Tutorial 5: Irrlicht, ODE, os presento a irrKlang!

Siguiendo la línea de "Los Hola Mundos más Simples" pasamos a añadir a nuestra sencilla escena de la pelota una nueva librería para dotar a esta de sonido: irrKlang.
Librería, como podeis intuir, del mismo equipo que desarrolla Irrlich. Misma filosofía, misma simpleza, mismo potencial.

IrrKlang se distribuye como un proyecto aparte de Irrlicht, por ello tiene su propia web. También tiene diferencias en cuanto a su licencia, ya que si se desea utilizar para uso comercial hay que pagar por la versión Pro. Pero cabe destacar que la única diferencia entre la versión para uso NO comercial y la versión Pro es la posibilidad de compilar irrKlang en forma de librería estática. Como podeis observar en esta comparativa la versión no comercial mantiene las mismas interesantes características que la versión de pago.
Y al igual que irrlicht soportaba una gran cantidad de formatos de modelos 3D, irrklang tiene un buen soporte en formatos de audio (wav, ogg, mp3...). Aunque es importante recordar que MP3 tiene su propia licencia que se debería pagar aparte, es por ello que no está integrado realmente en el núcleo de la librería irrklang, sino que viene en forma de plugin ("ikpMP3.dll") por si te interesara eliminarlo de tu aplicación.
Para acabar esta introducción de la librería, comentar lo que me parece la característica más interesante: Sonido 3D. De forma graciosa el API de irrklang llama "Sonido 2D" al sonido digamos estéreo de toda la vida, y "Sonido 3D" a aquel que está posicionado en un espacio tridimensional y suena de una forma u otra dependiento de un ficticio observador (oyente en este caso ;D) de la escena. Y todo ésto es fácil de integrar en una escena irrlicht gracias al ISceneNode implementado para irrKlang que podemos encontrar en su web: irrKlangSceneNode.

Pero vayamos al grano. Un hola mundo de irrKlang se podría resumir en el siguiente par de líneas:

ISoundEngine* engine = createIrrKlangDevice();
engine->play2D("path/myFile", false);

Y ya tendríamos sonido en nuestra aplicación.
El booleano de play2D es por si queremos la reproducción en loop, así que para tener música de fondo tan sólo hay que ejecutar dicha línea con true.

En nuestro tutorial hemos dotado de sonido a la pelota cuando choca contra el suelo, y para ello hemos hecho uso de ese par de líneas, y además hemos ajustado el volumen según la fuerza del rebote para darle algo de gracia. Veamos como:

Un nuevo include:

#include <irrKlang/irrKlang.h>

Una nueva variable:

ISoundEngine* engine;

Una nueva inicialización de librería:

void irrklang_inicializacion()
{
  engine = createIrrKlangDevice();
}

Y simplemente, en el instante en el que sabemos que se produce una colisión, reproducimos el sonido. Ésto es, dentro del "ode_nearCallback".
Primeros se ha capturado la velocidad lineal del body de la esfera mediante "dBodyGetLinearVel( sphereBody )", ODE siempre devuelve los datos en forma de array, como la velocidad lineal es un vector, esta función nos proporciona un array con (x,y,z). Sólo nos interesa la velocidad vertical, con lo cual: "dBodyGetLinearVel( sphereBody )[1]".
En las siguientes líneas simplemente hemos obtenido el valor absoluto de la velocidad lineal:

dReal verticalVelocity = dBodyGetLinearVel( sphereBody )[1];
if ( verticalVelocity < 0.0 )
  verticalVelocity *= -1.0;

Y en el caso de que haya una velocidad lineal mínima en el eje Y, reproducimos el sonido del boing. Para dotar de algo más de realismo el sonido, modificamos el volumen mediante "setSoundVolume" en función de la velocidad. El volumen se ajusta de [0..1], así que simplemente, cuando la fuerza empiece a ser muy débil (<1.0) empazará a disminuir el volumen.

if( verticalVelocity > 0.1 )
{
  engine->setSoundVolume( verticalVelocity );
  engine->play2D("res/boing.mp3", false);
}

Y poco más!

A nivel de archivos, han sido añadidos al tutorial la dll "irrKlang.dll" y el pluging para mp3 "ikpMP3.dll", la librería estática "libirrKlang.a, libirrKlang.def" (tan sólo son la interfaz a la dll), y la colección de cabeceras en "include\irrKlang".

Ya sabeis, el código en el box bajo el nombre "tutorial_05.zip".

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Completando el Cuarto Tutorial (Irrlicht+ODE): La Masa

Volvemos trás un pequeño letargo con novedades.
Pero antes que nada, retomemos el último tutorial publicado para añadirle un detalle que dejé en el tintero expresamente para evitar marear mucho más la perdiz con todas las nuevas líenas de código que ODE implicaba. Y aquello que ignoré fue la masa de la esfera, o dicho en términos ODE: la masa de un body.

Por la simpleza del tutorial, aplicar la masa no afecta demasiado en los resultados ya obtenidos sin ella, por eso decidí no mencionarla con tal de ganar un poco más en simplicidad de código (ya resulta bastante duro enfrentarse a una librería como ODE la primera vez, sin contar en la casi necesidad de estar mezclada con otra librería como Irrlicht).

Recordando ODE, teníamos Geoms y Bodys para representar la física de nuestros objetos. Los Geoms representaban su caracter geométrico en el espacio, y los bodys su facultad de movimiento. Y es por este movito por lo que son los bodys los encargados de cargar con la masa, ya que ésta se utiliza básicamente para ajustar el centro de gravedad de un objeto y su densidad. Ambas características afectan a la simulación del movimiento, y no a los cálculos de geometría y colisión.

Su aplicación es realmente sencilla. Retomando el último tutorial con nuestra pelotita rebotando contra el suelo, tan sólo hay que añadirle cuatro nuevas líneas de código:

dMass   sphereMass;

Una nueva definición de variable. Ésta no es un identificador como lo eran todas las otras variables definidas para ODE, "dMass" es una pequeña estructura de datos que almacena la información nombrada referente a la masa: densidad, centro de gravedad, matriz de inercia y masa total.
Según ODE es un struct tal que así:

typedef struct dMass {
 dReal mass;   // total mass of the rigid body
 dVector4 c;   // center of gravity position in body frame (x,y,z)
 dMatrix3 I;   // 3x3 inertia tensor in body frame, about POR
} dMass;

Wow! ¿Y como se supone que voy a configurar yo esos valores??! Nada que temer, lo hará ODE por nosotros si trabajamos con primitivas geométricas.

El resto de líneas nuevas se encuentra en la función de creacion "ode_creación":

dMassSetSphere( &sphereMass, 1.0f, 10.0f);
dMassAdjust( &sphereMass, 0.25);

dBodySetMass( sphereBody, &sphereMass);

Las dos primeras líneas realizan toda la configuración del struct dMass que acabamos de ver. La primera recibe como parámetro la densidad deseada para nuestro objeto y su radio (por tratarse de una esfera, obviamente), y se encarga de configurar en el dMass las variables 'c' e 'I': el centro de gravedad y su matriz de inercia para nuestra esfera. Ésto se realiza gracias a la función "dMassSetSphere" que sabe como se ajustan dichos valores a un objeto esférico. Por supuesto, disponemos de funciones de ajuste de masa para todas las geometrías primitivas que ODE nos ofrecía (cajas, cilindros, esferas, cápsulas y trimesh).
Según ODE, éste método no ajusta la masa total del objeto (la variable 'mass' del struct dMass), dejando este parámetro ajustable por nosotros mediante la función "dMassAdjust".

