19/src/Model.cpp

#include "Model.h"

#include <algorithm>
#include <stdexcept>

// Конструктор с заданным родителем (по умолчанию NULL)
Node::Node(Node* parent_) : parent(parent_), result_transform(1), parent_changed(false),
position(0), rotation(1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f), scale(1), changed(false), transform(1)
{
    if (parent)
    {
        // Запишем себя в потомки
        parent->children.push_back(this);
        parent_changed = true;
    }
} 

// Конструктор копирования
Node::Node(const Node& copy): position(copy.position), rotation(copy.rotation), scale(copy.scale),
parent(copy.parent), changed(copy.changed), parent_changed(copy.parent_changed), transform(1), result_transform(1)
{
    // Запишем себя в потомки
    if (parent)
        parent->children.push_back(this);
    // Если у оригинала не было изменений - перепишем матрицу трансформации
    if (!changed)
        transform = copy.transform;
    // Если у родителя не было изменений для оригинала - перепишем результирующую матрицу трансформации
    if (!parent_changed)
        result_transform = copy.result_transform;
}

Node::~Node()
{
    setParent(NULL); // Удаляем себя из потомков
    // Сообщаем потомкам об удалении родителя
    for (Node* child : children)
        child->setParent(NULL);
}

// Возвращает необходимость пересчета матрицы трансформации
bool Node::isChanged() 
{ 
    return changed; 
} 

// Константный доступ к позиции
const glm::vec3& Node::c_position() const 
{ 
    return position; 
} 

// Константный доступ к повороту
const glm::quat& Node::c_rotation() const 
{ 
    return rotation; 
} 

// Константный доступ к масштабированию
const glm::vec3& Node::c_scale() const 
{ 
    return scale; 
} 

// Неконстантная ссылка для изменений позиции
glm::vec3& Node::e_position() 
{ 
    changed = true; // Флаг о изменении
    invalidateParent(); // Проход потомков в глубину с изменением флага parent_changed
    return position; 
} 

// Неконстантная ссылка для изменений поворота
glm::quat& Node::e_rotation() 
{ 
    changed = true; // Флаг о изменении
    invalidateParent(); // Проход потомков в глубину с изменением флага parent_changed
    return rotation; 
} 

// Неконстантная ссылка для изменений масштабирования         
glm::vec3& Node::e_scale() 
{ 
    changed = true; // Флаг о изменении
    invalidateParent(); // Проход потомков в глубину с изменением флага parent_changed
    return scale; 
} 

// Возвращает матрицу трансформации модели
const glm::mat4& Node::getTransformMatrix() 
{
    // Если требуется - пересчитаем матрицу
    recalcMatrices();
        
    return result_transform;
}

// Пересчет матрицы трансформации модели, если это требуется
void Node::recalcMatrices() 
{
    // Если было изменение по векторам позиции, поворота и масштабирования
    if  (changed)
    {
        transform = glm::mat4(1.0f);
        // Перемещение модели
        transform = glm::translate(transform, position);
        // Поворот модели
        transform = transform * glm::mat4_cast(rotation);
        // Масштабирование
        transform = glm::scale(transform, scale);  
    }

    // Если собственная или родительская матрицы менялись - необходимо пересчитать итоговую
    if (changed || parent_changed)
    {
        if (parent) // Если есть родитель
            result_transform = parent->getTransformMatrix() * transform;
        else // Если нет родителя
            result_transform = transform;

        parent_changed = changed = false; // Изменения применены
    }
} 

// Проход потомков в глубину с изменением флага parent_changed
void Node::invalidateParent()
{
    // Цикл по потомкам
    for (Node* child : children)
    {
        child->parent_changed = true; // Флаг 
        child->invalidateParent(); // Рекурсивный вызов для потомков выбранного потомка
    }
}

