source/matrix.cpp

   1 /* $Id$
   2
   3 This file is part of libmspgl
   4 Copyright © 2007  Mikko Rasa, Mikkosoft Productions
   5 Distributed under the LGPL
   6 */
   7
   8 #include <algorithm>
   9 #include <cmath>
  10 #include <msp/core/except.h>
  11 #include "matrix.h"
  12
  13 using namespace std;
  14
  15 namespace Msp {
  16 namespace GL {
  17
  18 Matrix::Matrix():
  19         flags(IDENTITY)
  20 {
  21         for(unsigned i=0; i<16; ++i)
  22                 matrix[i] = (i%5 ? 0 : 1);
  23 }
  24
  25 Matrix::Matrix(const float *m):
  26         flags(IDENTITY)
  27 {
  28         copy(m, m+16, matrix);
  29         check_flags();
  30 }
  31
  32 Matrix::Matrix(const double *m):
  33         flags(IDENTITY)
  34 {
  35         copy(m, m+16, matrix);
  36         check_flags();
  37 }
  38
  39 void Matrix::check_flags()
  40 {
  41         const double *m = matrix;
  42         if(m[12]!=0 || m[13]!=0 || m[14]!=0)
  43                 flags |= TRANSLATE;
  44         if(m[0]!=1)
  45         {
  46                 flags |= SCALE;
  47                 if(m[5]!=m[0] || m[10]!=m[0])
  48                         flags |= ARBITARY;
  49         }
  50         if(m[1]!=0 || m[2]!=0 || m[4]!=0 || m[6]!=0 || m[8]!=0 || m[9]!=0)
  51         {
  52                 flags |= ROTATE;
  53                 double x_dot_y = m[0]*m[1]+m[4]*m[5]+m[8]*m[9];
  54                 double x_dot_z = m[0]*m[2]+m[4]*m[6]+m[8]*m[10];
  55                 double y_dot_z = m[1]*m[2]+m[5]*m[6]+m[9]*m[10];
  56                 if(x_dot_y!=0 || x_dot_z!=0 || y_dot_z!=0)
  57                         flags |= ARBITARY;
  58         }
  59         if(m[3]!=0 || m[7]!=0 || m[11]!=0 || m[15]!=1)
  60                 flags |= ARBITARY;
  61 }
  62
  63 void Matrix::multiply(const Matrix &other)
  64 {
  65         *this = *this*other;
  66 }
  67
  68 void Matrix::translate(double x, double y, double z)
  69 {
  70         multiply(translation(x, y, z));
  71 }
  72
  73 void Matrix::rotate(double a, double x, double y, double z)
  74 {
  75         multiply(rotation(a, x, y, z));
  76 }
  77
  78 void Matrix::rotate_deg(double a, double x, double y, double z)
  79 {
  80         multiply(rotation_deg(a, x, y, z));
  81 }
  82
  83 void Matrix::scale(double s)
  84 {
  85         multiply(scaling(s));
  86 }
  87
  88 void Matrix::scale(double x, double y, double z)
  89 {
  90         multiply(scaling(x, y, z));
  91 }
  92
  93 Matrix Matrix::operator*(const Matrix &other) const
  94 {
  95         if(flags==IDENTITY)
  96                 return other;
  97         else if(other.flags==IDENTITY)
  98                 return *this;
  99         else if(flags==TRANSLATE && !(other.flags&ARBITARY))
 100         {
 101                 Matrix result = other;
 102                 result.matrix[12] += matrix[12];
 103                 result.matrix[13] += matrix[13];
 104                 result.matrix[14] += matrix[14];
 105                 result.flags |= flags;
 106                 return result;
 107         }
 108         else if(!(flags&ARBITARY) && other.flags==TRANSLATE)
 109         {
 110                 Matrix result = *this;
 111                 const double *m = other.matrix;
 112                 result.matrix[12] += matrix[0]*m[12]+matrix[4]*m[13]+matrix[8]*m[14];
 113                 result.matrix[13] += matrix[1]*m[12]+matrix[5]*m[13]+matrix[9]*m[14];
 114                 result.matrix[14] += matrix[2]*m[12]+matrix[6]*m[13]+matrix[10]*m[14];
 115                 result.flags |= other.flags;
 116                 return result;
 117         }
 118         else
 119         {
 120                 Matrix result;
 121                 fill(result.matrix, result.matrix+16, 0.0);
 122                 for(unsigned i=0; i<4; ++i)
 123                         for(unsigned j=0; j<4; ++j)
 124                                 for(unsigned k=0; k<4; ++k)