Por último ya sólo queda asignar nuestra nueva masa configurada a su respectivo body mediante "dBodySetMass".

La ejecución del tutorial con los valores de masa que he puesto por defecto da un resultado similar al anterior, la pelota rebota prácticamente de la misma forma.
Ahora puedes probar a cambiarle la masa total mediante "dMassAdjust" a 1000.0 unidades por ejemplo, y observarás como nuestra pelota de playa empieza parecerse más bien a una bola de bolos.

Como de costumbre, el código fuente está disponible en el box baje el nombre "tutorial_04b.zip" ;)

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Vehiculos con ODE (2ª parte)

Muy Buenas!! en la entrada anterior comentamos las modificaciones que le hicimos a un ejemplo de ODE para poder formar distintos tipos de vehiculos. Sin embargo, no pusimos codigo fuente alguno. Supongo que más de uno se quedaria con las ganas :*(, así que en esta entrega os vamos a exponer todo el codigo del ejemplo.

Antes de nada te recuerdo que esto es codigo exclusivamente ODE, no tiene nada de Irrlicht. Ahora mismo estamos trabajando en la integracion de este ejemplo con nuestra jerarquía de clases, de modo que todo el codigo que aquí verás quede hermosamente encapsulado en unas pocas clases. Bueno, vamos allá.

Para empezar, tenemos los includes de ode y drawstuff

#include "ode.h"
#include "drawstuff.h"
#include "texturepath.h"

A continuacion vemos la rista de definiciones que tuvimos que hacer para especificar todas las caracteristicas del vehiculo, tales como dimensiones globales de la carroceria, numero de ruedas, numero de cajas que componen el chasis, tracción, etc

#define LENGTH 1.75    // chassis length
#define WIDTH 0.7    // chassis width
#define HEIGHT 0.25    // chassis height
#define STARTZ 0.5    // starting height of chassis
#define CMASS 1.50        // chassis mass
#define WMASS 0.084    // wheel mass

#define NUM_WHEELS 6
#define NUM_DIRECTIONWHEELS 2
#define NUM_CHASSISBODIES 1
#define NUM_CHASSISGEOMS 3
#define NUM_BODIES (NUM_WHEELS + NUM_CHASSISBODIES)

//#define TRACCION_INICAL 0                     //  -   - Delantera
#define TRACCION_INICAL NUM_DIRECTIONWHEELS     //  |   |     - Trasera
//#define TRACCION_FINAL NUM_DIRECTIONWHEELS    //  |   -     |
#define TRACCION_FINAL NUM_WHEELS               //  - Total   -

Para especificar las dimensiones de cada caja y ruedas tenemos arrays de arrays, tanto para las dimensiones como para el posicionamiento relativo, radios y grosores de las ruedas, etc.

//Configuracion de las cajas para la Cabeza tractora de un Camion
dReal ChassisDim[3][3] =
{
  {LENGTH,WIDTH,HEIGHT},
  {LENGTH*0.5,WIDTH*0.5,HEIGHT},
  {LENGTH*0.25,WIDTH*0.9,1.5*HEIGHT},
};

dReal ChassisPos[3][3] =
{
  {0,0,0},
  {0.55, 0,  HEIGHT + HEIGHT*0.5 -0.1},
  {0.25, 0,0.45}
};

dReal WheelsPos[6][3] =
{
  {    0.35*LENGTH,  0.45*WIDTH, STARTZ -0.5*HEIGHT},
  {    0.35*LENGTH, -0.45*WIDTH, STARTZ -0.5*HEIGHT},
  {   -0.225*LENGTH,  0.4*WIDTH, STARTZ -0.5*HEIGHT},
  {   -0.225*LENGTH, -0.4*WIDTH, STARTZ -0.5*HEIGHT},
  {  -0.4*LENGTH,   0.4*WIDTH,  STARTZ -0.5*HEIGHT},
  {  -0.4*LENGTH,  -0.4*WIDTH,  STARTZ -0.5*HEIGHT}
};

#define RADIUS 0
#define GROSOR 1
dReal WheelsSize[6][2] =
{    //RADIUS GROSOR
  { 0.14,  0.1},
  { 0.14,  0.1},
  { 0.14,  0.2},
  { 0.14,  0.2},
  { 0.14,  0.2},
  { 0.14,  0.2},
};

Como ves, todas las medidas van en función de los defines WIDTH, HEIGHT Y LENGTH. Esto no quiere decir que tenga que ser estrictamente asi. De hecho, todos estos valores serán leidos de fichero.

A continuación tenemos el chorro de constantes mágicas de ODE para los contact joints de colisión y los joints hinge2 para las ruedas.

//Contantes para los ContactJoints
#define MAX_CONTACT_JOINTS 20
#define CONTACTJOIN_MU dInfinity
#define CONTACTJOIN_SLIP1 0.1
#define CONTACTJOIN_SLIP2 0.1
#define CONTACTJOIN_SOFT_ERP 0.5
#define CONTACTJOIN_SOFT_CFM 0.3

//Configuracion del Hinge2 de las ruedas
#define RUEDAS_MOTRICES_ParamFMax2 0.1
#define RUEDAS_FRENO_PROGRESIVO 0.01
#define STEER_MAX 1.0
#define HINGE2_DIRECTIONWHEELS_MAXDIFF_ANGLE 0.1
#define HINGE2_DIRECTIONWHEELS_MAXDIFF_SCALE 10.0
#define HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamFMax 0.2
#define HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamLoStop -0.75
#define HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamHiStop 0.75
#define HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamFudgeFactor 0.1
#define HINGE2_ParamSuspensionERP 0.4
#define HINGE2_ParamSuspensionCFM 0.8
#define HINGE2_FIXEDWHEELS_ParamLoStop 0
#define HINGE2_FIXEDWHEELS_ParamHiStop 0


//ODE World constants
#define ODE_STEP 0.05
#define ODE_GRAVITY -0.5

Hasta aqui los defines y arrays. En el siguiente bloque puedes ver la definición del mundo y el espacio raiz, el array de bodys y joints, etc., así como las dos variables controladas por el usuario, la velocidad y direccion del vehiculo.

// dynamics and collision objects (chassis, 3 wheels, environment)
static dWorldID world;
static dSpaceID space;
static dBodyID body[NUM_BODIES];
static dJointID joint[NUM_WHEELS];    // joint[0] and [1] are the front wheels
static dJointGroupID contactgroup;
static dGeomID ground;
static dSpaceID car_space;
static dGeomID box[NUM_CHASSISGEOMS];
static dGeomID sphere[NUM_WHEELS];
static dGeomID ground_box;



// things that the user controls

static dReal speed=0,steer=0;    // user commands

Veamos ahora la función llamada por la simulación de ODE para gestion de las colisiones. Esta función es bastante similar a los otros ejemplos vistos de ODE.

