new maths functions
[vg.git] / src / vg / vg_m.h
index 577138fb12e575698d1c941e15958f05a898beeb..a61c6f0565575a442a98fa43fb675b3ef2edb834 100644 (file)
@@ -1,12 +1,8 @@
-// Copyright (C) 2021 Harry Godden (hgn) - All Rights Reserved
-
-// Util
-// ==================================================================================================================
+/* Copyright (C) 2021 Harry Godden (hgn) - All Rights Reserved */
 
 #define VG_PIf  3.14159265358979323846264338327950288f
 #define VG_TAUf 6.28318530717958647692528676655900576f
 
-// Simple min/max replacements
 static inline float vg_minf( float a, float b )
 {
        return a < b? a: b;
@@ -22,10 +18,24 @@ static inline float vg_clampf( float a, float min, float max )
        return vg_minf( max, vg_maxf( a, min ) );
 }
 
+static inline float vg_signf( float a )
+{
+   return a < 0.0f? -1.0f: 1.0f;
+}
+
+static inline float vg_randf(void)
+{
+   return (float)rand()/(float)(RAND_MAX);
+}
+
+static inline float vg_randint(int max)
+{
+   return rand()%max;
+}
+
 #define VG_MIN( A, B ) ((A)<(B)?(A):(B))
 #define VG_MAX( A, B ) ((A)>(B)?(A):(B))
 
-// Hopefully deprecate this!!
 static inline int vg_min( int a, int b )
 {
        return a < b? a: b;
@@ -36,15 +46,14 @@ static inline int vg_max( int a, int b )
        return a > b? a: b;
 }
 
-// Convert degrees to radians
 static inline float vg_rad( float deg )
 {
        return deg * VG_PIf / 180.0f;
 }
 
-// Vector 2
-// ==================================================================================================================
-
+/*
+ * Vector 3
+ */
 static inline void v2_copy( v2f a, v2f b )
 {
        b[0] = a[0]; b[1] = a[1];
@@ -87,6 +96,11 @@ static inline void v2_sub( v2f a, v2f b, v2f d )
        d[0] = a[0]-b[0]; d[1] = a[1]-b[1];
 }
 
+static inline float v2_dot( v2f a, v2f b )
+{
+       return a[0] * b[0] + a[1] * b[1];
+}
+
 static inline float v2_cross( v2f a, v2f b )
 {
        return a[0] * b[1] - a[1] * b[0];
@@ -107,7 +121,6 @@ static inline void v2_divs( v2f a, float s, v2f d )
        d[0] = a[0]/s; d[1] = a[1]/s;
 }
 
-
 static inline void v2_mul( v2f a, v2f b, v2f d )
 {
        d[0] = a[0]*b[0]; 
@@ -159,9 +172,14 @@ static inline void v2_lerp( v2f a, v2f b, float t, v2f d )
        d[1] = a[1] + t*(b[1]-a[1]);
 }
 
-// Vector 3
-// ==================================================================================================================
+static inline void v2_normalize( v2f a )
+{
+       v2_muls( a, 1.f / v2_length( a ), a );
+}
 
+/*
+ * Vector 3
+ */
 static inline void v3_zero( v3f a )
 {
        a[0] = 0.f; a[1] = 0.f; a[2] = 0.f;
@@ -207,6 +225,13 @@ static inline void v3_muladds( v3f a, v3f b, float s, v3f d )
        d[0] = a[0]+b[0]*s; d[1] = a[1]+b[1]*s; d[2] = a[2]+b[2]*s;
 }
 
+static inline void v3_muladd( v2f a, v2f b, v2f s, v2f d )
+{
+       d[0] = a[0]+b[0]*s[0]; 
+       d[1] = a[1]+b[1]*s[1];
+       d[2] = a[2]+b[2]*s[2];
+}
+
 static inline float v3_dot( v3f a, v3f b )
 {
        return a[0] * b[0] + a[1] * b[1] + a[2] * b[2];
@@ -289,9 +314,48 @@ static inline void v3_fill( v3f a, float v )
        a[2] = v;
 }
 
-// Vector 4
-// ==================================================================================================================
+static inline void v3_floor( v3f a, v3f b )
+{
+   b[0] = floorf( a[0] );
+   b[1] = floorf( a[1] );
+   b[2] = floorf( a[2] );
+}
+
+static inline void v3_ceil( v3f a, v3f b )
+{
+   b[0] = ceilf( a[0] );
+   b[1] = ceilf( a[1] );
+   b[2] = ceilf( a[2] );
+}
+
+static inline void v3_negate( v3f a, v3f b )
+{
+   b[0] = -a[0];
+   b[1] = -a[1];
+   b[2] = -a[2];
+}
+
+static inline void v3_rotate( v3f v, float angle, v3f axis, v3f d ) 
+{
+  v3f v1, v2, k;
+  float c, s;
 