// Устанавливает родителя для узла
void Node::setParent(Node * parent)
{
    // Если замена происходит на другого родителя
    if (parent != this->parent)
    {
        Node* tmp = parent;
        // Проверка на зацикливание об самого себя
        while (tmp)
        {
            if (tmp == this)
                return; // Можно выдать exception
            tmp = tmp->parent;
        }
        // Если есть старый родитель - удалим себя из его потомков
        if (this->parent)
        {
            // Поиск в списке родительских потомков
            auto position = std::find(this->parent->children.begin(), this->parent->children.end(), this);
            // Если итератор указывает в конец - ничего не найдено
            if (position != this->parent->children.end()) 
                this->parent->children.erase(position); // Само удаление
        }
        
        this->parent = parent; // Заменяем указатель на родителя
        // Если родитель не NULL - добавляем себя в детей
        if (parent) 
            parent->children.push_back(this);
        // В любом случае необходимо пересчитать собственную итоговую матрицу
        parent_changed = true;
    }
}

// Возвращает указатель на родителя
Node* Node::getParent() 
{ 
    return parent; 
}

// Возвращает ссылку на вектор дочерних узлов
const std::vector<Node*>& Node::getChildren() const 
{ 
    return children; 
}

// Оператор присваивания
Node& Node::operator=(const Node& other)
{
    position = other.position;
    rotation = other.rotation;
    scale = other.scale;
    changed = other.changed;

    if (!changed)
        transform = other.transform;
        
    setParent(other.parent);
    
    // Если у other флаг parent_changed == false, то можно переписать матрицу результата с него
    if (!other.parent_changed)
    {
        result_transform = other.result_transform;
        parent_changed = false; // Сбрасываем флаг после смены родителя
    }

    return *this;
}

// Конструктор по умолчанию
Model::Model(Node *parent) : Node(parent), verteces_count(0), first_index_byteOffset(0), indices_count(0), indices_datatype(GL_UNSIGNED_INT), 
vertex_vbo(VERTEX), index_vbo(ELEMENT), normals_vbo(VERTEX), texCoords_vbo(VERTEX),
tangent_vbo(VERTEX), bitangent_vbo(VERTEX)
{
    // Приведение указателя к целому 8байт
    id.value = (GLuint64) this;
    id.etc = 0;
}

// Конструктор копирования
Model::Model(const Model& copy) : Node(copy),
vao(copy.vao), 
verteces_count(copy.verteces_count), first_index_byteOffset(copy.first_index_byteOffset), indices_count(copy.indices_count), indices_datatype(copy.indices_datatype),  
vertex_vbo(copy.vertex_vbo), index_vbo(copy.index_vbo), normals_vbo(copy.normals_vbo), texCoords_vbo(copy.texCoords_vbo),
tangent_vbo(copy.tangent_vbo), bitangent_vbo(copy.bitangent_vbo),
texture_albedo(copy.texture_albedo), texture_roughness(copy.texture_roughness), texture_metallic(copy.texture_metallic), texture_specular(copy.texture_specular), texture_emitted(copy.texture_emitted),
texture_heights(copy.texture_heights), texture_normals(copy.texture_normals),
material(copy.material)
{
    // Приведение указателя к целому 8байт
    id.value = (GLuint64) this;
    id.etc = copy.id.etc;
}

// Оператор присваивания
Model& Model::operator=(const Model& other)
{
    Node::operator=(other); // Явный вызов родительского оператора копирования
    
    vao = other.vao; 
    verteces_count = other.verteces_count;
    first_index_byteOffset = other.first_index_byteOffset;
    indices_count = other.indices_count;
    
    vertex_vbo = other.vertex_vbo;
    index_vbo = other.index_vbo;
    texCoords_vbo = other.texCoords_vbo;

    tangent_vbo = other.tangent_vbo;
    bitangent_vbo = other.bitangent_vbo;
    
    texture_albedo = other.texture_albedo; 
    texture_roughness = other.texture_roughness; 
    texture_metallic = other.texture_metallic; 
    texture_specular = other.texture_specular; 
    texture_emitted = other.texture_emitted;

    texture_heights = other.texture_heights;
    texture_normals = other.texture_normals;
    
    material = other.material;

    return *this;
}

Model::~Model()
{

}

// Вызов отрисовки без uniform-данных
void Model::render()
{
    // Подключаем VAO
    vao.use();
    // Если есть индексы - рисуем с их использованием
    if (indices_count)
    {
        index_vbo.use();
        glDrawElements(GL_TRIANGLES, indices_count, indices_datatype, (void*)(first_index_byteOffset));
    }
    // Если есть вершины - рисуем на основании массива вершин
    else if (verteces_count)
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, verteces_count);
}

