_power =
            pow(
              max(0.0f, dot(
                reflect((light_to_pos).normalize(), inter.normal),
                (camera.pos-inter.pos).normalize())
              ), shininess
            );
          accum_color += specular_power * attenuation * light.color * specular_color;
        } break;
        default:
          break;
      }
    }

    return accum_color;
  }
};

struct MirrorMaterial : public Material {
  Color getColor(Intersection inter, const Light* lgts, size_t lgt_num, int recursion_level) {
    Ray reflected_ray;
    reflected_ray.direction = reflect(inter.ray.direction, inter.normal);
    reflected_ray.origin = inter.pos + 1e-3*reflected_ray.direction;
    return scene.shootRay(reflected_ray, recursion_level+1);
  }
};

struct ReflectiveMaterial : public Material {
  const Color F0;

  ReflectiveMaterial(Color n, Color k)
    : F0(((n-1)*(n-1) + k*k) /
         ((n+1)*(n+1) + k*k))
  { }

  Color F(float cosTheta) {
      return F0 + (1-F0) * pow(1-cosTheta, 5);
  }

  Color getColor(Intersection inter, const Light* lgts, size_t lgt_num, int recursion_level) {
    Ray reflected_ray;
    reflected_ray.direction = reflect(inter.ray.direction, inter.normal);
    reflected_ray.origin = inter.pos + 1e-3*reflected_ray.direction;
    return F(dot(-inter.ray.direction, inter.normal)) * scene.shootRay(reflected_ray, recursion_level+1);
  }
};

// http://www.opengl.org/sdk/docs/manglsl/xhtml/refract.xml
inline Vector refract(Vector I, Vector N, double n) {
  double k = 1.0 - n * n * (1.0 - dot(N, I) * dot(N, I));
  if (k < 0.0) {
    return Vector();
  } else {
    return n * I - (n * dot(N, I) + sqrt(k)) * N;
  }
}

struct RefractiveMaterial : public ReflectiveMaterial {
  float n, n_rec;

  RefractiveMaterial(float n, Color k)
    : ReflectiveMaterial(n, k), n(n), n_rec(1 / n)
  { }

  Color getColor(Intersection inter, const Light* lgts, size_t lgt_num, int recursion_level) {
    if(dot(inter.ray.direction, inter.normal) > 0) {
      inter.normal = -inter.normal;
    }

    Ray reflected;
    reflected.direction = reflect(inter.ray.direction, inter.normal);
    reflected.origin = inter.pos + 1e-3*reflected.direction;

    Color reflectedColor, refractedColor;

    Ray refracted;
    refracted.direction = refract(inter.ray.direction, inter.normal, inter.ray.in_air ? n : n_rec);
    if(!refracted.direction.isNull()) {
      refracted.origin = inter.pos + 1e-3 * refracted.direction;
      refracted.in_air = !inter.ray.in_air;

      Color F_vec = F(dot(-inter.ray.direction, inter.normal));
      reflectedColor = F_vec * scene.shootRay(reflected, recursion_level+1);
      refractedColor = (1 - F_vec) * scene.shootRay(refracted, recursion_level+1);
    } else {
      reflectedColor = scene.shootRay(reflected, recursion_level+1);
    }

    return reflectedColor + refractedColor;
  }
};

DiffuseMaterial white(Color(1.0f));
DiffuseMaterial blue(Color(0.0f, 0.4f, 1.0f));
SpecularMaterial specular_white(Color(1.0f), Color(3.0f), 32);
SpecularMaterial specular_blue(Color(0.0f, 0.4f, 1.0f), Color(1.0f), 64);
MirrorMaterial mirror;
ReflectiveMaterial silver(Color(0.14, 0.16, 0.13), Color(4.1, 2.3, 3.1));
ReflectiveMaterial copper(Color(0.2, 1.1, 1.2), Color(3.6, 2.6, 2.3));
RefractiveMaterial glass(1.5f, 0);

struct Triangle : public Object {
  Vector a, b, c, normal;