// this is called by dSpaceCollide when two objects in space are
// potentially colliding.

static void nearCallback (void *data, dGeomID o1, dGeomID o2)
{
int i,n;

bool o1isSpace = dGeomIsSpace (o1);
bool o2isSpace = dGeomIsSpace (o1);
dSpaceID s1 = dGeomGetSpace (o1);
dSpaceID s2 = dGeomGetSpace (o2);
if(!o1isSpace && !o2isSpace && s1 == s2)
    return;

//    only collide things with the ground
//    int g1 = (o1 == ground || o1 == ground_box);
//    int g2 = (o2 == ground || o2 == ground_box);
//    if (!(g1 ^ g2)) return;

dContact contact[MAX_CONTACT_JOINTS];
n = dCollide (o1,o2,MAX_CONTACT_JOINTS,&contact[0].geom,sizeof(dContact));
if (n > 0) {
  for (i=0; i<n; i++) {
    contact[i].surface.mode = dContactSlip1 | dContactSlip2 |
  dContactSoftERP | dContactSoftCFM | dContactApprox1;
    contact[i].surface.mu = CONTACTJOIN_MU;
    contact[i].surface.slip1 = CONTACTJOIN_SLIP1;
    contact[i].surface.slip2 = CONTACTJOIN_SLIP2;
    contact[i].surface.soft_erp = CONTACTJOIN_SOFT_ERP;
    contact[i].surface.soft_cfm = CONTACTJOIN_SOFT_CFM;
    dJointID c = dJointCreateContact (world,contactgroup,&contact[i]);
    dJointAttach (c,
          dGeomGetBody(contact[i].geom.g1),
          dGeomGetBody(contact[i].geom.g2));
  }
}
}

Si observas el principio de la funcion veras que se realiza un pequeño testeo. "Si ninguno de los dos geoms son espacios y, ambos pertenecen al mismo espacio, no se realizará tratamiento de colision". Esto es para que el chasis de un coche no colisione con sus ruedas, pero que, por ejemplo dos coches puedan colisionar entre si, y por supuesto, un coche pueda interactuar con el suelo y otros objetos del mundo, como la rampa.

A continuación vemos las funciones llamadas por DrawStuff para la inicialización y el manejo del teclado. Estas funciones no interesan dado que en irrlicht son totalmente distintas.

// start simulation - set viewpoint

static void start()
{
dAllocateODEDataForThread(dAllocateMaskAll);

static float xyz[3] = {2.8317f,-3.9817f,3.8000f};
static float hpr[3] = {121.0000f,-27.5000f,0.0000f};
dsSetViewpoint (xyz,hpr);
printf ("Press:\t'a' to increase speed.\n"
    "\t'z' to decrease speed.\n"
    "\t',' to steer left.\n"
    "\t'.' to steer right.\n"
    "\t' ' to reset speed and steering.\n"
    "\t'1' to save the current state to 'state.dif'.\n");
}


// called when a key pressed

static void command (int cmd)
{
  switch (cmd)
  {
      case 'w': case 'W': speed += 0.3; break;
      case 's': case 'S': speed -= 0.3; break;
      case 'a': case 'A': steer -= 0.5; break;
      case 'd': case 'D': steer += 0.5; break;
      case ' ': speed = 0; steer = 0;   break;
      case '1':
      {
          FILE *f = fopen ("state.dif","wt");
          if (f)
          {
              dWorldExportDIF (world,f,"");
              fclose (f);
          }
      }
  }
}

Veamos la funcion empleada por DrawStuff para el bucle de simulacion, simLoop.

static void simLoop (int pause)
{

Esta función tiene chicha. Por un lado, modificamos o actualizamos la velocidad de giro de las ruedas motrices, la dirección de las ruedas directrices (nótese que una rueda puede ser motriz y directriz a la vez, como en los 4x4, turismos de tracción delantera, etc.)

    if (!pause)
  {
      // motor
      for(int i=TRACCION_INICAL; i<TRACCION_FINAL; ++i) //ahora mismo es 4x4
      {
          dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamVel2,-speed);
          dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamFMax2,RUEDAS_MOTRICES_ParamFMax2);
      }
      if        (speed > 0)    speed -= RUEDAS_FRENO_PROGRESIVO;
      else if    (speed < 0)    speed += RUEDAS_FRENO_PROGRESIVO;

      // steering
      for(int i=0; i<NUM_DIRECTIONWHEELS; ++i)
      {
          dReal v = steer - dJointGetHinge2Angle1 (joint[i]);
          if (v > HINGE2_DIRECTIONWHEELS_MAXDIFF_ANGLE)    v = HINGE2_DIRECTIONWHEELS_MAXDIFF_ANGLE;
          if (v < -HINGE2_DIRECTIONWHEELS_MAXDIFF_ANGLE)    v = -HINGE2_DIRECTIONWHEELS_MAXDIFF_ANGLE;
          v *= HINGE2_DIRECTIONWHEELS_MAXDIFF_SCALE;
          dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamVel,v);
          dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamFMax,HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamFMax);
          dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamLoStop,HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamLoStop);
          dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamHiStop,HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamHiStop);
          dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamFudgeFactor,HINGE2_DIRECTIONWHEELS_ParamFudgeFactor);
      }
      if (steer >  STEER_MAX)    steer =  STEER_MAX;
      if (steer < -STEER_MAX)    steer = -STEER_MAX;
            
      dSpaceCollide (space,0,&nearCallback);
      dWorldStep (world,ODE_STEP);
    
      // remove all contact joints
      dJointGroupEmpty (contactgroup);
  }

Y por otro es la encargada de pintar en pantalla el entorno, con funciones y objetos de DrawStuff. Te vuelvo a recordar que esta parte cambiará bastante cuando pasemos esto a irrlicht.

    dsSetColor (0,0.5,1);
  dsSetTexture (DS_WOOD);

  for (int i=0; i<NUM_CHASSISGEOMS; i++)
      dsDrawBox (dGeomGetPosition(box[i]),dBodyGetRotation(body[0]),ChassisDim[i]);
  dsSetColor (0.33,0.33,0.33);
  for (int i=1; i<=NUM_WHEELS; i++)
      dsDrawCylinder (dBodyGetPosition(body[i]),dBodyGetRotation(body[i]),WheelsSize[i-1][GROSOR],WheelsSize[i-1][RADIUS]);

  dVector3 ss;
  dGeomBoxGetLengths (ground_box,ss);
  dsSetColor (1,1,1);
  dsDrawBox (dGeomGetPosition(ground_box),dGeomGetRotation(ground_box),ss);
}

Pues bien, ahora viene cuando la matan y él está herido, aqui tenemos el main, encargado, en este ejemplo, de inicalizar ODE, DrawStuff, crear los geoms, bodys, joints y toda la pesca. Para empezar tenemos la creación e inicialización de DrawStuff, que no nos interesa, y la de ODE.

int main (int argc, char **argv)
{
  dMass m;

  // setup pointers to drawstuff callback functions
  dsFunctions fn;
  fn.version = DS_VERSION;
  fn.start = &start;
  fn.step = &simLoop;
  fn.command = &command;
  fn.stop = 0;
  fn.path_to_textures = DRAWSTUFF_TEXTURE_PATH;
  if(argc==2)
  {
      fn.path_to_textures = argv[1];
  }

  // Inicializacion ODE

  dInitODE2(0);
  world = dWorldCreate();
  space = dHashSpaceCreate (0);
  contactgroup = dJointGroupCreate (0);
  dWorldSetGravity (world,0,0,ODE_GRAVITY);
  ground = dCreatePlane (space,0,0,1,0);

Seguimos con la creación del chasis como un conjunto de cajas, en las que iterativamente vamos sumando las masa de cada caja y la traslada a la posición dada por el array de arrays que vimos al principio.

