| 1 | /* | 
|---|
| 2 |  *   ORXONOX - the hottest 3D action shooter ever to exist | 
|---|
| 3 |  *                    > www.orxonox.net < | 
|---|
| 4 |  * | 
|---|
| 5 |  * | 
|---|
| 6 |  *   License notice: | 
|---|
| 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 | 
|---|
| 10 |  *   as published by the Free Software Foundation; either version 2 | 
|---|
| 11 |  *   of the License, or (at your option) any later version. | 
|---|
| 12 |  * | 
|---|
| 13 |  *   This program is distributed in the hope that it will be useful, | 
|---|
| 14 |  *   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of | 
|---|
| 15 |  *   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the | 
|---|
| 16 |  *   GNU 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 |  *   Author: | 
|---|
| 23 |  *      Fabian 'x3n' Landau | 
|---|
| 24 |  *   Co-authors: | 
|---|
| 25 |  *      Wolfgang Roenninger | 
|---|
| 26 |  * | 
|---|
| 27 |  */ | 
|---|
| 28 |  | 
|---|
| 29 | /** | 
|---|
| 30 |     @defgroup Math Mathematical functions | 
|---|
| 31 |     @ingroup Util | 
|---|
| 32 | */ | 
|---|
| 33 |  | 
|---|
| 34 | /** | 
|---|
| 35 |     @file | 
|---|
| 36 |     @ingroup Math | 
|---|
| 37 |     @brief Declaration and implementation of several math-functions, typedefs of some Ogre::Math classes to the orxonox namespace. | 
|---|
| 38 | */ | 
|---|
| 39 |  | 
|---|
| 40 | #ifndef _Util_Math_H__ | 
|---|
| 41 | #define _Util_Math_H__ | 
|---|
| 42 |  | 
|---|
| 43 | #include "UtilPrereqs.h" | 
|---|
| 44 |  | 
|---|
| 45 | #include <string> | 
|---|
| 46 | #include <cmath> | 
|---|
| 47 | #include <cstdlib> | 
|---|
| 48 | #include <random> | 
|---|
| 49 | #include <type_traits> | 
|---|
| 50 |  | 
|---|
| 51 | #include <OgreMath.h> | 
|---|
| 52 | #include <OgreVector2.h> | 
|---|
| 53 | #include <OgreVector3.h> | 
|---|
| 54 | #include <OgreVector4.h> | 
|---|
| 55 | #include <OgreQuaternion.h> | 
|---|
| 56 | #include <OgreColourValue.h> | 
|---|
| 57 |  | 
|---|
| 58 | // Certain headers might define unwanted macros... | 
|---|
| 59 | #undef max | 
|---|
| 60 | #undef min | 
|---|
| 61 | #undef sgn | 
|---|
| 62 | #undef clamp | 
|---|
| 63 | #undef sqrt | 
|---|
| 64 | #undef square | 
|---|
| 65 | #undef mod | 
|---|
| 66 | #undef rnd | 
|---|
| 67 |  | 
|---|
| 68 | namespace orxonox | 
|---|
| 69 | { | 
|---|
| 70 |     /** Often used numerical constants because C++ doesn't define any. | 
|---|
| 71 |     @note | 
|---|
| 72 |         The values here are decimal representations of the approximate floating | 
|---|
| 73 |         point value as it is stored according to the IEEE 754 standard. | 
|---|
| 74 |     */ | 
|---|
| 75 |     namespace math | 
|---|
| 76 |     { | 
|---|
| 77 |         constexpr float twoPi   = 6.283185482025146484375f;     ///< PI * 2 | 
|---|
| 78 |         constexpr float pi      = 3.1415927410125732421875f;    ///< PI | 
|---|
| 79 |         constexpr float pi_2    = 1.57079637050628662109375f;   ///< PI / 2 | 
|---|
| 80 |         constexpr float pi_4    = 0.785398185253143310546875f;  ///< PI / 4 | 
|---|
| 81 |         constexpr float e       = 2.718281269073486328125f;     ///< e | 
|---|
| 82 |         constexpr float sqrt2   = 1.41421353816986083984375f;   ///< sqrt(2) | 
|---|
| 83 |         constexpr float sqrt2_2 = 0.707106769084930419921875f;  ///< sqrt(2) / 2 | 
|---|
| 84 |     } | 
|---|
| 85 |  | 
|---|
| 86 | #if OGRE_VERSION < 0x010603 | 
|---|