 125                                         result.matrix[i+j*4] += matrix[i+k*4]*other.matrix[k+j*4];
 126                 result.flags = flags|other.flags;
 127                 return result;
 128         }
 129 }
 130
 131 Matrix &Matrix::operator*=(const Matrix &other)
 132 {
 133         multiply(other);
 134         return *this;
 135 }
 136
 137 double Matrix::operator[](unsigned i) const
 138 {
 139         if(i>=16)
 140                 throw InvalidParameterValue("Matrix element index out of range");
 141         return matrix[i];
 142 }
 143
 144 Matrix Matrix::translation(double x, double y, double z)
 145 {
 146         Matrix result;
 147         result.matrix[12] = x;
 148         result.matrix[13] = y;
 149         result.matrix[14] = z;
 150         result.flags |= TRANSLATE;
 151         return result;
 152 }
 153
 154 Matrix Matrix::rotation(double a, double x, double y, double z)
 155 {
 156         double l = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 157         x /= l;
 158         y /= l;
 159         z /= l;
 160         double c = cos(a);
 161         double s = sin(a);
 162
 163         // http://en.wikipedia.org/wiki/Rotation_matrix#Rotation_matrix_given_an_axis_and_an_angle
 164         Matrix result;
 165         result.matrix[0] = c+x*x*(1-c);
 166         result.matrix[1] = y*x*(1-c)+z*s;
 167         result.matrix[2] = z*x*(1-c)-y*s;
 168         result.matrix[4] = x*y*(1-c)-z*s;
 169         result.matrix[5] = c+y*y*(1-c);
 170         result.matrix[6] = z*y*(1-c)+x*s;
 171         result.matrix[8] = x*z*(1-c)+y*s;
 172         result.matrix[9] = y*z*(1-c)-x*s;
 173         result.matrix[10] = c+z*z*(1-c);
 174         result.flags |= ROTATE;
 175         return result;
 176 }
 177
 178 Matrix Matrix::rotation_deg(double a, double x, double y, double z)
 179 {
 180         return rotation(a*M_PI/180, x, y, z);
 181 }
 182
 183 Matrix Matrix::scaling(double s)
 184 {
 185         Matrix result;
 186         result.matrix[0] = s;
 187         result.matrix[5] = s;
 188         result.matrix[10] = s;
 189         result.flags |= SCALE;
 190         return result;
 191 }
 192
 193 Matrix Matrix::scaling(double x, double y, double z)
 194 {
 195         Matrix result;
 196         result.matrix[0] = x;
 197         result.matrix[5] = y;
 198         result.matrix[10] = z;
 199         result.flags |= SCALE|ARBITARY;
 200         return result;
 201 }
 202
 203 Matrix Matrix::ortho(double l, double r, double b, double t, double n, double f)
 204 {
 205         if(l==r || b==t || n==f)
 206                 throw InvalidParameterValue("Orthogonal projection can't have zero dimension");
 207
 208         Matrix result;
 209         result.matrix[0] = 2/(r-l);
 210         result.matrix[5] = 2/(t-b);
 211         result.matrix[10] = -2/(f-n);
 212         result.matrix[12] = -(r+l)/(r-l);
 213         result.matrix[13] = -(t+b)/(t-b);
 214         result.matrix[14] = -(f+n)/(f-n);
 215         result.flags = TRANSLATE|SCALE|ARBITARY;
 216         return result;
 217 }
 218
 219 Matrix Matrix::ortho_centered(double w, double h)
 220 {
 221         return ortho(-w/2, w/2, -h/2, h/2, -1, 1);
 222 }
 223
 224 Matrix Matrix::ortho_bottomleft(double w, double h)
 225 {
 226         return ortho(0, w, 0, h, -1, 1);
 227 }
 228
 229 Matrix Matrix::ortho_topleft(double w, double h)
 230 {
 231         return ortho(0, w, h, 0, -1, 1);
 232 }
 233
 234 Matrix Matrix::frustum(double l, double r, double b, double t, double n, double f)
 235 {
 236         if(l==r || b==t || n<=0 || f<=n)
 237                 throw InvalidParameterValue("Invalid frustum parameters");
 238
 239         Matrix result;
 240         result.matrix[0] = 2*n/(r-l);
 241         result.matrix[5] = 2*n/(t-b);
 242         result.matrix[8] = (r+l)/(r-l);
 243         result.matrix[9] = (t+b)/(t-b);
 244         result.matrix[10] = -(f+n)/(f-n);
 245         result.matrix[11] = -1;