    dMass m2;
  dMassSetZero (&m);
  body[0] = dBodyCreate (world);
  dBodySetPosition (body[0],0,0,STARTZ);

  for (int k=0; k<NUM_CHASSISGEOMS; k++)
  {
      dMassSetZero (&m2);
      box[k] = dCreateBox (0,ChassisDim[k][0],ChassisDim[k][1],ChassisDim[k][2]);
      dMassSetBox (&m2,1,ChassisDim[k][0],ChassisDim[k][1],ChassisDim[k][2]);
      dMassTranslate (&m2,ChassisPos[k][0],ChassisPos[k][1],ChassisPos[k][2]);
      dMassAdd (&m,&m2);

      dGeomSetBody (box[k],body[0]);
      dGeomSetOffsetPosition(box[k],
              ChassisPos[k][0]-m.c[0],
              ChassisPos[k][1]-m.c[1],
              ChassisPos[k][2]-m.c[2]);
  }
//    for (int k=0; k<NUM_CHASSISGEOMS; k++)
//    {
//        dGeomSetBody (box[k],body[0]);
//        dGeomSetOffsetPosition(box[k],
//                ChassisPos[k][0]-m.c[0],
//                ChassisPos[k][1]-m.c[1],
//                ChassisPos[k][2]-m.c[2]);
//    }
  dMassTranslate (&m,-m.c[0],-m.c[1],-m.c[2]);
  dMassAdjust (&m,CMASS);
  dBodySetMass (body[0],&m);

Seguimos con las ruedas. En este caso es mas simple (y no) puesto que cada rueda es un objeto simple, y no compuesto, como el chasis. Lo dificil puede estar en la rotación aplicada a las ruedas.

    // wheel bodies
  for (int i=1; i<=NUM_WHEELS; i++)
  {
      body[i] = dBodyCreate (world);
      dQuaternion q;
      dQFromAxisAndAngle (q,1,0,0,M_PI*0.5);
      dBodySetQuaternion (body[i],q);
      dMassSetCylinder (&m, 1, 1,WheelsSize[i-1][RADIUS], WheelsSize[i-1][GROSOR]);
      dMassAdjust (&m,WMASS);
      dBodySetMass (body[i],&m);
      sphere[i-1] = dCreateCylinder (0, WheelsSize[i-1][RADIUS], WheelsSize[i-1][GROSOR]);

      dGeomSetBody (sphere[i-1],body[i]);
      dBodySetPosition (body[i], WheelsPos[i-1][0],WheelsPos[i-1][1],WheelsPos[i-1][2]);
  }

He aquí la parte importante del ejemplo, la creación de los joints de tipo hinge2, la configuración de la suspensión, simulada con los parametros de ERP y CFM y, la configuración de restricción de las ruedas traseras para que no puedan girar libremente como las de delante.

    // front and back wheel hinges
  for (int i=0; i<NUM_WHEELS; i++)
  {
      joint[i] = dJointCreateHinge2 (world,0);
      dJointAttach (joint[i],body[0],body[i+1]);
      const dReal *a = dBodyGetPosition (body[i+1]);
      dJointSetHinge2Anchor (joint[i],a[0],a[1],a[2]);
      dJointSetHinge2Axis1 (joint[i],0,0,1);
      dJointSetHinge2Axis2 (joint[i],0,1,0);
  }

  // set joint suspension
  for (int i=0; i<NUM_WHEELS; i++)
  {
      dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamSuspensionERP,HINGE2_ParamSuspensionERP);
      dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamSuspensionCFM,HINGE2_ParamSuspensionCFM);
  }
  // lock back wheels along the steering axis
  for (int i=NUM_DIRECTIONWHEELS; i<NUM_WHEELS; i++)
  {
      dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamLoStop,HINGE2_FIXEDWHEELS_ParamLoStop);
      dJointSetHinge2Param (joint[i],dParamHiStop,HINGE2_FIXEDWHEELS_ParamHiStop);
  }

Llegamos al último paso de la creación e inicialización. Creamos el espacio de colisiones del coche, carspace, le agregamos los geoms del chasis y las ruedas. Creamos también la rampa de salto como una caja inclinada.

    // create car space and add it to the top level space
  car_space = dSimpleSpaceCreate (space);
  dSpaceSetCleanup (car_space,0);
  for(int i=0; i<NUM_CHASSISGEOMS; ++i)
      dSpaceAdd (car_space,box[i]);
  for(int i=0; i<NUM_WHEELS; ++i)
      dSpaceAdd (car_space,sphere[i]);

  // environment
  ground_box = dCreateBox (space,2,1.5,1);
  dMatrix3 R;
  dRFromAxisAndAngle (R,0,1,0,-0.15);
  dGeomSetPosition (ground_box,2,0,-0.34);
  dGeomSetRotation (ground_box,R);

Inicializado todo el entorno, es hora de lanzar la simulacion con la llamada pertinente a la funcion de DrawStuff. Éste hara las llamadas oportunas a start, simLoop, y command. Obviamente, esta parte cambiará radicalmente en Irrlicht.

    dsSimulationLoop (argc,argv,352,288,&fn);

Para terminar, debemos dejar la cocina limpia y aseada, así que destruimos el chasis, las ruedas, el espacio global, el mundo y finalizamos ODE.

    //Destruccion del vehiculo
  for(int i=0; i<NUM_CHASSISGEOMS; ++i)
      dGeomDestroy (box[i]);
  for(int i=0; i<NUM_WHEELS; ++i)
      dGeomDestroy (sphere[i]);

  //destruccion de ode
  dJointGroupDestroy (contactgroup);
  dSpaceDestroy (space);
  dWorldDestroy (world);
  dCloseODE();
  return 0;
}

Hasta aquí todo el codigo del demo_buggy.cpp modificado. Si de verdad quieres compilar el codigo fuente bájate el paquetón de ODE aquí y reemplaza el ode-0.10.0\ode\demo\demo_buggy.cpp por el nuestro. Para compilarlo tendrás que ejecutar ./configure && make. Lamento no haber puesto en el zip un triste makefile ni las librerias.

En la próxima entrega abordaremos el tema de la integración de los vehiculos ODE e Irrlicht.

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Vehiculos con ODE

Muy buenas otra vez, estos dias hemos estado bastante enmarronados comprendiendo la forma de trabajar que tiene ODE. Hace unos dias nos cogimos un par de ejemplos de ODE, entre ellos el demo_buggy (un pequeño cochecito de 3 ruedas que salta una rampa) para, a partir de él, llegar a construir la parte fisica de los vehiculos.

From Menus con Irr...

Podríamos utilizar el modelo 3D de cualquier coche y utilizarlo como malla de colisiones pero ODE desaconseja su uso debido a las perdidas de rendimiento (enorme), precisión y sobretodo estabilidad. Además, piénsalo detenidamente, cualquier modelo 3D de un vehiculo, personaje, etc. tiene cientos o miles de poligonos. Sin embargo, una caja como carroceria solo son 12 triangulicos.

Inicialmente pensamos en construir los vehiculos como una simple caja con 4 ruedas conectadas, pero empezamos a pensar en los camiones (mas ruedas), monovolumenes, tractores, autobuses, y, decidimos usar mas de una caja a fin de poder ajustar la forma fisica a la del modelo visual, pero aumentando minimamente la complejidad del modelo fisico.

