sim_ressorts/labo_physique/ParticleSimApplication.cpp

548 lines
19 KiB
C++
Raw Normal View History

2024-02-27 13:20:47 -05:00
#include "ParticleSimApplication.h"
#include "ParticleSimGLCanvas.h"
#include <nanogui/window.h>
#include <nanogui/formhelper.h>
#include <nanogui/layout.h>
#include <nanogui/label.h>
#include <nanogui/checkbox.h>
#include <nanogui/button.h>
#include <nanogui/toolbutton.h>
#include <nanogui/popupbutton.h>
#include <nanogui/combobox.h>
#include <nanogui/progressbar.h>
#include <nanogui/messagedialog.h>
#include <nanogui/textbox.h>
#include <nanogui/slider.h>
#include <nanogui/imagepanel.h>
#include <nanogui/imageview.h>
#include <nanogui/vscrollpanel.h>
#include <nanogui/colorwheel.h>
#include <nanogui/graph.h>
#include <nanogui/tabwidget.h>
#include <nanogui/opengl.h>
#include <fstream>
#include <random>
using namespace gti320;
2024-03-09 16:19:14 -05:00
namespace {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
static const float deltaT = 0.01667f;
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule un tissu suspendu
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
static inline void createHangingCloth(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.clear();
const int N = 16;
const int x_start = 240;
const int y_start = 80;
const int dx = 32;
const int dy = 32;
int index = 0;
2024-03-09 16:19:14 -05:00
for (int i = 0; i < N; ++i) {
for (int j = 0; j < N; ++j) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
const int x = x_start + j * dx;
const int y = y_start + i * dy;
Particle particle(Vector2f(x, y), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
if (j == 0 && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
if (j == (N - 1) && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
particleSystem.addParticle(particle);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (i > 0) {
Spring s(index - N, index, k, (float) dy);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
}
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (j > 0) {
Spring s(index - 1, index, k, (float) dx);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
}
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (i > 0 && j > 0) {
Spring s(index - N - 1, index, k, std::sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
}
++index;
}
}
}
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule un grand tissu suspendu
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
static inline void createLargeHangingCloth(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.clear();
const int N = 32;
const int x_start = 240;
const int y_start = 80;
const int dx = 16;
const int dy = 16;
int index = 0;
2024-03-09 16:19:14 -05:00
for (int i = 0; i < N; ++i) {
for (int j = 0; j < N; ++j) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
const int x = x_start + j * dx;
const int y = y_start + i * dy;
Particle particle(Vector2f(x, y), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
if (j == 0 && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
if (j == (N - 1) && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
particleSystem.addParticle(particle);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (i > 0) {
Spring s(index - N, index, k, (float) dy);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
}
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (j > 0) {
Spring s(index - 1, index, k, (float) dx);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
}
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (i > 0 && j > 0) {
Spring s(index - N - 1, index, k, std::sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
}
++index;
}
}
}
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule une corde suspendu par ses
* extrémités.
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
static inline void createHangingRope(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.clear();
const int N = 20;
const int x_start = 200;
const int dx = 32;
int index = 0;
2024-03-09 16:19:14 -05:00
for (int j = 0; j < N; ++j) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
const int x = x_start + j * dx;
const int y = 480;
Particle particle(Vector2f(x, y), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
particle.fixed = (index == 0) || (index == N - 1);
particleSystem.addParticle(particle);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (j > 0) {
Spring s(index - 1, index, k, (float) dx);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
}
++index;
}
}
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule une poutre flexible
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
static inline void createBeam(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.clear();
const int N = 20;
const int x_start = 200;
const int y_start = 400;
const int dx = 32;
const int dy = 32;
int index = 0;
2024-03-09 16:19:14 -05:00
for (int j = 0; j < N; ++j) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
const int x = x_start + j * dx;
// Bottom particle
{
Particle particle(Vector2f(x, y_start), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
particle.fixed = (j == 0);
particleSystem.addParticle(particle);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (j > 0) {
Spring s(index - 1, index, k, (float) sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
Spring s2(index - 2, index, k, (float) dx);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s2);
}
++index;
}
// Top particle
{
Particle particle(Vector2f(x, y_start + dy), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
particle.fixed = (j == 0);
particleSystem.addParticle(particle);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
Spring s(index - 1, index, k, (float) dy);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (j > 0) {
Spring s2(index - 2, index, k, (float) dx);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s2);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
Spring s3(index - 3, index, k, (float) sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.addSpring(s3);
}
++index;
}
}
}
/**
* TODO Créez votre propre exemple
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
static inline void createVotreExemple(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
particleSystem.clear();
// TODO Amusez-vous. Rendu ici, vous le méritez.