+  c = cosf( angle );
+  s = sinf( angle );
+
+  v3_copy( axis, k );
+  v3_normalize( k );
+  v3_muls( v, c, v1 );
+  v3_cross( k, v, v2 );
+  v3_muls( v2, s, v2 );
+  v3_add( v1, v2, v1 );
+  v3_muls( k, v3_dot(k, v) * (1.0f - c), v2);
+  v3_add( v1, v2, d );
+}
+
+/*
+ * Vector 4
+ */
 static inline void v4_copy( v4f a, v4f b )
 {
        b[0] = a[0]; b[1] = a[1]; b[2] = a[2]; b[3] = a[3];
@@ -302,8 +366,35 @@ static inline void v4_zero( v4f a )
        a[0] = 0.f; a[1] = 0.f; a[2] = 0.f; a[3] = 0.f;
 }
 
-// Matrix 2x2
-// ===========================================================================================================
+static inline void v4_muladds( v3f a, v3f b, float s, v3f d )
+{
+       d[0] = a[0]+b[0]*s; 
+   d[1] = a[1]+b[1]*s;
+   d[2] = a[2]+b[2]*s;
+   d[3] = a[3]+b[3]*s;
+}
+
+static inline void v4_lerp( v4f a, v4f b, float t, v4f d )
+{
+       d[0] = a[0] + t*(b[0]-a[0]);
+       d[1] = a[1] + t*(b[1]-a[1]);
+       d[2] = a[2] + t*(b[2]-a[2]);
+       d[3] = a[3] + t*(b[3]-a[3]);
+}
+
+static inline float v4_dot( v4f a, v4f b )
+{
+       return a[0]*b[0] + a[1]*b[1] + a[2]*b[2] + a[3]*a[3];
+}
+
+static inline float v4_length( v4f a )
+{
+   return sqrtf( v4_dot(a,a) );
+}
+
+/*
+ * Matrix 2x2
+ */
 
 #define M2X2_INDENTIY  {{1.0f, 0.0f, }, \
                                                                { 0.0f, 1.0f, }}
@@ -336,8 +427,9 @@ static inline void m2x2_create_rotation( m2x2f a, float theta )
        a[1][1] =  c;
 }
 
-// Matrix 3x3
-//======================================================================================================
+/*
+ * Matrix 3x3
+ */
 
 #define M3X3_IDENTITY  {{1.0f, 0.0f, 0.0f, },\
                                                                { 0.0f, 1.0f, 0.0f, },\
@@ -438,7 +530,8 @@ static inline void m3x3_mulv( m3x3f m, v3f v, v3f d )
        v3_copy( res, d );
 }
 
-static inline void m3x3_projection( m3x3f dst, float const left, float const right, float const bottom, float const top )
+static inline void m3x3_projection( m3x3f dst, 
+      float const left, float const right, float const bottom, float const top )
 {
        float rl, tb;
        
@@ -489,8 +582,9 @@ static inline void m3x3_rotate( m3x3f m, float angle )
        m[1][2] = m02 * -s + m12 * c;
 }
 
-// Matrix 4x3
-// ==================================================================================================================
+/*
+ * Matrix 4x3
+ */
 
 #define M4X3_IDENTITY  {{1.0f, 0.0f, 0.0f, },\
                                                                { 0.0f, 1.0f, 0.0f, },\
@@ -555,8 +649,9 @@ static inline void m4x3_mulv( m4x3f m, v3f v, v3f d )
        v3_copy( res, d );
 }
 
-// Affine transforms
-// ====================================================================================================================
+/*
+ * Affine transforms
+ */
 
 static inline void m4x3_translate( m4x3f m, v3f v )
 {
@@ -620,7 +715,18 @@ static inline void m4x3_rotate_z( m4x3f m, float angle )
        m4x3_mul( m, t, m );
 }
 