El ejemplo de ODE, demo_buggy tiene tres ruedas, así que, evidentemente, lo primero que hicimos fue colocarle una cuarta y posicionarlas como es debido.

Lo siguiente que vimos fue que, el modelo fisico de las ruedas eran esferas, para mejorar el rendimiento. El problema que presentaba esto era que al pasar junto a un obstaculo, las esferas tropiezan con éste, con lo que las cambiamos por cilindros.

Despues fue el turno de las cajas. Para ello construimos un objeto compuesto por varias cajas. Esta parte nos llevó un poco más de tiempo puesto que el código de ejemplo de demo_boxstack de ODE es un poco críptico.

Ya solo restaba sustituir valores fijos por defines, matrices de medidas para las cajas, radios y anchura de las ruedas, etc. Tambien hemos dispuesto variables para cambiar facilmente el numero de ejes asi como de cajas.

Nuestra intención es implementar un editor de vehiculos para, de manera sencilla, poder añadir nuevos vehiculos, esto es, ajustando un modelo fisico a una caroceria. De momento nos entretuvimos en montar tres vehiculos de prueba.

El primero de ellos es un simple turismo a lo manovolumen.

From Menus con Irr...

El siguiente es la flagoneta de los malacatones.

From Menus con Irr...

Y por último, pero no por ello menos importante, como dijo Shia LaBeouf en Transformers: Señores, les presento a mi amigo: Optimus Prime.

From Menus con Irr...

Puedes bajarte los ejecutables aquí y probarlos tú mismo. las teclas de direccion del vehiculo son la cruz formada por las teclas WASD, salvo en el buggy original que sí que son las que indica la ventana del shell.

Ah! se me olvidaba. No os preocupeis por la falta de codigo, en breve lo postearemos ;). Es solo que estos ejemplos son puro codigo ODE y prefiero mostrarlo cuando lo tengamos integrado en el proyecto con Irrlicht.

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Cuarto Tutorial: El HolaMundo más simple de ODE (con Irrlicht)

Reanudamos los tutoriales comenzando con la integración de ODE. Éste no es más que un motor de simulación física, por lo que necesitamos apoyarnos sobre un motor gráfico para visualizar dicha simulación. O dicho de otra forma, nos permite dotar de simulación física un entorno gráfico tridimensional.
Para empezar crearemos una pelota y la dejaremos caer para ver como rebota contra el suelo.

Como de costumbre, el código y los binarios se encuentran en el box: tutorial_04.zip. Hemos partido de una rápida refactorizacion en funciones del tutorial 3, dicha refactorización se encuentra también en el box bajo el nombre de tutorial_03b.zip por si el salto del tutorial 3 al 4 es algo confuso, ya que hemos duplicado el número de líneas de código al añadir ODE.
Aprovecharemos que el código está divido en funciones para realizar el análisis poco a poco.

Antes que nada, hagamos una pequeña introducción.

La idea básica es que vamos a tener por un lado un objeto poligonal esférico texturizado en Irrlicht que será nuestra pelota visible. Y por otro tendremos un objeto de colisión esférico en ODE que será nuestra pelota física y que ODE se encargará de animar en función de la gravedad configurada. Por lo tanto, la relación entre ambas librerías correrá por nuestra cuenta: crearemos ambos objetos y representaremos la pelota de Irrlicht en función de la posición en la que se encuentre la esfera física de ODE.
De esta forma conseguimos una animación física natural en nuestro entorno tridimensional totalmente automática.

Introduciendo un poco a ODE, hay que empezar dejando claro que es una librería de simulación de cuerpos rígidos, descartando otro tipo de cuerpos más complejos como elásticos, telas, fluidos, partículas, gases, etc. Al menos no de forma nativa, ya que quizás con un poco de ingenio uno puede recrear telas o la animación de algún tipo de partículas, así como simular superficies elásticas a través de la configuración de los puntos de colisión (dotando a estos con una fuerza de rebote peculiar) o incluso superficies blandas haciendo uso de los factores de corrección de la simulación permitiendo violar ligeramente el límite que una superficie de colisión impone.

Para conseguir todo esto ODE se basa en 2 tipos de objetos a los que llama "geom" y "body".
Para ODE un "geom" es el objeto geométrico que posee una forma determinada y colisiona con otros "geom". Tenemos a nuestra disposición una colección de primitivas geométricas de colisión (esfera, cilindro, plano, cubo..) para combinar a nuestro antojo, aunque de forma excepcional también podemos obtener una geometría de colisión directamente desde un modelo poligonal de malla (llamados "trimesh") a costa de un coste computacional de simulación muy alto (no recomendable).
Los "body" son aquellos objetos que se van a mover en nuestro mundo. No tienen una forma geométrica determinada (para eso ya están los "geom") pero si una masa y un centro de gravedad. Un body por lo tanto sufre el efecto de la gravedad y el de cualquier fuerza que se le aplique manualmente.

Dicho así tenemos los geoms como objetos estáticos de colisión y los body como objetos dinámicos de nuestro mundo. Entonces ¿como colisiona un body? ¿como animo un geom? La forma de trabajar con ODE es combinando ambos tipos como si de distintas características de nuestro objeto se tratara. Por ejemplo para representar los elementos que componen la escena de éste tutorial utilizaremos para el suelo un geom ya que éste nunca se va a mover, no va a ser más que un plano estático de colisión; y para recrear nuestra pelota necesitaremos por un lado un geom con forma esférica que colisione contra el suelo, y como además queremos que se mueva crearemos también un body con una masa determinada y un centro de gravedad correctamente situado. Como tanto el geom como el body van a representar nuestro mismo objeto (la pelota) deben ser vinculados para que "trabajen" al unísono, de esta forma nuestra pelota se moverá gracias a su body y colisionará gracias a su geom.

ODE define los geoms y los bodies como elementos de unas estructuras superiores sobre las que gestiona de forma óptima todos estos objetos que van a formar parte del mundo físico. Así los geoms son agrupados en los llamados "space", que son literalmente espacios de colisión: los geoms que pertenezcan a un mismo space colisionarán entre ellos (aunque la última palabra para que colisionen dos objetos la tenemos nosotros). Y por otro lado, todos los bodies cuyas nuevas posiciónes van a calcularse "simultáneamente" pertenecerán al mismo "world".

En resumen, vamos a tener geoms agrupados en spaces (que a su vez pueden contener otros space) y bodies agrupados en worlds.

El último concepto importante del universo ODE que queda por mencionar son los "joints". Un joint se puede definir como la "union" entre 2 objetos. Por ejemplo, el joint más básico es el "contac joint" que es el punto de contacto que se produce cada vez que 2 geoms colisionan. Pero la idea de los joints es mucho más avanzada ya que no solo define un punto de unión, sino como responde un objeto en relación a otro en función a unos límites de movimiento y grados de libertad que son definidos en el propio joint. De ésta forma podremos definir joints que respondan como una bisagra, como un pivote, como un pistón, etc.. Y al igual que los elementos anteriores, los joints pueden agruparse en estructuras más grandes llamadas "group joints".
Pero no nos asustemos por ahora con esto de los joints y demás que se queda grande para el tutorial que tenemos entre manos, así que vayamo al tema!


Antes de meternos con las funciones veamos la cabecera del código.

