ETS_GTI320
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sim_ressorts
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sim_ressorts/labo_physique/ParticleSimApplication.cpp

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C++
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#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;
namespace
{
static const float deltaT = 0.01667f;
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule un tissu suspendu
*/
static inline void createHangingCloth(ParticleSystem& particleSystem, float k)
{
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;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
for (int j = 0; j < N; ++j)
{
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);
if (i > 0)
{
Spring s(index - N, index, k, (float)dy);
particleSystem.addSpring(s);
}
if (j > 0)
{
Spring s(index - 1, index, k, (float)dx);
particleSystem.addSpring(s);
}
if (i > 0 && j > 0)
{
Spring s(index - N - 1, index, k, std::sqrt((float)dx * dx + (float)dy * dy));
particleSystem.addSpring(s);
}
++index;
}
}
}
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule un grand tissu suspendu
*/
static inline void createLargeHangingCloth(ParticleSystem& particleSystem, float k)
{
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;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
for (int j = 0; j < N; ++j)
{
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);
if (i > 0)
{
Spring s(index - N, index, k, (float)dy);
particleSystem.addSpring(s);
}
if (j > 0)
{
Spring s(index - 1, index, k, (float)dx);
particleSystem.addSpring(s);
}
if (i > 0 && j > 0)
{
Spring s(index - N - 1, index, k, std::sqrt((float)dx * dx + (float)dy * dy));
particleSystem.addSpring(s);
}
++index;
}
}
}
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule une corde suspendu par ses
* extrémités.
*/
static inline void createHangingRope(ParticleSystem& particleSystem, float k)
{
particleSystem.clear();
const int N = 20;
const int x_start = 200;
const int dx = 32;
int index = 0;
for (int j = 0; j < N; ++j)
{
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);
if (j > 0)
{
Spring s(index - 1, index, k, (float)dx);
particleSystem.addSpring(s);
}
++index;
}
}
/**
* Crée un système masse-ressort qui simule une poutre flexible
*/
static inline void createBeam(ParticleSystem& particleSystem, float k)
{
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;
for (int j = 0; j < N; ++j)
{
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);
if (j > 0)
{
Spring s(index - 1, index, k, (float)sqrt((float)dx * dx + (float)dy * dy));
particleSystem.addSpring(s);
Spring s2(index - 2, index, k, (float)dx);
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);
Spring s(index - 1, index, k, (float)dy);
particleSystem.addSpring(s);
if (j > 0)
{
Spring s2(index - 2, index, k, (float)dx);
particleSystem.addSpring(s2);
Spring s3(index - 3, index, k, (float)sqrt((float)dx * dx + (float)dy * dy));
particleSystem.addSpring(s3);
}
++index;
}
}
}
/**
* TODO Créez votre propre exemple
*/
static inline void createVotreExemple(ParticleSystem& particleSystem, float k)
{
particleSystem.clear();
// TODO Amusez-vous. Rendu ici, vous le méritez.
}
}
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)
{
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();
}
void ParticleSimApplication::initGui()
{
// 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);
m_canvas->set_background_color({ 255, 255, 255, 255 });
m_canvas->set_size({ 1000, 600 });
m_canvas->set_draw_border(false);
// Initialisation de la fenêtre de contrôle
nanogui::Window* controls = new nanogui::Window(this, "Controls");
controls->set_position(nanogui::Vector2i(960, 10));
controls->set_layout(new nanogui::GroupLayout());
Widget* tools = new Widget(controls);
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);
m_panelFrames->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
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 : ");
nanogui::Button* b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "Gauss-Seidel");
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
Widget* panelSimControl = new Widget(tools);
panelSimControl->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
m_panelStiffness = new Widget(panelSimControl);
m_panelStiffness->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
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);
m_sliderStiffness->set_callback([this](float value)
{
m_stiffness = std::exp(value);
onStiffnessSliderChanged();
});
m_sliderStiffness->set_value(std::log(300.f));
// Curseur du nombre maximum d'itération pour Jacobi et Gauss-Seidel
Widget* panelMaxIter = new Widget(panelSimControl);
panelMaxIter->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
new nanogui::Label(panelMaxIter, "Max iterations : ");
nanogui::Slider* sliderMaxIter = new nanogui::Slider(panelMaxIter);
sliderMaxIter->set_range(iterMinMax);
nanogui::TextBox* textboxMaxIter = new nanogui::TextBox(panelMaxIter);
textboxMaxIter->set_value(std::to_string(m_maxIter));
sliderMaxIter->set_value(m_maxIter);
sliderMaxIter->set_callback([this, textboxMaxIter](float value)
{
m_maxIter = (int)value;
textboxMaxIter->set_value(std::to_string(m_maxIter));
});
// Bouton «Simulate»
nanogui::Button* startStopButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Simulate");
startStopButton->set_flags(nanogui::Button::ToggleButton);
startStopButton->set_change_callback([this](bool val)
{
m_stepping = val;
if (val)
{
m_prevTime = glfwGetTime();
draw_all();
}
});
// Bouton «Step»
nanogui::Button* stepButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Step");
stepButton->set_callback([this]
{
if (!m_stepping)
step(deltaT);
});
// Bouton «Reset»
nanogui::Button* resetButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Reset");
resetButton->set_callback([this]
{
reset();
});
// Boutons pour le choix du modèle
Widget* panelExamples = new Widget(tools);
panelExamples->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
new nanogui::Label(panelExamples, "Examples : ");
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();
});
}
/**
* Réaction aux événements déclenchés par le clavier
*/
bool ParticleSimApplication::keyboard_event(int key, int scancode, int action, int modifiers)
{
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.
*/
void ParticleSimApplication::draw_contents()
{
Screen::draw_contents();
if (m_stepping)
{
auto now = glfwGetTime();
float dt = now - m_prevTime;
step(deltaT);
// Update frames per second
//
m_fpsTime += dt;
++m_fpsCounter;
if (m_fpsCounter > 30)
{
const float fps = (float)m_fpsCounter / m_fpsTime;
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
*/
void ParticleSimApplication::onStiffnessSliderChanged()
{
// Update all springs with the slider value
for (Spring& s : getParticleSystem().getSprings())
{
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.
*/
void ParticleSimApplication::step(float dt)
{
// 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
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//
const Matrix<float, Dynamic, Dynamic> A;
const Vector<float, Dynamic> b;
// Résolution du système d'équations `A*v_plus = b`.
//
Vector<float, Dynamic> v_plus;
Vector<float, Dynamic> acc; // vecteur d'accélérations
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;
}
// 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.
// 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
*/
void ParticleSimApplication::reset()
{
m_frameCounter = 0;
m_particleSystem.unpack(m_p0, m_v0);
m_graphColor.color(m_particleSystem);
onStiffnessSliderChanged();
}
/**
* Mise à jour du compteur de frames
*/
void ParticleSimApplication::updateFrameCounter()
{
++m_frameCounter;
char buf[16];
snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", m_frameCounter);
m_textboxFrames->set_value(buf);
}
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