// Вызов отрисовки
void Model::render(ShaderProgram &shaderProgram, UBO &material_buffer) 
{
    // Загрузка идентификатора объекта
    glUniform3uiv(shaderProgram.getUniformLoc("ID"), 1, (GLuint*) &id);

    // Расчитаем матрицу трансформации
    glUniformMatrix4fv(shaderProgram.getUniformLoc("model"), 1, GL_FALSE, &this->getTransformMatrix()[0][0]);

    // Подключаем текстуры
    texture_albedo.use();
    texture_roughness.use();
    texture_metallic.use();
    texture_specular.use();
    texture_emitted.use();
    texture_heights.use();
    texture_normals.use();    

    // Загружаем данные о материале
    material_buffer.load(&material, sizeof(material));

    render();
}

// Функция для конфигурации атрибута вершинного буфера
void vertex_attrib_config()
{
    // Определим спецификацию атрибута
    glVertexAttribPointer(  0         // индекс атрибута, должен совпадать с Layout шейдера
                          , 3         // количество компонент одного элемента
                          , GL_FLOAT  // тип
                          , GL_FALSE  // необходимость нормировать значения
                          , 0         // шаг
                          , (void *)0 // отступ с начала массива
                         );
    // Включаем необходимый атрибут у выбранного VAO
    glEnableVertexAttribArray(0);
}

// Загрузка вершин в буфер
void Model::load_verteces(glm::vec3* verteces, GLuint count)
{
    // Подключаем VAO и вершинный буфер
    vao.use();
    vertex_vbo.use();

    // Загрузка вершин в память буфера
    vertex_vbo.load(verteces, sizeof(glm::vec3)*count);
    vertex_attrib_config();
    // Запоминаем количество вершин для отрисовки
    verteces_count = count;
}

// Загрузка индексов в буфер
void Model::load_indices(GLuint* indices, GLuint count) 
{
    // Подключаем VAO и индексный буфер
    vao.use();
    index_vbo.use();

    // Загрузка вершин в память буфера
    index_vbo.load(indices, sizeof(GLuint)*count);
    // Запоминаем количество вершин для отрисовки
    indices_count = count;
}

// Функция для конфигурации атрибута вершинного буфера
void texCoords_attrib_config()
{
    // Определим спецификацию атрибута
    glVertexAttribPointer(  1         // индекс атрибута, должен совпадать с Layout шейдера
                          , 2         // количество компонент одного элемента
                          , GL_FLOAT  // тип
                          , GL_FALSE  // необходимость нормировать значения
                          , 0         // шаг
                          , (void *)0 // отступ с начала массива
                         );
    // Включаем необходимый атрибут у выбранного VAO
    glEnableVertexAttribArray(1);
} 

// Загрузка текстурных координат в буфер
void Model::load_texCoords(glm::vec2* texCoords, GLuint count)
{
    // Подключаем VAO
    vao.use();

    texCoords_vbo.use();

    // Загрузка вершин в память буфера
    texCoords_vbo.load(texCoords, sizeof(glm::vec2)*count);
    texCoords_attrib_config();
}

// Функция для конфигурации атрибута вершинного буфера
void normals_attrib_config()
{
    // Устанавливаем связь между VAO и привязанным VBO
    glVertexAttribPointer(  2         // индекс атрибута, должен совпадать с Layout шейдера
                          , 3         // количество компонент одного элемента
                          , GL_FLOAT  // тип
                          , GL_FALSE  // необходимость нормировать значения
                          , 0         // шаг
                          , (void *)0 // отступ с начала массива
                         );
    // Включаем необходимый атрибут у выбранного VAO
    glEnableVertexAttribArray(2);
} 

// Загрузка нормалей в буфер
void Model::load_normals(glm::vec3* normals, GLuint count) 
{
    // Подключаем VAO
    vao.use();

    normals_vbo.use();

    // Загрузка вершин в память буфера
    normals_vbo.load(normals, sizeof(glm::vec3)*count);
    normals_attrib_config();
}

