gitweb.ps.run Git - cloth_sim/blob - Scripts/cloth.js

   1 /**\r
   2  *  Convenience Function for calculating the distance between two vectors\r
   3  *  because THREE JS Vector functions mutate variables\r
   4  * @param {Vector3} a - Vector A\r
   5  * @param {Vector3} b - Vector B\r
   6  */\r
   7 function vectorLength(a, b) {\r
   8   let v1 = new THREE.Vector3();\r
   9   v1.copy(a);\r
  10   let v2 = new THREE.Vector3();\r
  11   v2.copy(b);\r
  12 \r
  13   return v1.sub(v2).length();\r
  14 }\r
  15 \r
  16 /**\r
  17  * Class representing a quad face\r
  18  * Each face consists of two triangular mesh faces\r
  19  * containts four indices for determining vertices\r
  20  * and six springs, one between each of the vertices\r
  21  */\r
  22 export class Face {\r
  23   a;\r
  24   b;\r
  25   c;\r
  26   d;\r
  27 \r
  28   springs = [];\r
  29 \r
  30   constructor(a, b, c, d) {\r
  31     this.a = a;\r
  32     this.b = b;\r
  33     this.c = c;\r
  34     this.d = d;\r
  35   }\r
  36 }\r
  37 \r
  38 /**\r
  39  * Class representing a single spring\r
  40  * has a current and resting length\r
  41  * and indices to the two connected vertices\r
  42  */\r
  43 export class Spring {\r
  44   restLength;\r
  45   currentLength;\r
  46   index1;\r
  47   index2;\r
  48 \r
  49 \r
  50   /**\r
  51    * set vertex indices\r
  52    * and calculate inital length based on the\r
  53    * vertex positions\r
  54    * @param {Array<Vector3>} vertices \r
  55    * @param {number} index1 \r
  56    * @param {number} index2 \r
  57    */\r
  58   constructor(vertices, index1, index2) {\r
  59     this.index1 = index1;\r
  60     this.index2 = index2;\r
  61 \r
  62     let length = vectorLength(vertices[index1], vertices[index2]);\r
  63     this.restLength = length;\r
  64     this.currentLength = length;\r
  65   }\r
  66 \r
  67   getDirection(vertices) {\r
  68     let direction = new THREE.Vector3();\r
  69     direction.copy(vertices[this.index1]);\r
  70 \r
  71     direction.sub(vertices[this.index2]);\r
  72     direction.divideScalar(vectorLength(vertices[this.index1], vertices[this.index2]));\r
  73 \r
  74     return direction;\r
  75   }\r
  76 \r
  77   update(vertices) {\r
  78     let length = vectorLength(vertices[this.index1], vertices[this.index2]);\r
  79     this.currentLength = length;\r
  80   }\r
  81 }\r
  82 \r
  83 /**\r
  84  * Class representing a single piece of cloth\r
  85  * contains THREE JS geometry,\r
  86  * logically represented by an array of adjacent faces\r
  87  * and vertex weights which are accessed by the same\r
  88  * indices as the vertices in the Mesh\r
  89  */\r
  90 export class Cloth {\r
  91   VertexWeight = 1;\r
  92 \r
  93   geometry = new THREE.Geometry();\r
  94 \r
  95   faces = [];\r
  96 \r
  97   vertexWeights = [];\r
  98 \r
  99   vertexRigidness = [];\r
 100 \r
 101   /**\r
 102    * creates a rectangular piece of cloth\r
 103    * takes the size of the cloth\r
 104    * and the number of vertices it should be composed of\r
 105    * @param {number} width - width of the cloth\r
 106    * @param {number} height - height of the cloth\r
 107    * @param {number} numPointsWidth - number of vertices in horizontal direction\r
 108    * @param {number} numPointsHeight  - number of vertices in vertical direction\r
 109    */\r
 110   createBasic(width, height, numPointsWidth, numPointsHeight) {\r
 111     /** resulting vertices and faces */\r
 112     let vertices = [];\r
 113     let faces = [];\r
 114 \r
 115     this.numPointsWidth = numPointsWidth;\r
 116     this.numPointsHeight = numPointsHeight;\r
 117 \r
 118     /**\r
 119      * distance between two vertices horizontally/vertically\r
 120      * divide by the number of points minus one\r
 121      * because there are (n - 1) lines between n vertices\r
 122      */\r
 123     let stepWidth = width / (numPointsWidth - 1);\r
 124     let stepHeight = height / (numPointsHeight - 1);\r
 125 \r
 126     /**\r