  // Az óra járásával ellentétes (CCW) körüljárási irányt feltételez ez a kód.
  Triangle(Material* mat, const Vector& a, const Vector& b, const Vector& c)
    : Object(mat), a(a), b(b), c(c) {
      Vector ab = b - a;
      Vector ac = c - a;
      normal = cross(ab.normalize(), ac.normalize()).normalize();
  }

  // Ennek a függvénynek a megértéséhez rajzolj magadnak egyszerű ábrákat!
  Intersection intersectRay(Ray r) {
    // Először számoljuk ki, hogy melyen mekkora távot
    // tesz meg a sugár, míg eléri a háromszög síkját
    // A számoláshoz tudnuk kell hogy ha egy 'v' vektort
    // skaliráisan szorzunk egy egységvektorral, akkor
    // az eredmény a 'v'-nek az egységvektorra vetített
    // hossza lesz. Ezt felhasználva, ha a sugár kiindulási
    // pontjából a sík egy pontjba mutató vektort levetítjük
    // a sík normál vektorára, akkor megkapjuk, hogy milyen
    // távol van a sugár kiindulási pontja a síktól. Továbbá,
    // ha az a sugár irányát vetítjük a normálvektorra, akkor meg
    // megtudjuk, hogy az milyen gyorsan halad a sík fele.
    // Innen a már csak a t = s / v képletet kell csak használnunk.
    float ray_travel_dist = dot(a - r.origin, normal) / dot(r.direction, normal);

    // Ha a háromszög az ellenkező irányba van, mint
    // amerre a sugár megy, akkor nincs metszéspontjuk
    if(ray_travel_dist < 0)
      return Intersection();

    // Számoljuk ki, hogy a sugár hol metszi a sugár síkját.
    Vector plane_intersection = r.origin + ray_travel_dist * r.direction;

    /* Most már csak el kell döntenünk, hogy ez a pont a háromszög
       belsejében van-e. Erre két lehetőség van:

       - A háromszög összes élére megnézzük, hogy a pontot a hároszög
       egy megfelelő pontjával összekötve a kapott szakasz, és a háromszög
       élének a vektoriális szorzata a normál irányába mutat-e.
       Pl:

                 a
               / |
              /  |
             /   |
            /  x |  y
           /     |
          b------c

       Nézzük meg az x és y pontra ezt az algoritmust.
       A cross(ab, ax), a cross(bc, bx), és a cross(ca, cx) és kifele mutat a
       képernyőből, ugyan abba az irányba mint a normál vektor. Ezt amúgy a
       dot(cross(ab, ax), normal) >= 0 összefüggéssel egyszerű ellenőrizni.
       Az algoritmus alapján az x a háromszög belsejében van.

       Míg az y esetében a cross(ca, cy) befele mutat, a normállal ellenkező irányba,
       tehát a dot(cross(ca, cy), normal) < 0 ami az algoritmus szerint azt jelenti,
       hogy az y pont a háromszögön kívül van.

       - A ötlet lehetőség a barycentrikus koordinátáknak azt a tulajdonságát használja
       ki, hogy azok a háromszög belsejében lévő pontokra kivétel nélkül nem negatívak,
       míg a háromszögön kívül lévő pontokra legalább egy koordináta negatív.
       Ennek a megoldásnak a használatához ki kell jelölnünk két tetszőleges, de egymásra
       merőleges vektort a síkon, ezekre le kell vetíteninünk a háromszög pontjait, és
       kérdéses pontot, és az így kapott koordinátákra alakzmanunk kell egy a wikipediáról
       egyszerűen kimásolható képletet:
       http://en.wikipedia.org/wiki/Barycentric_coordinate_system#Converting_to_barycentric_coordinates

       Én az első lehetőséget implementálom. */

    const Vector& x = plane_intersection;

