33fdc0740d095deaf8204bf4b380ad260d7fedd3
[L-seed.git] / src / Lseed / Geometry.hs
1 {-# LANGUAGE ScopedTypeVariables, Rank2Types #-}
2 module Lseed.Geometry where
3
4 import Lseed.Data
5 import Lseed.Data.Functions
6 import Lseed.Constants
7 import Lseed.Geometry.Generator
8 import Data.List
9 import Data.Maybe
10 import Data.Ord
11 import qualified Data.Map as M
12 import qualified Data.Foldable as F
13 import Control.Monad hiding (mapM,forM)
14 import Data.Traversable (mapM,forM)
15 import Prelude hiding (mapM)
16 import Control.Monad.ST
17 import Data.STRef
18 import Control.Applicative
19
20 type Point = (Double, Double)
21 type Line  = (Point, Point)
22
23 lineLength ((x1,y1),(x2,y2)) = sqrt ((x1-x2)^2 + (y1-y2)^2)
24
25 -- | from http://www.pdas.com/lineint.htm
26 crossPoint :: Line -> Line -> Maybe Point
27 crossPoint ((x1,y1),(x2,y2)) ((x3,y3),(x4,y4)) =
28         let a1 = y2-y1
29             b1 = x1-x2
30             c1 = x2*y1 - x1*y2  -- { a1*x + b1*y + c1 = 0 is line 1 }
31             a2 = y4-y3
32             b2 = x3-x4
33             c2 = x4*y3 - x3*y4  -- { a2*x + b2*y + c2 = 0 is line 2 }
34             denom = a1*b2 - a2*b1
35         in if abs denom > eps
36            then let x = (b1*c2 - b2*c1)/denom
37                     y = (a2*c1 - a1*c2)/denom
38                 in if  x1 <= x && x <= x2 &&
39                        y1 <= y && y <= y2 &&
40                        x3 <= x && x <= x4 &&
41                        y3 <= y && y <= y4
42                    then Just (x,y)
43                    else Nothing
44            else Nothing
45
46
47 plantedToLines :: Planted a -> [(Line, a)]
48 plantedToLines planted = runGeometryGenerator (plantPosition planted, 0) 0 $
49                 plantToGeometry (phenotype planted)
50
51 plantToGeometry :: Plant a -> GeometryGenerator a ()
52 plantToGeometry (Plant x len ang _ ps) = rotated ang $ do
53                 addLine x ((0,0),(0,len * stipeLength))
54                 translated (0,len * stipeLength) $ mapM_ plantToGeometry ps
55
56 -- | Lines are annotated with its plant, identified by the extra data
57 gardenToLines :: Garden a -> [(Line, a)]
58 gardenToLines = concatMap (\planted -> plantedToLines planted)
59
60 -- | Add lightning from a given angle
61 lightenLines :: Double -> [(Line, a)] -> [(Line, a, Double)]
62 lightenLines angle lines = let (lighted,_) = allKindsOfStuffWithAngle angle lines
63                            in lighted
64
65 lightPolygons :: Double -> [(Line, a)] -> [(Point,Point,Point,Point,Double)]
66 lightPolygons angle lines = let (_,polygons) = allKindsOfStuffWithAngle angle lines
67                             in polygons
68
69 allKindsOfStuffWithAngle :: forall a. Double -> [(Line, a)] ->
70                             ( [(Line, a, Double)]
71                             , [(Point,Point,Point,Point,Double)] )
72 allKindsOfStuffWithAngle angle lines = (lighted, polygons)
73   where projectLine :: Line -> (Double, Double)
74         projectLine (p1, p2) = (projectPoint p1, projectPoint p2)
75         projectTan :: Double
76         projectTan = 1 / tan (pi-angle)
77         projectPoint :: Point -> Double
78         projectPoint (x,y) = x + y * projectTan
79         
80         -- False means Beginning of Line
81         sweepPoints :: [(Double, Bool, (Line, a))]
82         sweepPoints = sortBy (comparing (\(a,b,_)->(a,b))) $ concatMap (\l@((p1,p2),i) -> 
83                         if abs (projectPoint p1 - projectPoint p2) < eps
84                         then []
85                         else if projectPoint p1 < projectPoint p2
86                              then [(projectPoint p1,False,l), (projectPoint p2,True,l)]
87                              else [(projectPoint p2,False,l), (projectPoint p1,True,l)]
88                 ) lines
89
90         -- Find all crossing points
91         crossings :: [Double]
92         crossings = case mapAccumL step [] sweepPoints of
93                         ([],crosses) -> nub (sort (concat crosses))
94                         _            -> error "Lines left open after sweep"
95           where -- accumulator is open lines, return is list of cross points
96                 step :: [Line] -> (Double, Bool, (Line, a)) -> ([Line], [Double])
97                 step [] (_, True, _)      = error $ "Line ends with no lines open"
98                 -- Beginning of a new line, mark it as open, and mark it as a cross-point
99                 step ol (x, False, (l,_)) = (l:ol, [x]) 
100                 -- End of a line. Calculate crosses with all open line, and remove it from the
101                 -- list of open lines
102                 step ol (x, True, (l,_)) = 
103                         let ol' = delete l ol
104                             crosses = map projectPoint $ mapMaybe (crossPoint l) ol'
105                         in (ol', x:crosses)
106
107         -- Cross points inverval
108         intervals = zip crossings (tail crossings)
109
110         unlighted = map (\(l,i) -> (l,i,0)) lines
111         
112         unprojectPoint x (p1@(x1,y1),p2@(x2,y2)) = 
113                 let t = (x - projectPoint p1) /
114                         (projectPoint p2 - projectPoint p1)
115                 in (x1 + t * (x2-x1), y1 + t * (y2-y1))
116
117         lineAtRay x l = let (x1',x2') = projectLine l
118                       in abs (x1' - x2') > eps && -- avoid lines that parallel to the rays
119                          (x1' <= x && x <= x2' || x2' <= x && x <= x1')
120
121         aboveFirst x l1 l2 =
122                 let (_,y1) = unprojectPoint x l1