 127      * iterate over the number of vertices in x/y axis\r
 128      * and add a new Vector3 to "vertices"\r
 129      */\r
 130     for (let y = 0; y < numPointsHeight; y++) {\r
 131       for (let x = 0; x < numPointsWidth; x++) {\r
 132         vertices.push(\r
 133           new THREE.Vector3(x * stepWidth, height - y * stepHeight, 0)\r
 134         );\r
 135       }\r
 136     }\r
 137 \r
 138     /**\r
 139      * helper function to calculate index of vertex\r
 140      * in "vertices" array based on its x and y positions\r
 141      * in the mesh\r
 142      * @param {number} x - x index of vertex\r
 143      * @param {number} y - y index of vertex\r
 144      */\r
 145     function getVertexIndex(x, y) {\r
 146       return y * numPointsWidth + x;\r
 147     }\r
 148 \r
 149     /**\r
 150      * generate faces based on 4 vertices\r
 151      * and 6 springs each\r
 152      */\r
 153     for (let y = 0; y < numPointsHeight - 1; y++) {\r
 154       for (let x = 0; x < numPointsWidth - 1; x++) {\r
 155         let newFace = new Face(\r
 156           getVertexIndex(x, y),\r
 157           getVertexIndex(x, y + 1),\r
 158           getVertexIndex(x + 1, y),\r
 159           getVertexIndex(x + 1, y + 1),\r
 160         );\r
 161 \r
 162         newFace.springs.push(new Spring(vertices, getVertexIndex(x, y), getVertexIndex(x + 1, y)));         // oben\r
 163         newFace.springs.push(new Spring(vertices, getVertexIndex(x, y), getVertexIndex(x, y + 1)));         // links\r
 164         newFace.springs.push(new Spring(vertices, getVertexIndex(x, y), getVertexIndex(x + 1, y + 1)));     // oben links  -> unten rechts diagonal\r
 165         newFace.springs.push(new Spring(vertices, getVertexIndex(x + 1, y), getVertexIndex(x, y + 1)));     // oben rechts -> unten links diagonal\r
 166         newFace.springs.push(new Spring(vertices, getVertexIndex(x + 1, y), getVertexIndex(x + 1, y + 1))); // rechts\r
 167         newFace.springs.push(new Spring(vertices, getVertexIndex(x, y + 1), getVertexIndex(x + 1, y + 1))); // unten\r
 168 \r
 169         faces.push(newFace);\r
 170       }\r
 171     }\r
 172 \r
 173     /**\r
 174      * call createExplicit\r
 175      * with generated vertices and faces\r
 176      */\r
 177     this.createExplicit(vertices, faces);\r
 178 \r
 179     /**\r
 180      * hand cloth from left and right upper corners\r
 181      */\r
 182     this.vertexRigidness[0] = true;\r
 183     this.vertexRigidness[numPointsWidth-1] = true;\r
 184   }\r
 185 \r
 186   /**\r
 187    * Generate THREE JS Geometry\r
 188    * (list of vertices and list of indices representing triangles)\r
 189    * and calculate the weight of each face and split it between\r
 190    * surrounding vertices\r
 191    * @param {Array<Vector3>} vertices \r
 192    * @param {Array<Face>} faces \r
 193    */\r
 194   createExplicit(vertices, faces) {\r
 195 \r
 196     /**\r
 197      * Copy vertices and initialize vertex weights to 0\r
 198      */\r
 199     for (let i in vertices) {\r
 200       this.geometry.vertices.push(vertices[i].clone());\r
 201       this.previousPositions.push(vertices[i].clone());\r
 202       // this.geometry.vertices.push(vertices[i]);\r
 203       // this.previousPositions.push(vertices[i]);\r
 204       this.vertexWeights.push(0);\r
 205       this.vertexRigidness.push(false);\r
 206     }\r
 207     /**\r
 208      * copy faces,\r
 209      * generate two triangles per face,\r
 210      * calculate weight of face as its area\r
 211      * and split between the 4 vertices\r
 212      */\r
 213     for (let i in faces) {\r
 214       let face = faces[i];\r
 215 \r
 216       /** copy faces to class member */\r
 217       this.faces.push(face);\r
 218 \r
 219       /** generate triangles */\r
 220       this.geometry.faces.push(new THREE.Face3(\r
 221         face.a, face.b, face.c\r
 222       ));\r
 223       this.geometry.faces.push(new THREE.Face3(\r
 224         face.c, face.b, face.d\r
 225       ));\r
 226 \r
 227       /**\r
 228        * calculate area of face as combined area of\r