| 87 |     _UtilExport std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const orxonox::Radian& radian); | 
|---|
| 88 |     _UtilExport std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const orxonox::Degree& degree); | 
|---|
| 89 | #endif | 
|---|
| 90 |     _UtilExport std::istream& operator>>(std::istream& in, orxonox::Radian& radian); | 
|---|
| 91 |     _UtilExport std::istream& operator>>(std::istream& in, orxonox::Degree& degree); | 
|---|
| 92 |  | 
|---|
| 93 |     _UtilExport float getAngle(const orxonox::Vector3& myposition, const orxonox::Vector3& mydirection, const orxonox::Vector3& otherposition); | 
|---|
| 94 |     _UtilExport orxonox::Vector2 get2DViewdirection(const orxonox::Vector3& myposition, const orxonox::Vector3& mydirection, const orxonox::Vector3& myorthonormal, const orxonox::Vector3& otherposition); | 
|---|
| 95 |     _UtilExport orxonox::Vector2 get2DViewCoordinates(const orxonox::Vector3& myposition, const orxonox::Vector3& mydirection, const orxonox::Vector3& myorthonormal, const orxonox::Vector3& otherposition); | 
|---|
| 96 |     _UtilExport orxonox::Vector2 get3DProjection(const orxonox::Vector3& myposition, const orxonox::Vector3& mydirection, const orxonox::Vector3& myorthonormal, const orxonox::Vector3& otherposition, const float mapangle, const float detectionlimit); | 
|---|
| 97 |     _UtilExport bool isObjectHigherThanShipOnMap(const orxonox::Vector3& myposition, const orxonox::Vector3& mydirection, const orxonox::Vector3& myorthonormal, const orxonox::Vector3& otherposition, const float mapangle); | 
|---|
| 98 |     _UtilExport int determineMap3DZOrder(const orxonox::Vector3& myposition, const orxonox::Vector3& mydirection, const orxonox::Vector3& myorthonormal, const orxonox::Vector3& otherposition, const float detectionlimit); | 
|---|
| 99 |     _UtilExport orxonox::Vector3 getTransformedVector(const orxonox::Vector3& distance, const orxonox::Vector3& mydirection, const orxonox::Vector3& myorthonormal, const orxonox::Vector3& myside); | 
|---|
| 100 |     _UtilExport orxonox::Vector3 getPredictedPosition(const orxonox::Vector3& myposition, float projectilespeed, const orxonox::Vector3& targetposition, const orxonox::Vector3& targetvelocity); | 
|---|
| 101 |  | 
|---|
| 102 |     /** | 
|---|
| 103 |         @brief Returns the sign of the given value. | 
|---|
| 104 |         @param x The value | 
|---|
| 105 |         @return 1 if the value is positive or zero, -1 if the value is negative | 
|---|
| 106 |     */ | 
|---|
| 107 |     template <typename T> | 
|---|
| 108 |     constexpr inline T sgn(T x) | 
|---|
| 109 |     { | 
|---|
| 110 |         return (x >= 0) ? (T)1 : (T)-1; | 
|---|
| 111 |     } | 
|---|
| 112 |  | 
|---|
| 113 |     /** | 
|---|
| 114 |         @brief Keeps a value between a lower and an upper limit. Values beyond these limits are limited to either @a min or @a max. | 
|---|
| 115 |         @param x The value | 
|---|
| 116 |         @param min The lower limit | 
|---|
| 117 |         @param max The upper limit | 
|---|
| 118 |     */ | 
|---|
| 119 |     template <typename T> | 
|---|
| 120 |     constexpr inline T clamp(T x, T min, T max) | 
|---|
| 121 |     { | 
|---|
| 122 |         return x < min ? min : (x > max ? max : x); | 
|---|
| 123 |     } | 
|---|
| 124 |  | 
|---|
| 125 |     /** | 
|---|
| 126 |         @brief Returns the squared value (x^2). | 
|---|
| 127 |     */ | 
|---|
| 128 |     template <typename T> | 
|---|
| 129 |     constexpr inline T square(T x) | 
|---|
| 130 |     { | 
|---|