-// Warning: These functions are unoptimized..
+static inline void m4x3_expand( m4x3f m, m4x4f d )
+{
+   v3_copy( m[0], d[0] );
+   v3_copy( m[1], d[1] );
+   v3_copy( m[2], d[2] );
+   v3_copy( m[3], d[3] );
+   d[0][3] = 0.0f;
+   d[1][3] = 0.0f;
+   d[2][3] = 0.0f;
+   d[3][3] = 1.0f;
+}
+
 static inline void m4x3_expand_aabb_point( m4x3f m, boxf box, v3f point )
 {
        v3f v;
@@ -661,10 +767,113 @@ static inline void m4x3_transform_aabb( m4x3f m, boxf box )
        m4x3_expand_aabb_point( m, box, (v3f){ b[0], b[1], b[2] } );
 }
 
-// Planes (double precision)
-// ==================================================================================================================
+static inline void m4x3_lookat( m4x3f m, v3f pos, v3f target, v3f up )
+{
+   v3f dir;
+   v3_sub( target, pos, dir );
+   v3_normalize( dir );
+
+   v3_negate( dir, m[2] );
+
+   v3_cross( up, m[2], m[0] );
+   v3_normalize( m[0] );
 
-static inline void tri_to_plane( double a[3], double b[3], double c[3], double p[4] )
+   v3_cross( m[2], m[0], m[1] );
+   v3_copy( pos, m[3] );
+}
+
+/*
+ * Matrix 4x4
+ */
+
+#define M4X4_IDENTITY  {{1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f },\
+                                                               { 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f },\
+                                                               { 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f },\
+                                                               { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f }}
+
+static void m4x4_projection( m4x4f m, float angle,
+      float ratio, float near, float far )
+{
+   float scale = tanf( angle * 0.5f * VG_PIf / 180.0f ) * near,
+         r = ratio * scale,
+         l = -r,
+         t = scale,
+         b = -t;
+
+   m[0][0] =  2.0f * near / (r - l); 
+   m[0][1] =  0.0f; 
+   m[0][2] =  0.0f; 
+   m[0][3] =  0.0f; 
+   m[1][0] =  0.0f; 
+   m[1][1] =  2.0f * near / (t - b); 
+   m[1][2] =  0.0f; 
+   m[1][3] =  0.0f; 
+   m[2][0] =  (r + l) / (r - l); 
+   m[2][1] =  (t + b) / (t - b); 
+   m[2][2] = -(far + near) / (far - near); 
+   m[2][3] = -1.0f; 
+   m[3][0] =  0.0f; 
+   m[3][1] =  0.0f; 
+   m[3][2] = -2.0f * far * near / (far - near); 
+   m[3][3] =  0.0f;
+} 
+
+static void m4x4_translate( m4x4f m, v3f v )
+{
+   v4_muladds( m[3], m[0], v[0], m[3] );
+   v4_muladds( m[3], m[1], v[1], m[3] );
+   v4_muladds( m[3], m[2], v[2], m[3] );
+}
+
+static inline void m4x4_copy( m4x4f a, m4x4f b )
+{
+       v4_copy( a[0], b[0] );
+       v4_copy( a[1], b[1] );
+       v4_copy( a[2], b[2] );
+       v4_copy( a[3], b[3] );
+}
+
+static inline void m4x4_identity( m4x4f a )
+{
+       m4x4f id = M4X4_IDENTITY;
+       m4x4_copy( id, a );
+}
+
+static inline void m4x4_mul( m4x4f a, m4x4f b, m4x4f d )
+{
+   float a00 = a[0][0], a01 = a[0][1], a02 = a[0][2], a03 = a[0][3],
+         a10 = a[1][0], a11 = a[1][1], a12 = a[1][2], a13 = a[1][3],
+         a20 = a[2][0], a21 = a[2][1], a22 = a[2][2], a23 = a[2][3],
+         a30 = a[3][0], a31 = a[3][1], a32 = a[3][2], a33 = a[3][3],
+
+         b00 = b[0][0], b01 = b[0][1], b02 = b[0][2], b03 = b[0][3],
+         b10 = b[1][0], b11 = b[1][1], b12 = b[1][2], b13 = b[1][3],
+         b20 = b[2][0], b21 = b[2][1], b22 = b[2][2], b23 = b[2][3],
+         b30 = b[3][0], b31 = b[3][1], b32 = b[3][2], b33 = b[3][3];
+
+  d[0][0] = a00*b00 + a10*b01 + a20*b02 + a30*b03;
+  d[0][1] = a01*b00 + a11*b01 + a21*b02 + a31*b03;
+  d[0][2] = a02*b00 + a12*b01 + a22*b02 + a32*b03;
+  d[0][3] = a03*b00 + a13*b01 + a23*b02 + a33*b03;
+  d[1][0] = a00*b10 + a10*b11 + a20*b12 + a30*b13;
+  d[1][1] = a01*b10 + a11*b11 + a21*b12 + a31*b13;
+  d[1][2] = a02*b10 + a12*b11 + a22*b12 + a32*b13;
+  d[1][3] = a03*b10 + a13*b11 + a23*b12 + a33*b13;
+  d[2][0] = a00*b20 + a10*b21 + a20*b22 + a30*b23;
+  d[2][1] = a01*b20 + a11*b21 + a21*b22 + a31*b23;
+  d[2][2] = a02*b20 + a12*b21 + a22*b22 + a32*b23;
+  d[2][3] = a03*b20 + a13*b21 + a23*b22 + a33*b23;
+  d[3][0] = a00*b30 + a10*b31 + a20*b32 + a30*b33;
+  d[3][1] = a01*b30 + a11*b31 + a21*b32 + a31*b33;
+  d[3][2] = a02*b30 + a12*b31 + a22*b32 + a32*b33;
+  d[3][3] = a03*b30 + a13*b31 + a23*b32 + a33*b33;
+}
+
+/*
+ * Planes (double precision)
+ */
+static inline void tri_to_plane( double a[3], double b[3], 
+      double c[3], double p[4] )
 {
        double edge0[3];
        double edge1[3];
@@ -690,7 +899,8 @@ static inline void tri_to_plane( double a[3], double b[3], double c[3], double p
        p[2] = p[2] / l;
 }
 