 229        * its two composing triangles\r
 230        */\r
 231       let xLength = vectorLength(this.geometry.vertices[face.b], this.geometry.vertices[face.a]);\r
 232       let yLength = vectorLength(this.geometry.vertices[face.c], this.geometry.vertices[face.a]);\r
 233       let weight = xLength * yLength / 2;\r
 234 \r
 235       xLength = vectorLength(this.geometry.vertices[face.b], this.geometry.vertices[face.d]);\r
 236       yLength = vectorLength(this.geometry.vertices[face.c], this.geometry.vertices[face.d]);\r
 237       weight += xLength * yLength / 2;\r
 238 \r
 239       /**\r
 240        * split weight equally between four surrounding vertices\r
 241        */\r
 242       this.vertexWeights[face.a] += weight / 4;\r
 243       this.vertexWeights[face.b] += weight / 4;\r
 244       this.vertexWeights[face.c] += weight / 4;\r
 245       this.vertexWeights[face.d] += weight / 4;\r
 246     }\r
 247 \r
 248     /**\r
 249      * let THREE JS compute bounding sphere around generated mesh\r
 250      * needed for View Frustum Culling internally\r
 251      */\r
 252     this.geometry.computeBoundingSphere();\r
 253     this.geometry.computeFaceNormals();\r
 254   }\r
 255 \r
 256   /**\r
 257    * generate a debug mesh for visualizing\r
 258    * vertices and springs of the cloth\r
 259    * and add it to scene for rendering\r
 260    * @param {Scene} scene - Scene to add Debug Mesh to\r
 261    */\r
 262   createDebugMesh(scene) {\r
 263     /**\r
 264      * helper function to generate a single line\r
 265      * between two Vertices with a given color\r
 266      * @param {Vector3} from \r
 267      * @param {Vector3} to \r
 268      * @param {number} color \r
 269      */\r
 270     function addLine(from, to, color) {\r
 271       let geometry = new THREE.Geometry();\r
 272       geometry.vertices.push(from);\r
 273       geometry.vertices.push(to);\r
 274       let material = new THREE.LineBasicMaterial({ color: color, linewidth: 10 });\r
 275       let line = new THREE.Line(geometry, material);\r
 276       line.renderOrder = 1;\r
 277       scene.add(line);\r
 278     }\r
 279     /**\r
 280      * helper function to generate a small sphere\r
 281      * at a given Vertex Position with color\r
 282      * @param {Vector3} point \r
 283      * @param {number} color \r
 284      */\r
 285     function addPoint(point, color) {\r
 286       const geometry = new THREE.SphereGeometry(0.05, 32, 32);\r
 287       const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: color });\r
 288       const sphere = new THREE.Mesh(geometry, material);\r
 289       sphere.position.set(point.x, point.y, point.z);\r
 290       scene.add(sphere);\r
 291     }\r
 292 \r
 293     let lineColor = 0x000000;\r
 294     let pointColor = 0xff00000;\r
 295 \r
 296     /**\r
 297      * generate one line for each of the 6 springs\r
 298      * and one point for each of the 4 vertices\r
 299      * for all of the faces\r
 300      */\r
 301     for (let i in this.faces) {\r
 302       let face = this.faces[i];\r
 303       addLine(this.geometry.vertices[face.a], this.geometry.vertices[face.b], lineColor);\r
 304       addLine(this.geometry.vertices[face.a], this.geometry.vertices[face.c], lineColor);\r
 305       addLine(this.geometry.vertices[face.a], this.geometry.vertices[face.d], lineColor);\r
 306       addLine(this.geometry.vertices[face.b], this.geometry.vertices[face.c], lineColor);\r
 307       addLine(this.geometry.vertices[face.b], this.geometry.vertices[face.d], lineColor);\r
 308       addLine(this.geometry.vertices[face.c], this.geometry.vertices[face.d], lineColor);\r
 309 \r
 310       addPoint(this.geometry.vertices[face.a], pointColor);\r
 311       addPoint(this.geometry.vertices[face.b], pointColor);\r
 312       addPoint(this.geometry.vertices[face.c], pointColor);\r
 313       addPoint(this.geometry.vertices[face.d], pointColor);\r
 314     }\r
 315   }\r
 316 \r
 317   previousPositions = [];\r
 318   time = 0;\r