123                     (_,y2) = unprojectPoint x l2
124                 in y2 `compare` y1
125
126         lighted :: [(Line, a, Double)]
127         lighted = foldl go unlighted intervals
128           where go llines (x1,x2) = curlines' ++ otherlines
129                   where -- Calculation based on the ray at the mid point
130                         mid = (x1 + x2) / 2
131                         -- Light intensity
132                         width = abs ((x2 - x1) * sin angle) * lightIntensity
133                         (curlines, otherlines) = partition (\(l,_,_) -> lineAtRay mid l)
134                                                            llines
135                         sorted = sortBy (\(l1,_,_) (l2,_,_) -> aboveFirst mid l1 l2)
136                                         curlines
137                         curlines' = snd $ mapAccumL shine width sorted
138                         shine intensity (l,i,amount) = (intensity * lightFalloff, 
139                                                        (l,i,amount + (1-lightFalloff) * intensity))
140
141         lightIntensity = sin angle
142
143         polygons = concatMap go intervals
144           where go (x1,x2) = if null sorted then [nothingPoly] else lightedPolys
145                   where mid = (x1 + x2) / 2
146                         curlines = filter (lineAtRay mid) (map fst lines)
147                         sorted = sortBy (aboveFirst mid) curlines
148                         ceiling = ((0,10),(1,10))
149                         floor = ((0,0),(1,0))
150                         nothingPoly = let p1 = unprojectPoint x1 ceiling
151                                           p2 = unprojectPoint x1 floor
152                                           p3 = unprojectPoint x2 floor
153                                           p4 = unprojectPoint x2 ceiling
154                                       in (p1,p2,p3,p4, lightIntensity)
155                         firstPoly = let p1 = unprojectPoint x1 ceiling
156                                         p2 = unprojectPoint x1 (head sorted)
157                                         p3 = unprojectPoint x2 (head sorted)
158                                         p4 = unprojectPoint x2 ceiling
159                                     in (p1,p2,p3,p4)
160                         lastPoly =  let p1 = unprojectPoint x1 (last sorted)
161                                         p2 = unprojectPoint x1 floor
162                                         p3 = unprojectPoint x2 floor
163                                         p4 = unprojectPoint x2 (last sorted)
164                                     in (p1,p2,p3,p4)
165                         polys = zipWith (\l1 l2 ->
166                                          let p1 = unprojectPoint x1 l1
167                                              p2 = unprojectPoint x1 l2
168                                              p3 = unprojectPoint x2 l2
169                                              p4 = unprojectPoint x2 l1
170                                          in (p1,p2,p3,p4)) sorted (tail sorted)
171                         polys' = [firstPoly] ++ polys ++ [lastPoly]
172                         lightedPolys = snd $ mapAccumL shine lightIntensity polys'
173                         shine intensity (p1,p2,p3,p4) = ( intensity * lightFalloff
174                                                         , (p1,p2,p3,p4,intensity))
175
176 -- | Annotates each piece of the garden with the amount of line it attacts
177 lightenGarden :: Angle -> Garden a -> Garden (a, Double)
178 lightenGarden angle = mapLine (lightenLines angle) 0 (+) 
179
180
181 -- | Helper to apply a function that works on lines to a garden
182 mapLine :: (forall b. [(Line, b)] -> [(Line, b, c)]) ->
183            c -> (c -> c -> c) -> Garden a -> Garden (a,c)
184 mapLine process init combine garden = runST $ do
185         gardenWithPointers <- mapM (mapM (\d -> (,) d <$> newSTRef init)) garden
186         let linesWithPointers = gardenToLines gardenWithPointers
187         let processedLines = process linesWithPointers
188         -- Update values via the STRef
189         forM_ processedLines $ \(_,(_,stRef),result) -> modifySTRef stRef (combine result)
190         -- Undo the STRefs
191         mapM (mapM (\(d,stRef) -> (,) d <$> readSTRef stRef)) gardenWithPointers
192
193 -- | Slightly shifts angles 
194 windy s = mapGarden (mapPlanted (go 0))
195   where go d p = let a' = pAngle p + 
196                           windFactor * offset * pLength p * cos (d + pAngle p)
197                      d' = (d+a')
198                  in p { pAngle = a'
199                       , pData = (pData p) { siDirection = d' }
200                       , pBranches = map (go d') (pBranches p)
201                       }
202         offset = sin (windChangeFrequency * s)
203         windFactor = 0.015
204         windChangeFrequency = 1
205
206 -- | For a Garden, calculates the maximum size to the left, to the right, and
207 -- maximum height
208 gardenOffset :: AnnotatedGarden -> (Double, Double, Double)
209 gardenOffset = pad . F.foldr max3 (0.5,0.5,0) . map (F.foldr max3 (0.5,0.5,0) . go )
210   where go planted = fmap (\si -> ( siOffset si + plantPosition planted
211                                   , siOffset si + plantPosition planted 
212                                   , siHeight si
213                                   )
214                            ) planted
215         max3 (a,b,c) (a',b',c') = (min a a', max b b', max c c')
216         pad (a,b,c) = (a-0.02,b+0.02,c+0.02)