参考記事:modeling with distance functions
三記事にも及ぶ、Box関数が終わりようやく、次のTorusに行けます。
今回ですが、
距離関数の導出に分量がかかってしまったので、記事2回にわけます。
Torusってなによ。
簡単にいうとドーナツの形です。
数学やっていると、幾何でよく見ます…
よく、異世界の形で例えられます。
例えば、ドラクエの世界は、Torusとかいわれますね。
説明面倒なので、この記事見てね.
いきなり、距離関数はきつい…
今回は、少し式が複雑なので、苦手な人もいると思いますが…
数式から書いています…(数学アレルギーの人は、読み飛ばしても…)
Torusの数式
S(u,v) =
\begin{pmatrix}
(R + r \cos u) \cos v \\
(R + r \cos u) \sin v \\
r \sin u
\end{pmatrix}
, (0 \leq u, v \leq 2 \pi), (0 < r < R)
変数の補足
\begin{align}
u&:円環の断面内の角度 \\
v&:円環の中心方向の角度 \\
r&:小半径 \\
R&:大半径 \\
\end{align}
てな感じです.
Torusの距離関数の導出
今回,久々にガチで計算してTorusの距離関数を導出してみました…(興味がある人は見てね。)
x = (R + r \cos u) \cos v, y = (R + r \cos u) \sin v, z = r \sin u
\begin{align}
x^2+y^2 &= (R + r \cos u)^2 \cos^2 u + (R + r \cos u)^2 \sin^2 v \\
&= (R + r \cos u)^2( \cos^2 u + \sin^2 v) \\
&= (R + r \cos u)^2 \\
&= R^2 + 2Rr \cos u + r^2 \cos^2 u
\end{align}
ここで,
r \cos u = \sqrt{r^2+z^2}
より
\begin{align}
x^2+y^2 &= R^2 + 2R (r \cos u) + (r \cos u)^2 \\
&= R^2 + 2R \sqrt{r^2+z^2} + (r^2+z^2)
\end{align}
まとめると
\begin{align}
(x^2+y^2+z^2) - R^2 - r^2 &= 2R \sqrt{r^2+z^2} \\
\end{align}
両辺を二乗
\begin{align}
((x^2+y^2+z^2-R^2) - r^2 )^2 &= 4R^2 (r^2+z^2)
\end{align}
r
についてまとめると(ここが割とダルい…)
\begin{align}
r^4 -(x^2+y^2+z^2+R^2) r^2 + (x^2+y^2+z^2+R^2)^2 - 2 R^2 (x^2+y^2+z^2-R^2) + R^4 = 0
\end{align}
r^2
について二次方程式の解の公式で解くと
\begin{align}
r^2 &= (x^2+y^2+z^2+R^2) \pm \sqrt{(x^2+y^2+z^2+R^2)^2 - (x^2+y^2+z^2)^2 + 2 R^2 (x^2+y^2+z^2) - R^4} \\
&= (x^2+y^2+z^2+R^2) \pm \sqrt{4 R^2 (x^2+y^2)} \\
&= (x^2+y^2+z^2+R^2) \pm 2R \sqrt{x^2+y^2} \\
ここで, (0 < r < R) より \\
r^2 &= (x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}
\end{align}
最後に,
((x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}) -r^2 = 0 \\
(\sqrt{(x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}} -r)(\sqrt{(x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}} +r) = 0 \\
ここで、(\sqrt{(x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}} +r)は、rが、視界に入らないので,不適
\begin{align}
(\sqrt{(x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}} -r) = 0
\end{align}
となり、距離関数は、
\begin{align}
\sqrt{(x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}} -r
\end{align}
となります.
ちなみに、length
を使った関数の導出も書いておきます.
\begin{align}
\sqrt{(x^2+y^2+z^2+R^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2}} -r &= \sqrt{(x^2+y^2) - 2R \sqrt{x^2+y^2} + R^2 +z^2} -r \\
&= \sqrt{((\sqrt{x^2+y^2})^2 - 2R \sqrt{x^2+y^2} + R^2) + z^2} -r \\
&= \sqrt{(\sqrt{x^2+y^2}) - R)^2 + z^2} -r \\
\end{align}
ルートを length
に書き直すと得られます.