#include <irrlicht/irrlicht.h>
#include <ode/ode.h>

using namespace irr;
using namespace core;
using namespace scene;
using namespace video;
using namespace gui;

IrrlichtDevice *device;
IVideoDriver* driver;
ISceneManager* smgr;
IGUIEnvironment* guienv;
ICameraSceneNode* cameraNode;
ISceneNode* sphereNode;

dWorldID world;
dSpaceID space;
dJointGroupID contactJointGroup;
dGeomID groundGeom;
dGeomID sphereGeom;
dBodyID sphereBody;

Simplemente un par de includes son necesarios para trabajar con Irrlicht y con ODE. Todos ellos estan incluidos en el tutorial por lo que no hay que instalar nada adicional en nuestra máquina. De igual forma, para poner en marcha una aplicación ODE tan solo necesitamos enlazar con una librería, también incluida en el tutorial.
Echa un vistazo al Makefile si quieres saber como compilar una aplicación con ODE.

A continuación los ya conocidos espacios de nombres de Irrlicht, pero ¿y los de ODE?
La librería ODE, internamente, está programada en C++, pero con tal de facilitar el acceso a su interfaz, su desarrollador decidió ofrecer su API en formato C, y por ese motivo no encontramos espacios de nombres. Así que lo único que necesitamos tener en cuenta para acceder con rapidez a las funciones y tipos de ODE es saber que todas ellas comienzan por 'd'.

Tras las variables globales de Irrlicht definidas (esta vez haremos uso simplemente de un nodo esfera) encontramos las de ODE, que como hemos dicho comienzan por dXXX.
Para cualquier simulación necesitamos como mínimo un mundo, un espacio de colisiones y un grupo de joints para los puntos de contacto. Para definir nuestra pelota física necesitamos un geom y un body. Y si queremos que colisione contra el suelo, éste debe ser definido de forma explicita mediante un geom (no necesita un body ya que va a ser estático).

Demos un vistazo rápido al main.

int main()
{
 irrlicht_inicializacion();
 ode_inicializacion();
 
 irrlicht_creacion();
 ode_creacion();
 
 while( device->run() )
 {
  irrlicht_renderizacion();
  
  ode_simulacion();
  irrlicht_actualizacion();
 }
 
 irrlicht_finalizacion();
 ode_finalizacion();
 
 return 0;
}

Básicamente empezamos inicializando ambas librerías. A continuación creamos nuestros objetos irrlicht (cámara, pelota..) y nuestros objetos ODE (pelota, suelo..).
Una vez en el bucle de ejecución realizamos 3 pasos fundamentales: pintar el mundo irrlicht, dar un paso de simulación en el mundo ODE y actualizar el mundo irrlicht en función de los cálculos de ODE. En el momento que estos 3 pasos entran en ejecución constante su orden realmente es indiferente, pudiéndose colocar en cualquier otro al realizado en el tutorial.

Pasemos ahora a las funciones ODE, ya que el código Irrlicht no debería suponernos ninguna dificultad si hemos llegado hasta aquí pasando por los primeros tutoriales.

Empecemos por la inicialización.

void ode_inicializacion()
{
 dInitODE();
 world = dWorldCreate();
 space = dSimpleSpaceCreate( NULL );
 contactJointGroup = dJointGroupCreate( 0 );
 
 dWorldSetGravity( world, 0.0, -0.01, 0.0 );
}

Se inicializa ODE y creamos las estructuras mencionadas: un world para nuestro body, un space para nuestros geoms y un jointGroup para nuestros joints de contacto que se generan en el instante de la colisión.
Además aprovechamos para definir una fuerza de gravedad en el mundo. Como queremos una fuerza clásica la hemos definido sobre el eje vertical Y y negativa hacia abajo.

Una pregunta interesante es ¿a que velocidad trabaja ODE? Y la respuesta es tan sencilla como compleja: a la máxima que le permita la máquina sobre la que se ejecuta. Al igual que al render no le hemos puesto ninguna limitación y se ejecuta al máximo frames por segundo que le sea posible, nuestra simulación física va a funcionar igual haciendo el mayor número de cálculos posibles, con la diferencia que si bien en el render no tiene demasiada importancia que los FPS aumenten en una máquina más potente en el caso de la simulación nos vamos a encontrar con que ésta es más rápida o más lenta según la CPU que la ejecute, cosa que no pinta nada bien.
En próximo tutoriales veremos como conseguir tiempos de simulación constantes independientes al procesador que utilicemos, pero por ahora simplemente ajusta a mano los valores del tutorial para tu máquina si no te gustan los resultados, como por ejemplo esta fuerza de gravedad que acabamos de definir.

void ode_creacion()
{
 /* suelo */
 
 groundGeom = dCreatePlane( space, 0, 1, 0, 0 );
 
 /* pelota */
 
 sphereGeom = dCreateSphere( space, 10.0f );
 sphereBody = dBodyCreate( world );
 dGeomSetBody( sphereGeom, sphereBody );
    
 dBodySetPosition( sphereBody, 0, 100, 0 );
}

Como ya hemos comentado, creamos un geom para nuestro suelo. Los geom los creamos mediante las funciones "dCreateXXX". Dependiendo de la figura geométrica del geom elegiremos una función u otra. En este caso hemos utilizado la función del plano indicándole el space al que va a pertenecer el geom y la orientación de éste. El plano es definido directamente desde la ecuación paramétrica del mismo: a*X + b*Y + c*Z = d. Los parámetros de la función dCreatePlanet corresponden a los coeficientes "a,b,c,d", de esta forma, mediante "0,1,0,0" obtenemos un plano cuya normal se sitúa sobre el eje Y: un plano sobre los ejes XZ.

Acto seguido definimos la pelota mediante un geom esférico y un body. Como ambos elementos van a representar el mismo objeto los asociamos explicitamente.
Por último situamos la esfera en el lugar deseado. ¿dBodySetPosition ó dGeomSetPosition? Da igual, ambos están vinculados y al posicionar uno automáticamente posicionamos el otro.

Antes del extraño callback definido, veamos la función de simulación

void ode_simulacion()
{
    dSpaceCollide( space, NULL, &ode_nearCallback );
    dWorldStep( world, 0.05 );
    dJointGroupEmpty( contactJointGroup );
}

3 nuevos pasos fundamentales.
El primero detecta posibles colisiones entre todos los geoms que pertenezcan al space indicado. Y digo posibles porque el callback pasado como parámetro (puntero a función) es invocado por ODE cada vez que los objetos están muy cerca (han intersectado sus bounding boxes pero no necesariamente las geometrías han colisionado). Dentro de dicho callback detectaremos y gestionaremos las colisiones reales.
Suponiendo que dicho callback ya se ha invocado para todas las colisiones de nuestro mundo, es el momento de actualizar la posición de todos los objetos del mundo en función de lo que haya sucedido en el paso anterior. (Este es otro valor importante que debes modificar a mano si la simulación en tu ordenador es muy rápida o muy lenta).
Y por último debemos eliminar todos los joints de contacto que se encuentren en el grupo. ¿¿Mande?? Como hemos dicho, un joint es una unión entre 2 objetos, y en las colisiones se produce un joint especial de contacto para poder configurar la colisión (fricción, rebote, etc..). Estos joints se generan en el primer paso de la simulación que acabamos de ver, en el segundo se procesan y en este tercero deben ser eliminados para que los objetos sigan su curso en la siguiente iteración.
Éste es el ciclo de vida de todo joint de contacto.