 246         result.matrix[14] = -2*f*n/(f-n);
 247         result.matrix[15] = 0;
 248         result.flags = ARBITARY;
 249         return result;
 250 }
 251
 252 Matrix Matrix::frustum_centered(double w, double h, double n, double f)
 253 {
 254         return frustum(-w/2, w/2, -h/2, h/2, n, f);
 255 }
 256
 257 Matrix Matrix::perspective(double h, double a, double n, double f)
 258 {
 259         double hh = tan(h)*n;
 260         return frustum(-hh*a, hh*a, -hh, hh, n, f);
 261 }
 262
 263
 264 GLenum MatrixStack::current_mode = GL_MODELVIEW;
 265
 266 MatrixStack::MatrixStack(GLenum m):
 267         mode(m)
 268 {
 269         matrices.push_back(Matrix());
 270 }
 271
 272 MatrixStack::MatrixStack():
 273         mode(0)
 274 {
 275         matrices.push_back(Matrix());
 276 }
 277
 278 const Matrix &MatrixStack::top()
 279 {
 280         return matrices.back();
 281 }
 282
 283 void MatrixStack::load(const Matrix &m)
 284 {
 285         matrices.back() = m;
 286         update();
 287 }
 288
 289 void MatrixStack::multiply(const Matrix &m)
 290 {
 291         matrices.back() *= m;
 292         update();
 293 }
 294
 295 void MatrixStack::push()
 296 {
 297         matrices.push_back(top());
 298 }
 299
 300 void MatrixStack::pop()
 301 {
 302         if(matrices.size()==1)
 303                 throw InvalidState("Can't pop the last matrix");
 304
 305         matrices.pop_back();
 306         update();
 307 }
 308
 309 void MatrixStack::update()
 310 {
 311         if(!mode)
 312                 return;
 313
 314         if(mode!=current_mode)
 315         {
 316                 glMatrixMode(mode);
 317                 current_mode = mode;
 318         }
 319
 320         glLoadMatrixd(matrices.back().data());
 321 }
 322
 323 MatrixStack &MatrixStack::operator=(const Matrix &m)
 324 {
 325         load(m);
 326         return *this;
 327 }
 328
 329 MatrixStack &MatrixStack::operator*=(const Matrix &m)
 330 {
 331         multiply(m);
 332         return *this;
 333 }
 334
 335 MatrixStack &MatrixStack::modelview()
 336 {
 337         static MatrixStack ms(GL_MODELVIEW);
 338         return ms;
 339 }
 340
 341 MatrixStack &MatrixStack::projection()
 342 {
 343         static MatrixStack ms(GL_PROJECTION);
 344         return ms;
 345 }
 346
 347
 348 // Deprecated stuff
 349
 350 MatrixStack *active_stack = &MatrixStack::modelview();
 351
 352 void matrix_mode(MatrixMode m)
 353 {
 354         if(m==MODELVIEW)
 355                 active_stack = &MatrixStack::modelview();
 356         else if(m==PROJECTION)
 357                 active_stack = &MatrixStack::projection();
 358         else
 359                 throw InvalidParameterValue("Texture matrices are not supported");
 360 }
 361
 362 void load_identity()
 363 {
 364         *active_stack = Matrix();
 365 }
 366
 367 void load_matrix(const float *matrix)
 368 {
 369         *active_stack = Matrix(matrix);
 370 }
 371
 372 void load_matrix(const double *matrix)
 373 {
 374         *active_stack = Matrix(matrix);
 375 }
 376
 377 void mult_matrix(const float *matrix)
 378 {
 379         *active_stack *= Matrix(matrix);
 380 }
 381
 382 void mult_matrix(const double *matrix)
 383 {
 384         *active_stack *= Matrix(matrix);
 385 }
 386
 387 void push_matrix()
 388 {
 389         active_stack->push();
 390 }
 391
 392 void pop_matrix()
 393 {
 394         active_stack->pop();
 395 }
 396
 397 void translate(float x, float y, float z)
 398 {
 399         *active_stack *= Matrix::translation(x, y, z);
 400 }
 401
 402 void rotate(float a, float x, float y, float z)
 403 {
 404         *active_stack *= Matrix::rotation_deg(a, x, y, z);
 405 }
 406
 407 void scale(float x, float y, float z)
 408 {
 409         *active_stack *= Matrix::scaling(x, y, z);
 410 }
 411
 412 void scale_uniform(float s)
 413 {
 414         *active_stack *= Matrix::scaling(s);
 415 }
 416
 417 } // namespace GL
 418 } // namespace Msp