 319   /**\r
 320    * \r
 321    * @param {number} dt time in seconds since last frame\r
 322    */\r
 323   simulate(dt) {\r
 324     for (let i in this.geometry.vertices) {\r
 325       let acceleration = this.getAcceleration(i, dt);\r
 326 \r
 327       //acceleration.clampLength(0, 10);\r
 328 \r
 329       if (Math.abs(acceleration.length()) <= 10e-4) {\r
 330         acceleration.set(0, 0, 0);\r
 331       }\r
 332  \r
 333       let currentPosition = this.verlet(this.geometry.vertices[i].clone(), this.previousPositions[i].clone(), acceleration, dt);\r
 334       //let currentPosition = this.euler(this.geometry.vertices[i], acceleration, dt);\r
 335      \r
 336       this.previousPositions[i].copy(this.geometry.vertices[i]);\r
 337       this.geometry.vertices[i].copy(currentPosition);\r
 338     }\r
 339     //console.log(this.getAcceleration(1, dt));\r
 340     \r
 341     this.time += dt;\r
 342 \r
 343     for (let face of this.faces) {\r
 344       for (let spring of face.springs) {\r
 345         spring.update(this.geometry.vertices);\r
 346       }\r
 347     }\r
 348 \r
 349     /**\r
 350      * let THREE JS compute bounding sphere around generated mesh\r
 351      * needed for View Frustum Culling internally\r
 352      */\r
 353 \r
 354     this.geometry.verticesNeedUpdate = true;\r
 355     this.geometry.elementsNeedUpdate = true;\r
 356     this.geometry.computeBoundingSphere();\r
 357     this.geometry.computeFaceNormals();\r
 358 \r
 359   }\r
 360 \r
 361 \r
 362 \r
 363 /**\r
 364  * Equation of motion for each vertex which represents the acceleration \r
 365  * @param {number} vertexIndex The index of the current vertex whose acceleration should be calculated\r
 366  *  @param {number} dt The time passed since last frame\r
 367  */\r
 368 getAcceleration(vertexIndex, dt) {\r
 369   if (this.vertexRigidness[vertexIndex])\r
 370     return new THREE.Vector3(0, 0, 0);\r
 371 \r
 372   let vertex = this.geometry.vertices[vertexIndex];\r
 373 \r
 374   // Mass of vertex\r
 375   let M = this.vertexWeights[vertexIndex];\r
 376   // constant gravity\r
 377   let g = new THREE.Vector3(0, -9.8, 0);\r
 378   // stiffness\r
 379   let k = 1000;\r
 380 \r
 381   // Wind vector\r
 382   let fWind = new THREE.Vector3(\r
 383     Math.sin(vertex.x * vertex.y * this.time),\r
 384     Math.cos(vertex.z * this.time),\r
 385     Math.sin(Math.cos(5 * vertex.x * vertex.y * vertex.z))\r
 386   );\r
 387 \r
 388   /**\r
 389    * constant determined by the properties of the surrounding fluids (air)\r
 390    * achievement of cloth effects through try out\r
 391    * */\r
 392   let a = 0.1;\r
 393   \r
 394   let velocity = new THREE.Vector3(\r
 395     (this.previousPositions[vertexIndex].x - vertex.x) / dt,\r
 396     (this.previousPositions[vertexIndex].y - vertex.y) / dt,\r
 397     (this.previousPositions[vertexIndex].z - vertex.z) / dt\r
 398   );\r
 399 \r
 400   //console.log(velocity, vertex, this.previousPositions[vertexIndex]);\r
 401 \r
 402   let fAirResistance = velocity.multiply(velocity).multiplyScalar(-a);\r
 403   \r
 404   let springSum = new THREE.Vector3(0, 0, 0);\r
 405 \r
 406   // Get the bounding springs and add them to the needed springs\r
 407   // TODO: optimize\r
 408 \r
 409   const numPointsX = this.numPointsWidth;\r
 410   const numPointsY = this.numPointsHeight;\r
 411   const numFacesX = numPointsX - 1;\r
 412   const numFacesY = numPointsY - 1;\r
 413 \r
 414   function getFaceIndex(x, y) {\r
 415     return y * numFacesX + x;\r
 416   }\r
 417 \r
 418   let indexX = vertexIndex % numPointsX;\r
 419   let indexY = Math.floor(vertexIndex / numPointsX);\r
 420 \r
 421   let springs = [];\r
 422 \r
 423   // 0  oben\r
 424   // 1  links\r
 425   // 2  oben links  -> unten rechts diagonal\r
 426   // 3  oben rechts -> unten links diagonal\r
 427   // 4  rechts\r
 428   // 5  unten\r
 429 \r
 430   let ul = indexX > 0 && indexY < numPointsY - 1;\r
 431   let ur = indexX < numPointsX - 1 && indexY < numPointsY - 1;\r