Veamos ahora los entresijos del callback mencionado.

void ode_nearCallback(void *userData, dGeomID geom1, dGeomID geom2)
{
 const int maxPoints = 10;
 dContact contactPoints[maxPoints];
 int numPoints = dCollide( geom1, geom2, maxPoints, &contactPoints[0].geom, sizeof(dContact) );
 
 if (numPoints > 0)
 {
  for (int i=0; i<numPoints; i++)
  {
   contactPoints[i].surface.mode = dContactBounce;
   contactPoints[i].surface.bounce = 0.7;
   contactPoints[i].surface.bounce_vel = 0.1;
   dJointID contactJoint = dJointCreateContact( world, contactJointGroup, &contactPoints[i] );
   dJointAttach( contactJoint, dGeomGetBody(contactPoints[i].geom.g1), dGeomGetBody(contactPoints[i].geom.g2));
  }
 }
}

Recibimos los 2 geoms que están en posible colisión. Para resolver la situación invocamos dCollide: función que detectará la colisión con detalle y calculará el número de puntos en los que ambos geoms colisionan.
Si no hay colisión, sencillamente obtendremos una cantidad de 0 puntos de contacto entre ambos geoms. Pero si se ha calculado algún punto de contacto habrá que configurarlo mediante la estructura definida "dContact". En este tutorial vamos a simular una superficie elástica para conseguir que la pelota rebote, para ello debemos modificar 2 parámetros de la superficie del punto de contacto: "bounce" y "bounce_vel". Asignamos unos valores para el rebote y creamos un joint a partir de dicha configuración. Por último solo tenemos que asociar el joint creado con los dos geoms que han entrado en juego en la colisión.

void ode_finalizacion()
{
 dBodyDestroy( sphereBody );
 dGeomDestroy( sphereGeom );
 dGeomDestroy( groundGeom );
 dJointGroupDestroy( contactJointGroup );
 dSpaceDestroy( space );
 dWorldDestroy( world );
 dCloseODE();
}

Por último sencillamente liberamos uno a uno los distintos elementos que hemos ido creando en orden inverso.

Antes de finalizar, y una vez que hemos visto como funciona ODE, revisamos la función de irrlicht de actualización.

void irrlicht_actualizacion()
{
    dReal* odePosition = (dReal*)dGeomGetPosition( sphereGeom );
    vector3df newIrrlichtPosition;
    newIrrlichtPosition.set( (f32)odePosition[0], (f32)odePosition[1], (f32)odePosition[2] );
    sphereNode->setPosition( newIrrlichtPosition );
}

La pelota de Irrlicht no es más que el render final animado gracias a la física calculada por ODE, por lo tanto la posición de la pelota de Irrlicht debe ser actualizada de forma automática, y esto es gracias a esta función.
Simplemente obtenemos la posición actual del geom de la esfera de ODE (podríamos coger perfectamente la posición del body, ya que no hay diferencia como ya hemos comentado) y se la aplicamos a irrlicht. Como cada librería utiliza estructuras diferentes, sencillamente hay que transformar de una estructura a otra y aplicar al nodo esfera.

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Compilando el proyecto

Vamos a utilizar esta entrada para ir anotando los detalles de la compilación del proyecto en los diferentes sistemas que lo vayamos probando.
Quizás fuera más correcto utilizar un wiki para este tipo de cosas, pero como por ahora no hemos generado mucho contenido seguiremos con el blog. Además, facilitamos la comunicación con otros usuarios a través de los comentarios.

MsWindows + MinGW
- enlazar con: -lIrrlicht -lode

GNU/Linux
- enlazar con: -lIrrlicht -lode -lGL -lGLU -lX11 -lXxf86vm [-lXext]

* el proyecto incluirá todas aquellas librerías externas de las que haga uso

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Sincronizando mapa de alturas gráfico + físico

Una de nuestras primeras decisiones ha sido utilizar los mapas o campos de alturas como geometría para describir el terreno del simulador ya que los motores en los que nos apoyamos incorporan este tipo de geometrías en sus versiones más recientes. Así que vamos a realizar una mini-guía para saber como define la geometría cada uno de los motores y como podemos sincronizarlas para que la colisión proporcionada por el motor físico coincida con la representación gráfica que realiza el motor gráfico.



Introducción

Los motores que utilizamos en nuestro proyecto son: Irrlicht como motor gráfico y ODE como físico.
La terminología para referirse a los mapas de alturas es algo diversa, encontrándonos con términos como: terrain, heightfield, heightmap o sus respectivas traducciones al castellano. En general, Irrlicht los define como terrains y ODE como heightfields. Pero todos hacen referencia a exactamente el mismo tipo de geometría.

Por si alguien anda perdido sobre qué es un campo de alturas, la idea más sencilla es que se trata de un área (cuadrada normalmente) cuya altura en cada punto viene definida por una función o algún otro tipo de representación. Por eso su utilidad más directa es la de representar terrenos tridimensionales.

Irrlicht Terrain Scene Node

Para éste motor gráfico, un campo o mapa de alturas es una geometría de tipo TerrainSceneNode.
La representación de la altura es obtenida directamente de una imagen en escala de grises donde el blanco indica el punto más alto y el negro el punto más bajo. Como un color no define una altura concreta, debemos entender la representación de la altura como algo proporcional (entre el blanco y el negro, entre 0 y 1..), de forma que la altura final deseada se consigue mediante la aplicación de un escalado. Esto nos permite representar el mismo campo de alturas de forma suave o abrupta.
Recordad que al estar en entornos 3D (X,Y,Z), por defecto el terreno se representa en las coordenadas (X,Z) de forma horizontal y la altura viene dada por la componente (Y).
Algo importante a tener en cuenta es que Irrlicht define la esquina inferior izquierda del terrain como el origen de coordenadas de la geometría.

ODE Heightfield Geom

La definición del campo de alturas por parte del motor físico es algo más delicada.
El tipo de datos utilizado es un geomheightfield, y espera recibir los datos de la componente altura desde una función matemática. Por lo tanto, hay que codificar un método en nuestra aplicación que haga de callback para el campo de alturas, indicando el valor de la componente (Y) para un par (X,Z) dado.
(Si tienes problemas para utilizar un método (C++) como función de callback (C) encontraras la solución aquí.)
La principal sutileza de utilizar una función matemática como fuente de datos para las alturas es que los valores de entrada de la función son enteros, de este modo ODE construye su heightfield mediante coordenadas del tipo: { (0,0), (0,1), (0,2) ... (m,n) }, siendo independientes a las coordenadas (X,Z) del mundo tridimensional. Y algo que puede ser ahora obvio, es la necesidad de indicarle al motor físico el número de divisiones (en sus 2 dimensiones (X,Z)) de nuestro heightfield. Esas divisiones discretizan el área definida y corresponden a las coordenadas enteras utilizadas en el callback (sus valores máximos: (m,n)).
Otro detalle a tener en cuenta, sobre todo de cara a la sincronización, es que para ODE el origen de coordenadas de la geometría obtenida se sitúa en el centro (X,Z) del campo de alturas generado.

Synching Irrlicht-ODE Heighfields

La forma más fácil de afrontar el problema es generar inicialmente el terreno con Irrlicht mediante una imagen BMP que podamos modificar a nuestro antojo, y a partir de él obtener la componente altura para ODE mediante el método getHeight.