| 131 |         return x*x; | 
|---|
| 132 |     } | 
|---|
| 133 |  | 
|---|
| 134 |     /** | 
|---|
| 135 |         @brief Returns the cubed value (x^3). | 
|---|
| 136 |     */ | 
|---|
| 137 |     template <typename T> | 
|---|
| 138 |     constexpr inline T cube(T x) | 
|---|
| 139 |     { | 
|---|
| 140 |         return x*x*x; | 
|---|
| 141 |     } | 
|---|
| 142 |  | 
|---|
| 143 |     /** | 
|---|
| 144 |         @brief The modulo operation, enhanced to work properly with negative values. | 
|---|
| 145 |         @param x The value | 
|---|
| 146 |         @param max The operand | 
|---|
| 147 |  | 
|---|
| 148 |         The built in modulo operator % yields a strange behavior with negative values. | 
|---|
| 149 |         This function corrects this - the result is guaranteed to lie always between | 
|---|
| 150 |         zero and (max-1). | 
|---|
| 151 |  | 
|---|
| 152 |         Example: | 
|---|
| 153 |         @code | 
|---|
| 154 |         int var = 11 % 10;      //  1 | 
|---|
| 155 |         int var = -1 % 10;      // -1 | 
|---|
| 156 |  | 
|---|
| 157 |         int var = mod(11, 10);  //  1 | 
|---|
| 158 |         int var = mod(-1, 10);  //  9 | 
|---|
| 159 |         @endcode | 
|---|
| 160 |     */ | 
|---|
| 161 |     template <typename T> | 
|---|
| 162 |     inline int mod(T x, int max) | 
|---|
| 163 |     { | 
|---|
| 164 |         if (x >= 0) | 
|---|
| 165 |             return (x % max); | 
|---|
| 166 |         else | 
|---|
| 167 |         { | 
|---|
| 168 |             T temp = x % max; | 
|---|
| 169 |             return (temp < 0) ? (temp + max) : temp; | 
|---|
| 170 |         } | 
|---|
| 171 |     } | 
|---|
| 172 |  | 
|---|
| 173 |     /** | 
|---|
| 174 |         @brief Returns a "zero" value for the given type. | 
|---|
| 175 |         @note This is the default template of the zeroise() function. The template is spezialized for each supported type. | 
|---|
| 176 |  | 
|---|
| 177 |         The exact return value of the function depends on the type. For @c int this is 0, | 
|---|
| 178 |         for @c float it's 0.0f. For a @c std::string the function returns "" and for | 
|---|
| 179 |         @c Vector3 you get <tt>Vector3(0, 0, 0)</tt>. | 
|---|
| 180 |     */ | 
|---|
| 181 |     template <typename T> /* for normal classes */ typename std::enable_if<!std::is_enum<T>::value, T>::type | 
|---|
| 182 |     inline /*T*/ zeroise() | 
|---|
| 183 |     { | 
|---|
| 184 |         // If you reach this code, you abused zeroise()! | 
|---|
| 185 |         static_assert(sizeof(T) != sizeof(T), "No template specialization available for T"); | 
|---|
| 186 |     } | 
|---|
| 187 |     /// Implementation for enum classes: uses the underlying type to create a zero value. | 
|---|
| 188 |     template <typename T> /* for enum classes */ typename std::enable_if<std::is_enum<T>::value, T>::type | 
|---|
| 189 |     inline /*T*/ zeroise() | 
|---|
| 190 |     { | 
|---|
| 191 |         return static_cast<T>(zeroise<typename std::underlying_type<T>::type>()); | 
|---|
| 192 |     } | 
|---|
| 193 |  | 
|---|
| 194 |     template <> inline char                 zeroise<char>()                 { return 0; } | 
|---|
| 195 |     template <> inline unsigned char        zeroise<unsigned char>()        { return 0; } | 
|---|
| 196 |     template <> inline short                zeroise<short>()                { return 0; } | 
|---|
| 197 |     template <> inline unsigned short       zeroise<unsigned short>()       { return 0; } | 
|---|
