Mega Code Archive

 
Categories / Java / Development Class
 

Contains static definition for matrix math methods

/*  * Soya3D  * Copyright (C) 1999-2000 Jean-Baptiste LAMY (Artiste on the web)  *  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify  * it under the terms of the GNU Library General Public License as published by  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or  * (at your option) any later version.  *  * This program is distributed in the hope that it will be useful,  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the  * GNU General Public License for more details.  *  * You should have received a copy of the GNU Library General Public License  * along with this program; if not, write to the Free Software  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA  */ /**  * Contains static definition for matrix math methods.  *   * Here, a matrix is a float[16], and a vector or a point a float[3] (contrary to other part of Opale.Soya, where a point is 3 coords + a CoordSyst).  *   * @author Artiste on the Web  */ public class Matrix extends Object {   private Matrix() {  }   /**    * The value of PI in float.    */   public static final float PI = (float) java.lang.Math.PI;      public static final float EPSILON = 0.001f;   public static float pow2(float f) { return f*f; }      private static float[][] stock = new float[1000][];      /**    * Inverts a 4*4 matrix. Warning : this method works only if m[3] = m[7] = m[11] = 0f    * and m[15] = 1f.    * @param m the matrix    * @return the inverted matrix or null if m is not invertable    */   public static final float[] matrixInvert(float[] m) { // Optimized!     float[] r = matrixInvert3_3(m);     if(r == null) return null;     r[12] = -(m[12] * r[0] + m[13] * r[4] + m[14] * r[ 8]);     r[13] = -(m[12] * r[1] + m[13] * r[5] + m[14] * r[ 9]);     r[14] = -(m[12] * r[2] + m[13] * r[6] + m[14] * r[10]);     return r;   }      /**    * Inverts a 3*3 part of a 4*4 matrix.    * It IS NOT a complete inversion because other values in the matrix (such as the translation part) are set to 0.    * It isn't a bug, other classes assume this.    * @param m the matrix that will be inverted    * @return the inverted matrix. Value 12, 13, 14 that represent the translation are set to 0. Return null if the matrix is not invertable    */   public static final float[] matrixInvert3_3(float[] m) {     float[] r = new float[16];     float det = m[0] * (m[5] * m[10] - m[9] * m[6])               - m[4] * (m[1] * m[10] - m[9] * m[2])               + m[8] * (m[1] * m[ 6] - m[5] * m[2]);     if(det == 0f) return null;     det = 1f / det;     r[ 0] =   det * (m[5] * m[10] - m[9] * m[6]);     r[ 4] = - det * (m[4] * m[10] - m[8] * m[6]);     r[ 8] =   det * (m[4] * m[ 9] - m[8] * m[5]);     r[ 1] = - det * (m[1] * m[10] - m[9] * m[2]);     r[ 5] =   det * (m[0] * m[10] - m[8] * m[2]);     r[ 9] = - det * (m[0] * m[ 9] - m[8] * m[1]);     r[ 2] =   det * (m[1] * m[ 6] - m[5] * m[2]);     r[ 6] = - det * (m[0] * m[ 6] - m[4] * m[2]);     r[10] =   det * (m[0] * m[ 5] - m[4] * m[1]);          r[15] =   1f;     return r;   }   /**    * Multiply a 4*4 matrix by another, as if they were 3*3.    * @param a the first / left matrix    * @param b the second / right matrix    * @return the result    */   public static final float[] matrixMultiply(float[] b, float[] a) {     float[] r = new float[16];          r[ 0] = a[ 0] * b[ 0] + a[ 1] * b[ 4] + a[ 2] * b[ 8];     r[ 4] = a[ 4] * b[ 0] + a[ 5] * b[ 4] + a[ 6] * b[ 8];     r[ 8] = a[ 8] * b[ 0] + a[ 9] * b[ 4] + a[10] * b[ 8];     r[12] = a[12] * b[ 0] + a[13] * b[ 4] + a[14] * b[ 8] + b[12];          r[ 1] = a[ 0] * b[ 1] + a[ 1] * b[ 5] + a[ 2] * b[ 9];     r[ 5] = a[ 4] * b[ 1] + a[ 5] * b[ 5] + a[ 6] * b[ 9];     r[ 9] = a[ 8] * b[ 1] + a[ 9] * b[ 5] + a[10] * b[ 9];     r[13] = a[12] * b[ 1] + a[13] * b[ 5] + a[14] * b[ 9] + b[13];          r[ 2] = a[ 0] * b[ 2] + a[ 1] * b[ 6] + a[ 2] * b[10];     r[ 6] = a[ 4] * b[ 2] + a[ 5] * b[ 6] + a[ 6] * b[10];     r[10] = a[ 8] * b[ 2] + a[ 9] * b[ 6] + a[10] * b[10];     r[14] = a[12] * b[ 2] + a[13] * b[ 6] + a[14] * b[10] + b[14];          r[ 3] = 0;     r[ 7] = 0;     r[11] = 0;     r[15] = 1;     return r;   }   /**    * Multiply a 4*4 matrix by another.    * @param a the first / left matrix    * @param b the second / right matrix    * @return the result    */   public static final float[] matrixMultiply_4(float[] b, float[] a) {     float[] r = new float[16];          r[ 0] = a[ 0] * b[ 0] + a[ 1] * b[ 4] + a[ 2] * b[ 8] + a[ 3] * b[12];     r[ 4] = a[ 4] * b[ 0] + a[ 5] * b[ 4] + a[ 6] * b[ 8] + a[ 7] * b[12];     r[ 8] = a[ 8] * b[ 0] + a[ 9] * b[ 4] + a[10] * b[ 8] + a[11] * b[12];     r[12] = a[12] * b[ 0] + a[13] * b[ 4] + a[14] * b[ 8] + a[15] * b[12];          r[ 1] = a[ 0] * b[ 1] + a[ 1] * b[ 5] + a[ 2] * b[ 9] + a[ 3] * b[13];     r[ 5] = a[ 4] * b[ 1] + a[ 5] * b[ 5] + a[ 6] * b[ 9] + a[ 7] * b[13];     r[ 9] = a[ 8] * b[ 1] + a[ 9] * b[ 5] + a[10] * b[ 9] + a[11] * b[13];     r[13] = a[12] * b[ 1] + a[13] * b[ 5] + a[14] * b[ 9] + a[15] * b[13];          r[ 2] = a[ 0] * b[ 2] + a[ 1] * b[ 6] + a[ 2] * b[10] + a[ 3] * b[14];     r[ 6] = a[ 4] * b[ 2] + a[ 5] * b[ 6] + a[ 6] * b[10] + a[ 7] * b[14];     r[10] = a[ 8] * b[ 2] + a[ 9] * b[ 6] + a[10] * b[10] + a[11] * b[14];     r[14] = a[12] * b[ 2] + a[13] * b[ 6] + a[14] * b[10] + a[15] * b[14];          r[ 3] = a[ 0] * b[ 3] + a[ 1] * b[ 7] + a[ 2] * b[11] + a[ 3] * b[15];     r[ 7] = a[ 4] * b[ 3] + a[ 5] * b[ 7] + a[ 6] * b[11] + a[ 7] * b[15];     r[11] = a[ 8] * b[ 3] + a[ 9] * b[ 7] + a[10] * b[11] + a[11] * b[15];     r[15] = a[12] * b[ 3] + a[13] * b[ 7] + a[14] * b[11] + a[15] * b[15];     return r;   }      /**    * Multiply a point by a 4*4 matrix.    * @param m the matrix    * @param p the point    * the resulting point    */   public static final float[] pointMultiplyByMatrix(float[] m, float[] p) { // Assume v[3] = 1.     float[] r = { p[0] * m[0] + p[1] * m[4] + p[2] * m[ 8] + m[12],                   p[0] * m[1] + p[1] * m[5] + p[2] * m[ 9] + m[13],                   p[0] * m[2] + p[1] * m[6] + p[2] * m[10] + m[14]     };     return r;   }   /**    * Multiply a vector by a 4*4 matrix.    * @param m the matrix    * @param v the vector    * @return the resulting vector    */   public static final float[] vectorMultiplyByMatrix(float[] m, float[] v) {     float[] r = { v[0] * m[0] + v[1] * m[4] + v[2] * m[ 8],                   v[0] * m[1] + v[1] * m[5] + v[2] * m[ 9],                   v[0] * m[2] + v[1] * m[6] + v[2] * m[10]     };     return r;   }   /**    * Compare 2 matrix.    * @param a the first matrix    * @param b the second matrix    * @return true if a and b are equal (or very near)    */   public static final boolean matrixEqual(float[] a, float[] b) {     for(int i = 0; i < 16; i++) {       if(Math.abs(a[i] - b[i]) > EPSILON) return false;     }     return true;   }   /**    * Convert a matrix into a string. Useful for debuging soya.    * @param m the matrix    * @return the string    */   public static final String matrixToString(float[] m) {     String s = "matrix 4_4 {\n";     s = s + Float.toString(m[ 0]) + " " + Float.toString(m[ 4]) + " " + Float.toString(m[ 8]) + "\n";     s = s + Float.toString(m[ 1]) + " " + Float.toString(m[ 5]) + " " + Float.toString(m[ 9]) + "\n";     s = s + Float.toString(m[ 2]) + " " + Float.toString(m[ 6]) + " " + Float.toString(m[10]) + "\n";     s = s + Float.toString(m[ 3]) + " " + Float.toString(m[ 7]) + " " + Float.toString(m[11]) + "\n";     s = s + "X: " + Float.toString(m[12]) + " Y: " + Float.toString(m[13]) + " Z: " + Float.toString(m[14]) + " W: " + Float.toString(m[15]) + "\n";     s = s + "}";     return s;   }   /**    * Create a new identity matrix.    * @return an identity matrix    */   public static final float[] matrixIdentity() {     float[] m = new float[16];     matrixIdentity(m);     return m;   }   /**    * Set a matrix to identity matrix.    * @param m the matrix    */   public static final void matrixIdentity(float[] m) {     m[ 0] = 1f;     m[ 1] = 0f;     m[ 2] = 0f;     m[ 3] = 0f;     m[ 4] = 0f;     m[ 5] = 1f;     m[ 6] = 0f;     m[ 7] = 0f;     m[ 8] = 0f;     m[ 9] = 0f;     m[10] = 1f;     m[11] = 0f;     m[12] = 0f;     m[13] = 0f;     m[14] = 0f;     m[15] = 1f;   }   /**    * Create a scale matrix.    * @param x the x factor of the scaling    * @param y the y factor of the scaling     * @param z the z factor of the scaling    * @return the matrix    */   public static float[] matrixScale(float x, float y, float z) {     float[] m2 = { x,  0f, 0f, 0f,                    0f, y,  0f, 0f,                    0f, 0f, z,  0f,                    0f, 0f, 0f, 1f };     return m2;   }   /**    * Scale a matrix (this is equivalent to OpenGL glScale* ).    * @param m the matrix    * @param x the x factor of the scaling    * @param y the y factor of the scaling    * @param z the z factor of the scaling    * @return the scaled matrix    */   public static float[] matrixScale(float[] m, float x, float y, float z) {     float r[] = new float[16];     r[ 0] = x * m[ 0];     r[ 4] = y * m[ 4];     r[ 8] = z * m[ 8];     r[12] = m[12];     r[ 1] = x * m[ 1];     r[ 5] = y * m[ 5];     r[ 9] = z * m[ 9];     r[13] = m[13];     r[ 2] = x * m[ 2];     r[ 6] = y * m[ 6];     r[10] = z * m[10];     r[14] = m[14];     r[ 3] = 0;     r[ 7] = 0;     r[11] = 0;     r[15] = 1;     return r; //    return matrixMultiply(m, matrixScale(x, y, z));   }      /**    * Create a lateral rotation matrix (lateral rotation is around a (0, 1, 0) axis).    * @param angle the angle of the rotation    * @return the matrix    */   public static float[] matrixRotateLateral(float angle) {     if(angle == 0f) return matrixIdentity();     angle = (float) Math.toRadians(angle);     float cos = (float) java.lang.Math.cos(angle);     float sin = (float) java.lang.Math.sin(angle);     float[] m2 = { cos, 0f, -sin, 0f,                    0f , 1f,  0f , 0f,                    sin, 0f,  cos, 0f,                    0f , 0f,  0f , 1f };     return m2;   }   /**    * Laterally rotate a matrix (lateral rotation is around a (0, 1, 0) axis).    * @param angle the angle of the rotation    * @param m the matrix to rotate    * @return the resulting matrix    */   public static float[] matrixRotateLateral(float[] m, float angle) {     if(angle == 0f) return matrixIdentity();     angle = (float) Math.toRadians(angle);     float cos = (float) java.lang.Math.cos(angle);     float sin = (float) java.lang.Math.sin(angle);     float r[] = new float[16];     r[ 0] = m[ 0] * cos + m[ 2] * sin;     r[ 4] = m[ 4] * cos + m[ 6] * sin;     r[ 8] = m[ 8] * cos + m[10] * sin;     r[12] = m[12] * cos + m[14] * sin;     r[ 1] = m[ 1];     r[ 5] = m[ 5];     r[ 9] = m[ 9];     r[13] = m[13];     r[ 2] = -m[ 0] * sin + m[ 2] * cos;     r[ 6] = -m[ 4] * sin + m[ 6] * cos;     r[10] = -m[ 8] * sin + m[10] * cos;     r[14] = -m[12] * sin + m[14] * cos;     r[ 3] = 0;     r[ 7] = 0;     r[11] = 0;     r[15] = 1;     return r; //    return matrixMultiply(matrixRotateLateral(angle), m);   }   /**    * Create a vertical rotation matrix (vertical rotation is around a (1, 0, 0) axis).    * @param angle the angle of the rotation    * @return the matrix    */   public static float[] matrixRotateVertical(float angle) {     if(angle == 0f) return matrixIdentity();     angle = (float) Math.toRadians(angle);     float cos = (float) java.lang.Math.cos(angle);     float sin = (float) java.lang.Math.sin(angle);     float[] m2 = { 1f,  0f , 0f , 0f,                    0f,  cos, sin, 0f,                    0f, -sin, cos, 0f,                    0f,  0f , 0f , 1f };     return m2;   }   /**    * Vertically rotate a matrix (vertical rotation is around a (1, 0, 0) axis).    * @param angle the angle of the rotation    * @param m the matrix to rotate    * @return the resulting matrix    */   public static float[] matrixRotateVertical(float[] m, float angle) {     if(angle == 0f) return matrixIdentity();     angle = (float) Math.toRadians(angle);     float cos = (float) java.lang.Math.cos(angle);     float sin = (float) java.lang.Math.sin(angle);     float r[] = new float[16];     r[ 0] = m[ 0];     r[ 4] = m[ 4];     r[ 8] = m[ 8];     r[12] = m[12];     r[ 1] = m[ 1] * cos - m[ 2] * sin;     r[ 5] = m[ 5] * cos - m[ 6] * sin;     r[ 9] = m[ 9] * cos - m[10] * sin;     r[13] = m[13] * cos - m[14] * sin;     r[ 2] = m[ 1] * sin + m[ 2] * cos;     r[ 6] = m[ 5] * sin + m[ 6] * cos;     r[10] = m[ 9] * sin + m[10] * cos;     r[14] = m[13] * sin + m[14] * cos;     r[ 3] = 0;     r[ 7] = 0;     r[11] = 0;     r[15] = 1;     return r; //    return matrixMultiply(matrixRotateVertical(angle), m);   }   /**    * Create a incline-rotation matrix (incline-rotation is around a (0, 0, 1) axis).    * @param angle the angle of the rotation    * @return the matrix    */   public static float[] matrixRotateIncline(float angle) {     if(angle == 0f) return matrixIdentity();     angle = (float) Math.toRadians(angle);     float cos = (float) java.lang.Math.cos(angle);     float sin = (float) java.lang.Math.sin(angle);     float m2[] = { cos, sin, 0f, 0f,                   -sin, cos, 0f, 0f,                    0f , 0f , 1f, 0f,                    0f , 0f , 0f, 1f };     return m2;   }   /**    * Incline a matrix (incline-rotation is around a (0, 0, 1) axis).    * @param angle the angle of the rotation    * @param m the matrix to rotate    * @return the resulting matrix     */   public static float[] matrixRotateIncline(float[] m, float angle) {     if(angle == 0f) return matrixIdentity();     angle = (float) Math.toRadians(angle);     float cos = (float) java.lang.Math.cos(angle);     float sin = (float) java.lang.Math.sin(angle);     float r[] = new float[16];     r[ 0] = m[ 0] * cos - m[ 1] * sin;     r[ 4] = m[ 4] * cos - m[ 5] * sin;     r[ 8] = m[ 8] * cos - m[ 9] * sin;     r[12] = m[12] * cos - m[13] * sin;     r[ 1] = m[ 0] * sin + m[ 1] * cos;     r[ 5] = m[ 4] * sin + m[ 5] * cos;     r[ 9] = m[ 8] * sin + m[ 9] * cos;     r[13] = m[12] * sin + m[13] * cos;     r[ 2] = m[ 2];     r[ 6] = m[ 6];     r[10] = m[10];     r[14] = m[14];     r[ 3] = 0;     r[ 7] = 0;     r[11] = 0;     r[15] = 1;     return r; //    return matrixMultiply(matrixRotateIncline(angle), m);   }   /**    * Create a rotation matrix.    * @param angle the angle of the rotation    * @param x the x coordinate of the rotation axis    * @param y the y coordinate of the rotation axis    * @param z the z coordinate of the rotation axis    * @return the matrix    */   public static float[] matrixRotate(float angle, float x, float y, float z) {     if(angle == 0f) return matrixIdentity();     angle = (float) Math.toRadians(angle);     float d = (float) java.lang.Math.sqrt(java.lang.Math.pow(x, 2) + java.lang.Math.pow(y, 2) + java.lang.Math.pow(z, 2));     if(d != 1f) {       x = x / d;       y = y / d;       z = z / d;     }     float cos = (float) java.lang.Math.cos(angle);     float sin = (float) java.lang.Math.sin(angle);     float co1 = 1f - cos;     float m2[] = { x * x * co1 + cos    ,  y * x * co1 + z * sin, z * x * co1 - y * sin, 0f,                    x * y * co1 - z * sin,  y * y * co1 + cos    , z * y * co1 + x * sin, 0f,                    x * z * co1 + y * sin,  y * z * co1 - x * sin, z * z * co1 + cos    , 0f,                    0f                   ,  0f                   , 0f                   , 1f };     return m2;   }   /**    * Rotate a matrix (this is equivalent to OpenGL glRotate*).    * @param m the matrix to rotate    * @param angle the angle of the rotation    * @param x the x coordinate of the rotation axis    * @param y the y coordinate of the rotation axis    * @param z the z coordinate of the rotation axis    * @return the resulting matrix    */   public static float[] matrixRotate(float[] m, float angle, float x, float y, float z) {     return matrixMultiply(matrixRotate(angle, x, y, z), m);   }   /**    *  Rotation  about an arbitrary Axis    *  @param alpha the angle of the rotation    *  @param p1 first axis point    *  @param p2 second axis point    *  @return the rotation matrix    */   public static float[] matrixRotate(float alpha, float[] p1, float[] p2){     alpha = alpha * PI / 180f;          float a1 = p1[0];     float a2 = p1[1];     float a3 = p1[2];            //Compute the vector defines by point p1 and p2     float v1 = p2[0] - a1 ;     float v2 = p2[1] - a2 ;     float v3 = p2[2] - a3 ;              double theta = Math.atan2(v2, v1);     double phi = Math.atan2(Math.sqrt(v1 * v1 + v2 * v2), v3);          float cosAlpha, sinAlpha, sinPhi2;      float cosTheta, sinTheta, cosPhi2;     float cosPhi, sinPhi, cosTheta2, sinTheta2 ;           cosPhi = (float) Math.cos(phi); cosTheta = (float) Math.cos(theta) ; cosTheta2 = (float) cosTheta * cosTheta ;     sinPhi = (float) Math.sin(phi); sinTheta = (float) Math.sin(theta) ; sinTheta2 = (float) sinTheta * sinTheta ;         sinPhi2 = (float) sinPhi*sinPhi ;     cosPhi2 = (float) cosPhi*cosPhi ;          cosAlpha = (float) Math.cos(alpha) ;     sinAlpha = (float) Math.sin(alpha) ;          float c = (float) 1.0 - cosAlpha ;           float r11,r12,r13,r14,r21,r22,r23,r24,r31,r32,r33,r34;     