Como hemos visto, Irrlicht y ODE localizan el origen de coordenadas de la geometría en puntos distintos, con lo que habrá que corregir este desfase para que la representación de ambos por pantalla coincida.
En resumen, la posición de la geometría de ODE vendrá dada por la siguiente función:
(X,Z)_ODE = (X,Z)_IRR + (Width,Depth)/2

Irrlicht trabaja siempre con las coordenadas del mundo tridimensional, por lo que nuestro campo de alturas está correctamente localizado por su parte. Al construir el terrain definiremos su altura mediante un mapa de bits y su tamaño mediante el escalado oportuno. Y para construir el heightfield de ODE obtendremos las características directamente del terrain de Irrlicht.
El resto de parámetros del constructor por parte de Irrlicht afectan a los algoritmos de renderizado del terreno y no a su estricta definición, con lo cual no son importantes de cara a la sincronización con ODE.
En la construcción del heightfield de ODE tendremos que indicar el método callback que va a proporcionar la altura del terreno, las dimensiones del mismo que obtendremos de nuestro terrain ya construido, y las divisiones en las que queremos discretizar el área del heightfield. Estos últimos valores son independientes a Irrlicht y tendremos que sacárnoslos de la manga. Básicamente estamos definiendo el detalle y complejidad del terreno para nuestro motor físico, así que cuantas más divisiones hagamos más se ajustará la representación física del terreno a la representación gráfica, pero más cálculos físicos tendremos y más lenta irá la simulación. Clásico tradeoff de optimización, así que todo depende de la calidad de los resultados que requiramos en un momento dado. También acepta ODE un escalado en el constructor, pero como nuestro terreno ya está completamente generado por Irrlicht, debemos privarle a ODE de hacer modificaciones sobre los datos que le vamos a proporcionar, por lo tanto indicaremos siempre que NO haga escalado (lo que supone un valor real de 1.0).

Y por último, sólo quedaría definir el callback para completar la sincronía entre ambos motores.
Éste es un punto delicado ya que recordemos que Irrlicht trabaja con las coordenadas del mundo y ODE con sus componentes enteras en las que ha discretizado el terreno. Por lo tanto, la idea es transformar las coordenadas enteras que utiliza ODE en la llamada del callback en coordenadas del mundo para obtener de Irrlicht la altura correcta en el punto deseado. Teniendo esto claro y recordando los atributos que han entrado en juego no debe suponer un problema ver la solución:

anchuraDivision = (Width,Depth) / divisiones
(X,Z)_IRR = (X,Z)_ODE * anchuraDivisión + (X,Z)_POSITION

Con anchuraDivision obtenemos la distancia en coordenadas del mundo que está discretizando ODE entre entero y entero. Ya solo falta multiplicar por el entero dado y desplazar la coordenada a donde hayamos colocado nuestro terrain en el entorno tridimensional.

Demo

En el Box podéis encontrar la demo test_terrain-balls.zip en la que se muestra la sincronización explicada. Hay representado un terreno y una matriz de pelotas cae del cielo colisionando contra él. Es posible mover la cámara y desplazarse por el mundo con las teclas (W,A,S,D). También es posible modificar la forma del terreno editando el mapa de bits ./res/terrain-heightmap.bmp (debe respetarse el tamaño del BMP).

Se incluyen las fuentes, aunque éstas tienen mucho más código del necesario y quizás marean más que ayudan a entender el asunto. Así que para cualquier duda no dudéis en contactar con nosotros!

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Inauguración

¡¡Buenas y bienvenid@s!!

Somos dos estudiantes de Ingeniería Informática de la Universidad de Alicante y como proyecto de fin de carrera (PFC) estamos desarrollando un simulador de educación vial realista en un entorno tridimensional con simulación física.

Los motivos principales que nos han animado a abrir este blog son para empezar, que sirva a nuestros profesores de monitorización de la actividad del proyecto y como incentivo de generación de documentación. Por otro lado, aun habiendo bastante documentación de los motores 2D/3D y físico, no hay muchos ejemplos, de modo que cualquier problema (y su solución) que encontremos al utilizar Irrlicht y Open Dynamics Engine (ODE) lo publicaremos aquí, como por ejemplo: la coordinación entre la física (ODE) y el render (Irrlicht), el sistema de ventanas 2D (Irrlicht), etc.



Breve descripción del proyecto

Simulador de Conducción

Se pretende implementar un simulador de conducción realista en un entorno tridimensional con simulación física. El propósito es servir de ayuda para el aprendizaje en la educación vial. Por ello se centrará la atención en conseguir una simulación que se ajuste a la realidad en la mayor medida posible, tanto del entorno como del vehículo.

El vehículo tiene dos enfoques importantes en su implementación. Por un lado tenemos el reto de conseguir una configuración de la simulación física que se ajuste a la realidad del mundo en el que vivimos, y dada la complejidad que muestran los motores de simulación física actuales supondrá una gran dedicación llegar a comprender todas las variables que entran en juego para un acabado lo más fiel posible. Por otro lado tenemos todas las características propias del vehículo con las que el usuario debería poder interactuar: uso del volante y cambio de marcha, indicadores del salpicadero, configuración de espejos retrovisores, uso del cinturón, activación de luces y parabrisas... Incluso sería muy interesante llegar a implementar características como la posibilidad de revisar el estado del coche (aceite, refrigerante..., dureza de los amortiguadores), pinchazos y reventones de rueda o un piloto averiado.

Respecto al entorno, se centrará la atención en la configuración de la señalización vial: carreteras, señales de tráfico, semáforos (su estado y sincronización), agentes de policía, etc. Además será necesario incorporar a la simulación elementos dinámicos y ajenos al usuario como tráfico o peatones. Y de forma ideal añadir efectos climáticos, como la posición del sol o entornos de lluvia y nieve, donde la visibilidad y comportamiento del vehículo son especialmente relevantes.


Editor de escenarios basado en mapas

Teniendo claro el propósito del simulador, cobra cierta importancia la posibilidad de realizar la simulación en entornos virtuales que representen localizaciones reales, aportando así una experiencia más cercana y familiar a la realidad. Para ello entra en juego el diseño de un editor que facilite la tarea de recrear en 3D la realidad por la que nos movemos. Un buen comienzo es partir de un mapa 2D del entorno, dado que actualmente disponemos de aplicaciones online que nos facilitan la obtención de dichas imágenes.

El editor deberá ofrecer herramientas para que a partir de dichas imágenes sea posible definir el entorno y sus límites para el simulador: definir carreteras, edificios, parques, zona montañosa... Así como la posibilidad de poder modificar el relieve del terreno. Otro tipo de herramientas del que debe estar dotado es de toda la colección de señalización vial. Ya que no parece posible la obtención de dichos elementos desde los mapas, será tarea del usuario del editor, la correcta colocación de éstos en el entorno.


Implementación

Tanto el simulador como el editor estarán basados en el motor gráfico Irrlicht, ya que éste proporciona la recreación de entornos tridimensionales, entornos 2D y entorno de Ventanas, todo ello integrable simultáneamente y de alta calidad visual. Además soporta un gran número de formatos gráficos tanto de objetos 3D como de imágenes 2D, con lo que da libertad e independencia en lo referente al diseño visual.

La física estará basada en el motor ODE, el cual nos aporta simulación física de objetos rígidos de forma bastante óptima y con buen nivel de precisión.Para el sonido, lo más práctico será echar mano del proyecto IrrKlang, el cual pertenece a los desarrolladores del motor gráfico Irrlicht, y tenemos asegurada su sencilla integración y su facilidad de uso por semejanza en estructuras de APIs.

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