}
}
2024-03-09 16:19:14 -05:00
ParticleSimApplication::ParticleSimApplication() : nanogui::Screen(nanogui::Vector2i(1280, 720),
"GTI320 Labo Physique lineaire", true, false, true,
true, false, 4, 1), m_particleSystem(),
m_stepping(false), m_fpsCounter(0), m_fpsTime(0.0), m_maxIter(10),
m_solverType(kGaussSeidel) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
initGui();
createBeam(m_particleSystem, m_stiffness); // le modèle "poutre" est sélectionné à l'initialisation
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
perform_layout();
reset();
}
2024-03-09 16:19:14 -05:00
void ParticleSimApplication::initGui() {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Initialisation de la fenêtre
m_window = new nanogui::Window(this, "Particle sim");
m_window->set_position(nanogui::Vector2i(8, 8));
m_window->set_layout(new nanogui::GroupLayout());
// initialisation du canvas où est affiché le système de particules
m_canvas = new ParticleSimGLCanvas(this);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
m_canvas->set_background_color({255, 255, 255, 255});
m_canvas->set_size({1000, 600});
2024-02-27 13:20:47 -05:00
m_canvas->set_draw_border(false);
// Initialisation de la fenêtre de contrôle
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::Window *controls = new nanogui::Window(this, "Controls");
2024-02-27 13:20:47 -05:00
controls->set_position(nanogui::Vector2i(960, 10));
controls->set_layout(new nanogui::GroupLayout());
2024-03-09 16:19:14 -05:00
Widget *tools = new Widget(controls);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
tools->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 20));
// Intervalles des curseur
const auto stiffnessMinMax = std::make_pair<float, float>(0.0f, logf(5000.f));
const auto iterMinMax = std::make_pair<float, float>(1.f, 100.f);
// Affichage du FPS
m_panelFPS = new Widget(tools);
m_panelFPS->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
m_labelFPS = new nanogui::Label(m_panelFPS, "FPS :");
m_textboxFPS = new nanogui::TextBox(m_panelFPS);
m_textboxFPS->set_fixed_width(60);
m_textboxFPS->set_value("0");
// Affichage du numéro de frame
m_panelFrames = new Widget(tools);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
m_panelFrames->set_layout(
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
m_labelFrames = new nanogui::Label(m_panelFrames, "Frame :");
m_textboxFrames = new nanogui::TextBox(m_panelFrames);
m_textboxFrames->set_fixed_width(60);
m_textboxFrames->set_value("0");
// Boutons pour le choix du solveur
m_panelSolver = new Widget(tools);
m_panelSolver->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
new nanogui::Label(m_panelSolver, "Solver : ");
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::Button *b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "Gauss-Seidel");
2024-02-27 13:20:47 -05:00
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
b->set_pushed(true);
b->set_callback([this] { m_solverType = kGaussSeidel; });
b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "Gauss-Seidel (coloration)");
b->set_callback([this] { m_solverType = kColorGaussSeidel; });
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "Cholesky");
b->set_callback([this] { m_solverType = kCholesky; });
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "None");
b->set_callback([this] { m_solverType = kNone; });
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
// Curseur de rigidité
2024-03-09 16:19:14 -05:00
Widget *panelSimControl = new Widget(tools);
panelSimControl->set_layout(
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
m_panelStiffness = new Widget(panelSimControl);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
m_panelStiffness->set_layout(
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
m_labelStiffness = new nanogui::Label(m_panelStiffness, "Stiffness : ");
m_sliderStiffness = new nanogui::Slider(m_panelStiffness);
m_sliderStiffness->set_range(stiffnessMinMax);
m_textboxStiffness = new nanogui::TextBox(m_panelStiffness);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
m_sliderStiffness->set_callback([this](float value) {
m_stiffness = std::exp(value);
onStiffnessSliderChanged();
});
2024-02-27 14:33:46 -05:00
m_sliderStiffness->set_value(std::log(300.f));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Curseur du nombre maximum d'itération pour Jacobi et Gauss-Seidel
2024-03-09 16:19:14 -05:00
Widget *panelMaxIter = new Widget(panelSimControl);
panelMaxIter->set_layout(
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
2024-02-27 13:20:47 -05:00
new nanogui::Label(panelMaxIter, "Max iterations : ");
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::Slider *sliderMaxIter = new nanogui::Slider(panelMaxIter);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
sliderMaxIter->set_range(iterMinMax);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::TextBox *textboxMaxIter = new nanogui::TextBox(panelMaxIter);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