r11 =  cosTheta2 * ( cosAlpha * cosPhi2 +sinPhi2 ) + cosAlpha * sinTheta2 ;     r12 = sinAlpha * cosPhi + c * sinPhi2 * cosTheta * sinTheta ;      r13 = sinPhi * (cosPhi * cosTheta * c - sinAlpha*sinTheta) ;           r21 = sinPhi2 * cosTheta * sinTheta*c - sinAlpha*cosPhi ;      r22 = sinTheta2 * (cosAlpha*cosPhi2 +sinPhi2) + cosAlpha*cosTheta2 ;     r23 = sinPhi * (cosPhi*sinTheta*c + sinAlpha*cosTheta);          r31 = sinPhi * (cosPhi*cosTheta*c + sinAlpha*sinTheta);     r32 = sinPhi * (cosPhi*sinTheta*c - sinAlpha*cosTheta);     r33 =  cosAlpha * sinPhi2 + cosPhi2 ;          r14 = a1 - a1*r11 - a2*r21 - a3*r31 ;     r24 = a2 - a1*r12 - a2*r22 - a3*r32 ;     r34 = a3 - a1*r13 - a2*r23 - a3*r33 ;          float[] m2 = { r11 , r12 , r13 , 0f,                    r21 , r22 , r23 , 0f,                    r31 , r32 , r33 , 0f,                    r14 , r24 , r34 , 1f     };       return m2;   }   /**    *  Rotation  about an arbitrary Axis    *  @param m the matrix to rotate    *  @param alpha the angle of the rotation    *  @param p1 first axis point    *  @param p2 second axis point    *  @return the rotated matrix    */   public static float[] matrixRotate(float[] m, float alpha, float[] p1, float[] p2) {     return matrixMultiply(matrixRotate(alpha, p1, p2), m);   }      /**    * Create a translation matrix.    * @param x the x coordinate of the translation vector    * @param y the y coordinate of the translation vector    * @param z the z coordinate of the translation vector    * @return the translation matrix    */   public static float[] matrixTranslate(float x, float y, float z) {     float m2[] = { 1f, 0f, 0f, 0f,                    0f, 1f, 0f, 0f,                    0f, 0f, 1f, 0f,                    x , y , z , 1f };     return m2;   }   /**    * Translate a matrix (this is equivalent to OpenGL glTranslate*).    * @param m the matrix to translate    * @param x the x coordinate of the translation vector    * @param y the y coordinate of the translation vector    * @param z the z coordinate of the translation vector    * @return the resulting matrix    */   public static float[] matrixTranslate(float[] m, float x, float y, float z) {     float[] r = new float[16];     System.arraycopy(m, 0, r, 0, 12);     r[12] = m[12] + x;     r[13] = m[13] + y;     r[14] = m[14] + z;     r[15] = 1f;     return r;     //return matrixMultiply(matrixTranslate(x, y, z), m);   }   public static float[] matrixPerspective(float fovy, float aspect, float znear, float zfar) {     // this code is adapted from Mesa :)     float xmax, ymax;     ymax = znear * (float) Math.tan(Math.toRadians(fovy / 2f));     xmax = aspect * ymax;     return matrixFrustum(-xmax, xmax, -ymax, ymax, znear, zfar);   }   public static float[] matrixFrustum(float left, float right, float bottom, float top, float near, float far) {     // this code is adapted from Mesa :)     float x, y, a, b, c, d;     float[] r = new float[16];     r[14] = right - left;     r[10] = top - bottom;     r[0 ] = 2f * near;     r[5 ] = r[0] / r[10];     r[0 ] = r[0] / r[14];     r[8 ] = (right + left) / r[14];     r[9 ] = (top + bottom) / r[10];     r[14] = far - near;     r[10] = -(far + near) / r[14];     r[14] = -(2f * far * near) / r[14];  // error ? (this rem was in Mesa)     r[1 ] = 0f;     r[2 ] = 0f;     r[3 ] = 0f;     r[4 ] = 0f;     r[6 ] = 0f;     r[7 ] = 0f;     r[11] = -1f;     r[12] = 0f;     r[13] = 0f;     r[15] = 0f;     return r;   } }