| 198 |     template <> inline int                  zeroise<int>()                  { return 0; } | 
|---|
| 199 |     template <> inline unsigned int         zeroise<unsigned int>()         { return 0; } | 
|---|
| 200 |     template <> inline long                 zeroise<long>()                 { return 0; } | 
|---|
| 201 |     template <> inline unsigned long        zeroise<unsigned long>()        { return 0; } | 
|---|
| 202 |     template <> inline long long            zeroise<long long>()            { return 0; } | 
|---|
| 203 |     template <> inline unsigned long long   zeroise<unsigned long long>()   { return 0; } | 
|---|
| 204 |     template <> inline float                zeroise<float>()                { return 0; } | 
|---|
| 205 |     template <> inline double               zeroise<double>()               { return 0; } | 
|---|
| 206 |     template <> inline long double          zeroise<long double>()          { return 0; } | 
|---|
| 207 |     template <> inline bool                 zeroise<bool>()                 { return 0; } | 
|---|
| 208 |     template <> inline void*                zeroise<void*>()                { return nullptr; } | 
|---|
| 209 |     template <> inline std::string          zeroise<std::string>()          { return std::string(); } | 
|---|
| 210 |     template <> inline orxonox::Radian      zeroise<orxonox::Radian>()      { return orxonox::Radian(0.0f); } | 
|---|
| 211 |     template <> inline orxonox::Degree      zeroise<orxonox::Degree>()      { return orxonox::Degree(0.0f); } | 
|---|
| 212 |     template <> inline orxonox::Vector2     zeroise<orxonox::Vector2>()     { return orxonox::Vector2    (0, 0)      ; } | 
|---|
| 213 |     template <> inline orxonox::Vector3     zeroise<orxonox::Vector3>()     { return orxonox::Vector3    (0, 0, 0)   ; } | 
|---|
| 214 |     template <> inline orxonox::Vector4     zeroise<orxonox::Vector4>()     { return orxonox::Vector4    (0, 0, 0, 0); } | 
|---|
| 215 |     template <> inline orxonox::ColourValue zeroise<orxonox::ColourValue>() { return orxonox::ColourValue(0, 0, 0, 0); } | 
|---|
| 216 |     template <> inline orxonox::Quaternion  zeroise<orxonox::Quaternion>()  { return orxonox::Quaternion (0, 0, 0, 0); } | 
|---|
| 217 |  | 
|---|
| 218 |     /** | 
|---|
| 219 |         @brief Provides zero value symbols that can be returned as reference | 
|---|
| 220 |         @see zeroise() | 
|---|
| 221 |     */ | 
|---|
| 222 |     template <typename T> | 
|---|
| 223 |     struct NilValue | 
|---|
| 224 |     { | 
|---|
| 225 |         inline operator const T&() const | 
|---|
| 226 |         { | 
|---|
| 227 |             return value; | 
|---|
| 228 |         } | 
|---|
| 229 |         static T value; | 
|---|
| 230 |     }; | 
|---|
| 231 |     template <typename T> | 
|---|
| 232 |     T NilValue<T>::value = zeroise<T>(); | 
|---|
| 233 |  | 
|---|
| 234 |     /** | 
|---|
| 235 |         @brief Interpolates between two values for a time between 0 and 1. | 
|---|
| 236 |         @param time The time is a value between 0 and 1 - the function returns @a start if @a time is 0, @a end if @a time is 1, and interpolates if @a time is between 0 and 1. | 
|---|
| 237 |         @param start The value at @a time = 0 | 
|---|
| 238 |         @param end The value at @a time = 1 | 
|---|
| 239 |         @return The interpolated value at a given time | 
|---|
| 240 |     */ | 
|---|
| 241 |     template <typename T> | 
|---|
| 242 |     inline T interpolate(float time, const T& start, const T& end) | 