textboxMaxIter->set_value(std::to_string(m_maxIter));
sliderMaxIter->set_value(m_maxIter);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
sliderMaxIter->set_callback([this, textboxMaxIter](float value) {
m_maxIter = (int) value;
textboxMaxIter->set_value(std::to_string(m_maxIter));
});
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Bouton «Simulate»
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::Button *startStopButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Simulate");
2024-02-27 13:20:47 -05:00
startStopButton->set_flags(nanogui::Button::ToggleButton);
2024-03-09 16:19:14 -05:00
startStopButton->set_change_callback([this](bool val) {
m_stepping = val;
if (val) {
m_prevTime = glfwGetTime();
draw_all();
}
});
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Bouton «Step»
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::Button *stepButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Step");
stepButton->set_callback([this] {
if (!m_stepping)
step(deltaT);
});
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Bouton «Reset»
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::Button *resetButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Reset");
resetButton->set_callback([this] {
reset();
});
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Boutons pour le choix du modèle
2024-03-09 16:19:14 -05:00
Widget *panelExamples = new Widget(tools);
2024-02-27 13:20:47 -05:00
panelExamples->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
new nanogui::Label(panelExamples, "Examples : ");
2024-03-09 16:19:14 -05:00
nanogui::Button *loadClothButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Cloth");
loadClothButton->set_callback([this] {
createHangingCloth(m_particleSystem, m_stiffness);
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
reset();
});
nanogui::Button *loadLargeClothButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Large cloth");
loadLargeClothButton->set_callback([this] {
createLargeHangingCloth(m_particleSystem, m_sliderStiffness->value());
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
reset();
});
nanogui::Button *loadBeamButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Beam");
loadBeamButton->set_callback([this] {
createBeam(m_particleSystem, m_stiffness);
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
reset();
});
nanogui::Button *loadRopeButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Rope");
loadRopeButton->set_callback([this] {
createHangingRope(m_particleSystem, m_stiffness);
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
reset();
});
nanogui::Button *loadVotreExemple = new nanogui::Button(panelExamples, "Le vôtre");
loadVotreExemple->set_callback([this] {
createVotreExemple(m_particleSystem, m_stiffness);
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
reset();
});
2024-02-27 13:20:47 -05:00
}
/**
* Réaction aux événements déclenchés par le clavier
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
bool ParticleSimApplication::keyboard_event(int key, int scancode, int action, int modifiers) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
if (Screen::keyboard_event(key, scancode, action, modifiers))
return true;
if (key == GLFW_KEY_ESCAPE && action == GLFW_PRESS) {
set_visible(false);
return true;
}
return false;
}
/**
* Boucle principale
*
* Cette fonction est appelée périodiquement lorsque le programme est actif.
* C'est ici que tout se passe. Si la simulation est en cours, la fonction
* `step` est appelée pour faire avancer le système d'un intervalle de temps
* DELTA_T. Ensuite, l'affichage est mis à jour.
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
void ParticleSimApplication::draw_contents() {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
Screen::draw_contents();
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (m_stepping) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
auto now = glfwGetTime();
float dt = now - m_prevTime;
step(deltaT);
// Update frames per second
//
m_fpsTime += dt;
++m_fpsCounter;
2024-03-09 16:19:14 -05:00
if (m_fpsCounter > 30) {
const float fps = (float) m_fpsCounter / m_fpsTime;
2024-02-27 13:20:47 -05:00
char buf[64];
snprintf(buf, sizeof(buf), "%3.1f", fps);
m_fpsCounter = 0;
m_fpsTime = 0.0;
m_textboxFPS->set_value(buf);
}
m_prevTime = now;
updateFrameCounter();
}
redraw();
}
/**
* Appelée lorsque le curseur de rigidité est modifié. La nouvelle rigidité est
* affectée à tous les ressorts
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
void ParticleSimApplication::onStiffnessSliderChanged() {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Update all springs with the slider value
2024-03-09 16:19:14 -05:00
for (Spring &s: getParticleSystem().getSprings()) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
s.k = m_stiffness;
}
char buf[16];
snprintf(buf, sizeof(buf), "%4.0f", m_stiffness);
m_textboxStiffness->set_value(buf);
}
/**
* Effectue un pas de simulation de taille dt.