 432   let ol = indexX > 0 && indexY > 0;\r
 433   let or = indexX < numPointsX - 1 && indexY > 0;\r
 434 \r
 435   if (ul) {\r
 436     let faceUL = this.faces[getFaceIndex(indexX - 1, indexY)];\r
 437     springs.push(faceUL.springs[3]);\r
 438     if (!ol)\r
 439       springs.push(faceUL.springs[0]);\r
 440     springs.push(faceUL.springs[4]);\r
 441   }\r
 442   if (ur) {\r
 443     let faceUR = this.faces[getFaceIndex(indexX, indexY)];\r
 444     springs.push(faceUR.springs[2]);\r
 445     if (!or)\r
 446       springs.push(faceUR.springs[0]);\r
 447     if (!ul)\r
 448       springs.push(faceUR.springs[1]);\r
 449   }\r
 450   if (ol) {\r
 451     let faceOL = this.faces[getFaceIndex(indexX - 1, indexY - 1)];\r
 452     springs.push(faceOL.springs[2]);\r
 453     springs.push(faceOL.springs[4]);\r
 454     springs.push(faceOL.springs[5]);\r
 455   }\r
 456   if (or) {\r
 457     let faceOR = this.faces[getFaceIndex(indexX , indexY - 1)];\r
 458     springs.push(faceOR.springs[3]);\r
 459     if (!ol)\r
 460       springs.push(faceOR.springs[1]);\r
 461     springs.push(faceOR.springs[5]);\r
 462   }\r
 463 \r
 464   for (let spring of springs) {\r
 465     let springDirection = spring.getDirection(this.geometry.vertices);\r
 466 \r
 467     if (spring.index1 == vertexIndex)\r
 468       springDirection.multiplyScalar(-1);\r
 469 \r
 470     springSum.add(springDirection.multiplyScalar(k * (spring.restLength - spring.currentLength)));\r
 471   }\r
 472   \r
 473   let result = new THREE.Vector3(1, 1, 1);\r
 474 \r
 475   let temp = result.multiplyScalar(M).multiply(g).add(fWind).add(fAirResistance).clone();\r
 476   result.sub(springSum);\r
 477   document.getElementById("Output").innerText = "SpringSum: " + Math.floor(springSum.y) + "\nTemp: " + Math.floor(temp.y);\r
 478 \r
 479   return result;\r
 480 }\r
 481 \r
 482 /**\r
 483  * The Verlet algorithm as an integrator \r
 484  * to get the next position of a vertex  \r
 485  * @param {Vector3} currentPosition \r
 486  * @param {Vector3} previousPosition \r
 487  * @param {Vector3} acceleration \r
 488  * @param {number} passedTime The delta time since last frame\r
 489  */\r
 490 verlet(currentPosition, previousPosition, acceleration, passedTime) {\r
 491   // verlet algorithm\r
 492   // next position = 2 * current Position - previous position + acceleration * (passed time)^2\r
 493   // acceleration (dv/dt) = F(net)\r
 494   // Dependency for one vertex: gravity, fluids/air, springs\r
 495   const DRAG = 0.97;\r
 496   let nextPosition = new THREE.Vector3(\r
 497     (currentPosition.x - previousPosition.x) * DRAG + currentPosition.x + acceleration.x * (passedTime * passedTime),\r
 498     (currentPosition.y - previousPosition.y) * DRAG + currentPosition.y + acceleration.y * (passedTime * passedTime),\r
 499     (currentPosition.z - previousPosition.z) * DRAG + currentPosition.z + acceleration.z * (passedTime * passedTime),\r
 500   );\r
 501 \r
 502   // let nextPosition = new THREE.Vector3(\r
 503   //   (2 * currentPosition.x) - previousPosition.x + acceleration.x * (passedTime * passedTime),\r
 504   //   (2 * currentPosition.y) - previousPosition.y + acceleration.y * (passedTime * passedTime),\r
 505   //   (2 * currentPosition.z) - previousPosition.z + acceleration.z * (passedTime * passedTime),\r
 506   // );\r
 507 \r
 508   return nextPosition;\r
 509 }\r
 510 \r
 511 euler(currentPosition, acceleration, passedTime) {\r
 512   let nextPosition = new THREE.Vector3(\r
 513     currentPosition.x + acceleration.x * passedTime,\r
 514     currentPosition.y + acceleration.y * passedTime,\r
 515     currentPosition.z + acceleration.z * passedTime,\r
 516   );\r
 517 \r
 518   return nextPosition;\r
 519 }\r
 520 \r
 521 wind(intersects) {\r
 522   let intersect = intersects[0];\r
 523   this.geometry.vertices[intersect.face.a].z -= 0.05;\r
 524   this.geometry.vertices[intersect.face.b].z -= 0.05;\r
 525   this.geometry.vertices[intersect.face.c].z -= 0.05;\r
 526 }\r
 527 \r
 528 }\r
 529 \r