書き方の説明
Torusは、xz平面に半径 r
の円があり、その円をy軸で半径R
で回転させた図形です…
さっそく、コードにすると
float r = 【小半径】;
float R = 【大半径】;
return sqrt(p.x*p.x+p.y*p.y+p.z*p.z+R*R - 2.0 * R * sqrt(p.x*p.x+p.y*p.y) ) - r;
length
を使って書き直すと
vec2 t = vec2(【大半径】, 【小半径】);
vec2 q = vec2(length(p.xz)-t.x,p.y);
return length(q)-t.y;
すっきり書けますね.
コード
// ============================================================================
// Torus function
// ============================================================================
precision mediump float;
uniform vec2 resolution; // resolution (512.0, 512.0)
uniform vec2 mouse; // mouse (-1.0 ~ 1.0)
uniform float time; // time (1second == 1.0)
uniform sampler2D prevScene; // previous scene texture
// Torusの距離関数
float dTorus(vec3 p){
// vec2 t = vec2(1.0, 0.3);
// vec2 q = vec2(length(p.xz)-t.x,p.y);
// return length(q)-t.y;
float r = 0.3;
float R = 1.0;
return sqrt(p.x*p.x+p.y*p.y+p.z*p.z+R*R - 2.0 * R * sqrt(p.x*p.x+p.y*p.y) ) - r;
}
// 距離関数を呼び出すハブ関数
float distanceHub(vec3 p){
return dTorus(p);
// return max(dCube(p), length(p)-1.0*abs(sin(time)));
}
// 法線を生成する
vec3 genNormal(vec3 p){
float d = 0.001;
return normalize(vec3(
distanceHub(p + vec3( d, 0.0, 0.0)) - distanceHub(p + vec3( -d, 0.0, 0.0)),
distanceHub(p + vec3(0.0, d, 0.0)) - distanceHub(p + vec3(0.0, -d, 0.0)),
distanceHub(p + vec3(0.0, 0.0, d)) - distanceHub(p + vec3(0.0, 0.0, -d))
));
}
void main(){
// スクリーンスペースを考慮して座標を正規化する
vec2 p = (gl_FragCoord.xy * 2.0 - resolution) / min(resolution.x, resolution.y);
// カメラを定義する
vec3 cPos = vec3(0.0, 1.0, 2.5); // カメラの位置
vec3 cDir = vec3(0.0, -0.5, -1.0); // カメラの向き(視線)
vec3 cUp = vec3(0.0, 1.0, 0.0); // カメラの上方向
vec3 cSide = cross(cDir, cUp); // 外積を使って横方向を算出
float targetDepth = 1.0; // フォーカスする深度
// カメラの情報からレイを定義する
vec3 ray = normalize(cSide * p.x + cUp * p.y + cDir * targetDepth);
// マーチングループを組む
float dist = 0.0; // レイとオブジェクト間の最短距離
float rLen = 0.0; // レイに継ぎ足す長さ
vec3 rPos = cPos; // レイの先端位置(初期位置)
for(int i = 0; i < 32; ++i){
dist = distanceHub(rPos);
rLen += dist;
rPos = cPos + ray * rLen;
}
// レイとオブジェクトの距離を確認
if(abs(dist) < 0.001){
// 法線を算出
vec3 normal = genNormal(rPos);
// ライトベクトルの定義(マウスの影響を受けるように)
// vec3 light = normalize(vec3(mouse + 1.0, 1.0));
vec3 light = normalize(vec3(1.0, 1.0, 1.0));
// ライトベクトルとの内積を取る
float diff = max(dot(normal, light), 0.1);
// diffuse を出力する
gl_FragColor = vec4(vec3(diff), 1.0);
}else{
// 衝突しなかった場合はそのまま黒
gl_FragColor = vec4(vec3(0.0, 0.0, 0.0), 1.0);
}
}