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
void ParticleSimApplication::step(float dt) {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Construction des matrices de masse et de rigidité
//
m_particleSystem.buildMassMatrix(m_M);
m_particleSystem.buildDfDx(m_dfdx);
// Calcul des forces actuelles sur chacune de sparticules
//
m_particleSystem.computeForces();
m_canvas->applyMouseSpring();
// Assemblage des vecteurs d'états.
//
m_particleSystem.pack(m_x, m_v, m_f);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// TODO Construire le système d'équation linéaire sous la forme `A*v_plus = b`.
// la construction de A et b est donnée dans les diapos du Cours 8.
//
// Note : lors du calcul de b, NE PAS calculer `Mg + Kx` ce
// calcul est inutilement coûteux. Pour être plus efficace, on utilise
// directement le vecteur d'état m_f.
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Remarque : A et b sont déclarés `const` et ce n'est pas une erreur. C'est
// pour vous forcer à optimiser votre code.
//
// Considérez les exemples suivants :
//
// # Version 1
// Matrix A; // constructeur par défaut
// A = B + C; // operator+ on construit une matrice et elle est suite copiée avec operator=
//
// # Version 2
// Matrix A = B + C; // la matrice construite dans operator+ est la matrice A.
//
// Bilan : Version 1 utilise 2 constructeurs et 1 opérateur de copie
// Version 2 utilise un seul constructeur et aucune copie
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2024-03-09 16:19:14 -05:00
const Matrix<float, Dynamic, Dynamic> A = m_M + -1.0f * std::pow(deltaT, 2.0f) * m_dfdx;
const Vector<float, Dynamic> b = deltaT * m_f + m_v;
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Résolution du système d'équations `A*v_plus = b`.
//
Vector<float, Dynamic> v_plus;
Vector<float, Dynamic> acc; // vecteur d'accélérations
2024-03-09 16:19:14 -05:00
switch (m_solverType) {
case kGaussSeidel:
gaussSeidel(A, b, v_plus, m_maxIter);
break;
case kColorGaussSeidel:
gaussSeidelColor(A, b, v_plus, m_graphColor.getPartitions(), m_maxIter);
break;
case kCholesky:
cholesky(A, b, v_plus);
break;
default:
case kNone:
// N'utilise pas de solveur, il s'agit de l'implémentation naive de
// l'intégration d'Euler.
acc.resize(m_M.rows()); // vecteur d'accélérations
for (int i = 0; i < m_M.rows(); ++i)
acc(i) = (1.0 / m_M(i, i)) * m_f(i);
v_plus = m_v + dt * acc;
break;
2024-02-27 13:20:47 -05:00
}
// TODO Mise à jour du vecteur d'état de position via l'intégration d'Euler
// implicite. Les nouvelles position sont calculées à partir des position
// actuelles m_x et des nouvelles vitesses v_plus. Les nouvelles positions
// sont stockées directement dans le vecteur m_x.
2024-03-01 17:27:37 -05:00
m_x = m_x + dt * v_plus;
2024-02-27 13:20:47 -05:00
// Affecte les valeurs calculées dans le vecteurs d'états aux particules du
// système
m_particleSystem.unpack(m_x, v_plus);
}
/**
* Réinitialisation du système de particules
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
void ParticleSimApplication::reset() {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
m_frameCounter = 0;
m_particleSystem.unpack(m_p0, m_v0);
m_graphColor.color(m_particleSystem);
onStiffnessSliderChanged();
}
/**
* Mise à jour du compteur de frames
*/
2024-03-09 16:19:14 -05:00
void ParticleSimApplication::updateFrameCounter() {
2024-02-27 13:20:47 -05:00
++m_frameCounter;
char buf[16];
snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", m_frameCounter);
m_textboxFrames->set_value(buf);
}