// Ограничение диапазона из буфера индексов
void Model::set_index_range(size_t first_byteOffset, size_t count, size_t type)
{
    first_index_byteOffset = first_byteOffset;
    indices_count = count;
    indices_datatype = type;    
} 

// Привязка текстуры к модели
void Model::set_texture(Texture& texture)
{
    GLuint type = texture.getType();
    switch(type)
    {
        case TEX_ALBEDO:
            texture_albedo = texture;
            material.base_color.r = -1;
            break;
        case TEX_ROUGHNESS:
            texture_roughness = texture;
            material.roughness = -1;
            break;
        case TEX_METALLIC:
            texture_metallic = texture;
            material.metallic = -1;
            break;
        case TEX_SPECULAR:
            texture_specular = texture;
            material.specular = -1;
            break;
        case TEX_EMITTED:
            texture_emitted = texture;
            material.emitted.r = -1;
            break;
        case TEX_HEIGHTS:
            texture_heights = texture;
            break;
        case TEX_NORMAL:
            texture_normals = texture;
            break;
    };
}

// Функция для конфигурации атрибута вершинного буфера
void tangent_attrib_config()
{
    // Определим спецификацию атрибута
    glVertexAttribPointer(  3         // индекс атрибута, должен совпадать с Layout шейдера
                          , 3         // количество компонент одного элемента
                          , GL_FLOAT  // тип
                          , GL_FALSE  // необходимость нормировать значения
                          , 0         // шаг
                          , (void *)0 // отступ с начала массива
                         );
    // Включаем необходимый атрибут у выбранного VAO
    glEnableVertexAttribArray(3);
} 

// Функция для конфигурации атрибута вершинного буфера
void bitangent_attrib_config()
{
    // Определим спецификацию атрибута
    glVertexAttribPointer(  4         // индекс атрибута, должен совпадать с Layout шейдера
                          , 3         // количество компонент одного элемента
                          , GL_FLOAT  // тип
                          , GL_FALSE  // необходимость нормировать значения
                          , 0         // шаг
                          , (void *)0 // отступ с начала массива
                         );
    // Включаем необходимый атрибут у выбранного VAO
    glEnableVertexAttribArray(4);
} 

// Загрузка касательных векторов в буфер
void Model::load_tangent(glm::vec3* tangent, GLuint count) 
{
    // Подключаем VAO
    vao.use();

    tangent_vbo.use();

    // Загрузка вершин в память буфера
    tangent_vbo.load(tangent, sizeof(glm::vec3)*count);
    tangent_attrib_config();
}

// Загрузка бикасательных векторов в буфер
void Model::load_bitangent(glm::vec3* bitangent, GLuint count) 
{
    // Подключаем VAO
    vao.use();

    bitangent_vbo.use();

    // Загрузка вершин в память буфера
    bitangent_vbo.load(bitangent, sizeof(glm::vec3)*count);
    bitangent_attrib_config();
}

// Замена вершинного буфера по номеру его привязки
void Model::setBO(int attribute, BO & bo)
{
    switch(attribute)
    {
        case 0:
            vertex_vbo = bo;
            break;
        case 1:
            texCoords_vbo = bo;
            break;
        case 2:
            normals_vbo = bo;
            break;
        case 3:
            tangent_vbo = bo;
            break;
        case 4:
            bitangent_vbo = bo;
            break;
        default:
            throw std::runtime_error("Unknown attribute buffer");
    };
}

// Замена индексного буфера
void Model::setIndicesBO(BO & data)
{
    index_vbo = data;
}

// Генерирует сферу заданного радиуса с определенным количеством сегментов
Model genShpere(float radius, int sectorsCount, Node* parent)
{
    Model result(parent);

    std::vector<glm::vec3> vertices;
    std::vector<glm::vec3> normals;
    std::vector<GLuint> indices;

    float x, y, z, xy; // Позиция вершины
    float nx, ny, nz, lengthInv = 1.0f / radius; // Нормаль вершины
    float PI = 3.14159265;
    float sectorStep = PI / sectorsCount; // Шаг сектора
    float longAngle, latAngle; // Углы

    for(int i = 0; i <= sectorsCount; ++i)
    {
        latAngle = PI / 2 - i * sectorStep; // Начиная с pi/2 до -pi/2
        xy = radius * cos(latAngle); // r * cos(lat)
        z = radius * sin(latAngle); // r * sin(lat)