-static inline int plane_intersect( double a[4], double b[4], double c[4], double p[4] )
+static inline int plane_intersect( double a[4], double b[4], 
+      double c[4], double p[4] )
 {
        double const epsilon = 1e-8f;
        
@@ -731,3 +941,71 @@ static inline double plane_polarity( double p[4], double a[3] )
        -(p[0]*p[3] * p[0] + p[1]*p[3] * p[1] + p[2]*p[3] * p[2])
        ;
 }
+
+/* Quaternions */
+
+static inline void q_identity( v4f q )
+{
+   q[0] = 0.0f; q[1] = 0.0f; q[2] = 0.0f; q[3] = 1.0f;
+}
+
+static inline void q_axis_angle( v4f q, v3f axis, float angle )
+{
+   float a = angle*0.5f,
+         c = cosf(a),
+         s = sinf(a);
+
+   q[0] = s*axis[0];
+   q[1] = s*axis[1];
+   q[2] = s*axis[2];
+   q[3] = c;
+}
+
+static inline void q_mul( v4f q, v4f q1, v4f d )
+{
+   v4f t;
+   t[0] = q[3]*q1[0] + q[0]*q1[3] + q[1]*q1[2] - q[2]*q1[1];
+   t[1] = q[3]*q1[1] - q[0]*q1[2] + q[1]*q1[3] + q[2]*q1[0];
+   t[2] = q[3]*q1[2] + q[0]*q1[1] - q[1]*q1[0] + q[2]*q1[3];
+   t[3] = q[3]*q1[3] - q[0]*q1[0] - q[1]*q1[1] - q[2]*q1[2];
+   v4_copy( t, d );
+}
+
+static inline void q_normalize( v4f q )
+{
+   float s = 1.0f/ sqrtf(v4_dot(q,q));
+   q[0] *= s;
+   q[1] *= s;
+   q[2] *= s;
+   q[3] *= s;
+}
+
+static inline void q_inv( v4f q, v4f d )
+{
+   float s = 1.0f / v4_dot(q,q);
+   d[0] = -q[0]*s;
+   d[1] = -q[1]*s;
+   d[2] = -q[2]*s;
+   d[3] =  q[3]*s;
+}
+
+static inline void q_m3x3( v4f q, m3x3f d )
+{
+   float
+      l = v4_length(q),
+      s = l > 0.0f? 2.0f/l: 0.0f,
+
+      xx = s*q[0]*q[0], xy = s*q[0]*q[1], wx = s*q[3]*q[0],
+      yy = s*q[1]*q[1], yz = s*q[1]*q[2], wy = s*q[3]*q[1],
+      zz = s*q[2]*q[2], xz = s*q[0]*q[2], wz = s*q[3]*q[2];
+
+   d[0][0] = 1.0f - yy - zz;
+   d[1][1] = 1.0f - xx - zz;
+   d[2][2] = 1.0f - xx - yy;
+   d[0][1] = xy + wz;
+   d[1][2] = yz + wx;
+   d[2][0] = xz + wy;
+   d[1][0] = xy - wz;
+   d[2][1] = yz - wx;
+   d[0][2] = xz - wy;
+}