|---|
| 243 |     { | 
|---|
| 244 |         return static_cast<T>(time * (end - start) + start); | 
|---|
| 245 |     } | 
|---|
| 246 |  | 
|---|
| 247 |     /** | 
|---|
| 248 |         @brief Interpolates smoothly between two values for a time between 0 and 1. The function starts slowly, increases faster and stops slowly again. | 
|---|
| 249 |         @param time The time is a value between 0 and 1 - the function returns @a start if @a time is 0, @a end if @a time is 1, and interpolates if @a time is between 0 and 1. | 
|---|
| 250 |         @param start The value at @a time = 0 | 
|---|
| 251 |         @param end The value at @a time = 1 | 
|---|
| 252 |         @return The interpolated value at a given time | 
|---|
| 253 |     */ | 
|---|
| 254 |     template <typename T> | 
|---|
| 255 |     inline T interpolateSmooth(float time, const T& start, const T& end) | 
|---|
| 256 |     { | 
|---|
| 257 |         return static_cast<T>((-2 * (end - start) * cube(time)) + (3 * (end - start) * square(time)) + start); | 
|---|
| 258 |     } | 
|---|
| 259 |  | 
|---|
| 260 |     namespace detail | 
|---|
| 261 |     { | 
|---|
| 262 |         /** | 
|---|
| 263 |         Random number generator used for the functions below. Marked extern to only have one global instance. | 
|---|
| 264 |         */ | 
|---|
| 265 |         _UtilExport extern std::mt19937 rngen; | 
|---|
| 266 |     } | 
|---|
| 267 |  | 
|---|
| 268 |     /** | 
|---|
| 269 |     @brief Seeds the random number generator used for the functions below. | 
|---|
| 270 |     */ | 
|---|
| 271 |     inline void rndseed(unsigned int seed) | 
|---|
| 272 |     { | 
|---|
| 273 |         detail::rngen.seed(seed); | 
|---|
| 274 |     } | 
|---|
| 275 |  | 
|---|
| 276 |     /** | 
|---|
| 277 |     @brief Returns a random number between @a min and almost @a max: <tt>min <= rnd < max</tt>. | 
|---|
| 278 |     @param min The minimum | 
|---|
| 279 |     @param max The maximum | 
|---|
| 280 |     */ | 
|---|
| 281 |     inline float rnd(float min, float max) | 
|---|
| 282 |     { | 
|---|
| 283 |         std::uniform_real_distribution<float> dist(min, max); | 
|---|
| 284 |         return dist(detail::rngen); | 
|---|
| 285 |     } | 
|---|
| 286 |  | 
|---|
| 287 |     /** | 
|---|
| 288 |         @brief Returns a random number between 0 and almost 1: <tt>0 <= rnd < 1</tt>. | 
|---|
| 289 |     */ | 
|---|
| 290 |     inline float rnd() | 
|---|
| 291 |     { | 
|---|
| 292 |         return rnd(0, 1); | 
|---|
| 293 |     } | 
|---|
| 294 |  | 
|---|
| 295 |     /** | 
|---|
| 296 |         @brief Returns a random number between 0 and almost @a max: <tt>0 <= rnd < max</tt>. | 
|---|
| 297 |         @param max The maximum | 
|---|
| 298 |     */ | 
|---|
| 299 |     inline float rnd(float max) | 
|---|
| 300 |     { | 
|---|
| 301 |         return rnd(0, max); | 
|---|
| 302 |     } | 
|---|
| 303 |  | 
|---|
| 304 |     /** | 
|---|
| 305 |         @brief Returns randomly 1 or -1 with equal probability. | 
|---|
| 306 |     */ | 
|---|
| 307 |     inline float rndsgn() | 
|---|
| 308 |     { | 
|---|
| 309 |         std::uniform_int_distribution<> dist; | 
|---|
| 310 |         return static_cast<float>((dist(detail::rngen) & 0x2) - 1); // dist(...) & 0x2 is either 2 or 0 | 
|---|
| 311 |     } | 
|---|
| 312 |  | 
|---|
| 313 |     _UtilExport unsigned long getUniqueNumber(); | 
|---|
| 314 | } | 
|---|
| 315 |  | 
|---|
| 316 | #endif /* _Util_Math_H__ */ | 
|---|