    Vector ab = b - a;
    Vector ax = x - a;

    Vector bc = c - b;
    Vector bx = x - b;

    Vector ca = a - c;
    Vector cx = x - c;

    if(dot(cross(ab, ax), normal) >= 0)
      if(dot(cross(bc, bx), normal) >= 0)
        if(dot(cross(ca, cx), normal) >= 0)
          return Intersection(r, x, normal, true);

    return Intersection();
  }
};

void onDisplay() {
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

  camera.takePicture();
  Screen::Draw();

  glutSwapBuffers();
}

void onIdle() {
  static bool first_call = true;
  if(first_call) {
    glutPostRedisplay();
    first_call = false;
  }
}

void onInitialization() {
  Light amb = {Light::Ambient, Vector(), Vector(), Color(0.2f, 0.2f, 0.2f)};
  Light point = {Light::Point, Vector(1.5f, 2, 1), Vector(), 0.5f*Color(20.0f, 20.0f, 20.0f)};
  Light point2 = {Light::Point, Vector(-3.2f, 4, 4.5f), Vector(), 0.4f*Color(20.0f, 20.0f, 20.0f)};
  scene.AddLight(amb);
  scene.AddLight(point);
  scene.AddLight(point2);

  // Ground
  scene.AddObject(new Triangle(&specular_white, Vector(-10, -1.1f, -10), Vector(-10, -1.1f, +10), Vector(+10, -1.1f, +10)));
  scene.AddObject(new Triangle(&specular_white, Vector(+10, -1.1f, +10), Vector(+10, -1.1f, -10), Vector(-10, -1.1f, -10)));

  // Front face
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(+1, -1, -1), Vector(-1, -1, -1), Vector(-1, +1, -1)));
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(-1, +1, -1), Vector(+1, +1, -1), Vector(+1, -1, -1)));

  // Back face
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(+1, -1, +1), Vector(-1, -1, +1), Vector(-1, +1, +1)));
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(-1, +1, +1), Vector(+1, +1, +1), Vector(+1, -1, +1)));

  // Right face
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(+1, -1, -1), Vector(+1, -1, +1), Vector(+1, +1, +1)));
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(+1, +1, +1), Vector(+1, +1, -1), Vector(+1, -1, -1)));

  // Left face
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(-1, -1, -1), Vector(-1, -1, +1), Vector(-1, +1, +1)));
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(-1, +1, +1), Vector(-1, +1, -1), Vector(-1, -1, -1)));

  // Upper face
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(-1, +1, -1), Vector(-1, +1, +1), Vector(+1, +1, +1)));
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(+1, +1, -1), Vector(-1, +1, -1), Vector(+1, +1, +1)));

  // Lower face
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(-1, -1, +1), Vector(-1, -1, -1), Vector(+1, -1, +1)));
  scene.AddObject(new Triangle(&glass, Vector(+1, -1, -1), Vector(+1, -1, +1), Vector(-1, -1, -1)));
}

void onKeyboard(unsigned char key, int, int) {}

void onKeyboardUp(unsigned char key, int, int) {}

void onMouse(int, int, int, int) {}

void onMouseMotion(int, int) {}

int main(int argc, char **argv) {
  glutInit(&argc, argv);
  glutInitWindowSize(Screen::width, Screen::height);
  glutInitWindowPosition(100, 100);
  glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH);

  glutCreateWindow("Grafika pelda program");

  glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
  glLoadIdentity();
  glMatrixMode(GL_PROJECTION);
  glLoadIdentity();

  onInitialization();

  glutDisplayFunc(onDisplay);
  glutMouseFunc(onMouse);
  glutIdleFunc(onIdle);
  glutKeyboardFunc(onKeyboard);
  glutKeyboardUpFunc(onKeyboardUp);
  glutMotionFunc(onMouseMotion);

  glutMainLoop();

  return 0;
}