        // добавляем (sectorCount+1) вершин на сегмент
        // Последняя и первая вершины имеют одинаковые нормали и координаты
        for(int j = 0; j <= sectorsCount; ++j)
        {
            longAngle = j * 2 * sectorStep; // Начиная с 0 до 2*pi

            // Положение вершины (x, y, z)
            x = xy * cos(longAngle); // r * cos(lat) * cos(long)
            y = xy * sin(longAngle); // r * cos(lat) * sin(long)
            vertices.push_back({x, y, z});

            // Нормали (nx, ny, nz)
            nx = x * lengthInv;
            ny = y * lengthInv;
            nz = z * lengthInv;
            normals.push_back({nx, ny, nz});
        }
    }
    int k1, k2;
    for(int i = 0; i < sectorsCount; ++i)
    {
        k1 = i * (sectorsCount + 1); // начало текущего сегмента
        k2 = k1 + sectorsCount + 1; // начало следующего сегмента

        for(int j = 0; j < sectorsCount; ++j, ++k1, ++k2)
        {
            // 2 треугольника на один сегмент
            // k1, k2, k1+1
            if(i != 0)
            {
                indices.push_back(k1);
                indices.push_back(k2);
                indices.push_back(k1 + 1);
            }

            // k1+1, k2, k2+1
            if(i != (sectorsCount-1))
            {
                indices.push_back(k1 + 1);
                indices.push_back(k2);
                indices.push_back(k2 + 1);
            }

        }
    }
    // Загрузка в модель
    result.load_verteces(&vertices[0], vertices.size());
    result.load_normals(&normals[0], normals.size());
    result.load_indices(&indices[0], indices.size());

    return result;
}

// Расчет касательных и бикасательных векторов
void calc_tb(const GLuint* indices, const int indices_count, const glm::vec3* verteces, const glm::vec2* texCords, glm::vec3* tangent, glm::vec3* bitangent)
{
    glm::vec2 dTex1, dTex2; // Разница по текстурным координатам
    glm::vec3 dPos1, dPos2; // Разница по координатам вершин
    float f; // Разность произведений
    glm::vec3 tmp; // Для вычислений вектора

    for (int i = 0; i < indices_count; i+=3)
    {
        // Разности векторов
        dTex1 = texCords[indices[i+1]] - texCords[indices[i]];
        dTex2 = texCords[indices[i+2]] - texCords[indices[i]];
        dPos1 = verteces[indices[i+1]] - verteces[indices[i]];
        dPos2 = verteces[indices[i+2]] - verteces[indices[i]];
        f = dTex1.x * dTex2.y - dTex2.x * dTex1.y;
        
        // Покомпонентное вычисление касательного вектора
        tmp.x = (dTex2.y * dPos1.x - dTex1.y * dPos2.x) / f;
        tmp.y = (dTex2.y * dPos1.y - dTex1.y * dPos2.y) / f;
        tmp.z = (dTex2.y * dPos1.z - dTex1.y * dPos2.z) / f;
        // Нормируем значение
        tmp = glm::normalize(tmp);
        // Добавим вектор в контейнер        
        tangent[indices[i  ]] = tmp; // Для каждого индекса полигона
        tangent[indices[i+1]] = tmp; // значение вектора
        tangent[indices[i+2]] = tmp; // одинаковое

        // Покомпонентное вычисление бикасательного вектора
        tmp.x = (-dTex2.x * dPos1.x + dTex1.x * dPos2.x) / f;
        tmp.y = (-dTex2.x * dPos1.y + dTex1.x * dPos2.y) / f;
        tmp.z = (-dTex2.x * dPos1.z + dTex1.x * dPos2.z) / f;
        // Нормируем значение
        tmp = glm::normalize(tmp);
        // Добавим вектор в контейнер        
        bitangent[indices[i  ]] = tmp; // Для каждого индекса полигона
        bitangent[indices[i+1]] = tmp; // значение вектора
        bitangent[indices[i+2]] = tmp; // одинаковое
    }
}