KSG-Framework/Model3D.h

#pragma once

#include "Vec2.h"
#include "Array.h"
#include "Mat4.h"
#include "Zeichnung3D.h"

struct ID3D11Buffer;

namespace Framework
{
    struct Polygon2D; //! Model2D.h
    class Textur; //! Textur.h
    class Model2DData; //! Model2D.h
    class DXBuffer; //! DXBuffer.h
    class Render3D; //! Render3D.h
    class Model3DTextur; //! Model3D.h
    class Model3DList; //! Model3DList.h
    class Animation3D; //! Animation3D.h
    class Welt3D; //! Welt3D.h

    //! Repräsentiert einen Knochen eines 3D Models. Kann annimiert werden
    class Knochen
    {
    private:
        Vec3< float > pos;
        Vec3< float > winkel;
        Knochen *geschwister;
        Knochen *kinder;
        int id;

    public:
        //! Konstruktor
        DLLEXPORT Knochen( int id );
        //! Destruktor
        DLLEXPORT ~Knochen();
        //! Setzt die Position des Knochens relativ zum Model Ursprung
        //! \param pos Die Position
        DLLEXPORT void setPosition( Vec3< float > &pos );
        //! Setzt die Drehung des Knochens relativ zum Model Ursprung
        //! \param winkel Ein Vektor der die Drehung um die verschiedenen Achsen als Komponenten hat
        DLLEXPORT void setDrehung( Vec3< float > &winkel );
        //! Fügt dem Knochen ein Geschwister Knochen hinzu
        //! \param k Der Knochen, der hinzugefügt werden soll
        void addGeschwisterKnochen( Knochen *k );
        //! Fügt einem bestimmten Knochen ein Kind Knochen hinzu
        //! \param id Die id des Knochens, wo der Knochen als Kind hinzugefügt werden soll
        //! \param k Der Knochen, der hinzugefügt werden soll
        DLLEXPORT void addKind( int id, Knochen *k );
        //! Berechnet die Matrizen des Knochen und die von all seinen Geschwister Knochen und Kind Knochen
        //! \param elternMat Die fertig berechnete Matrix des Elternknochens
        //! \param matBuffer Ein Array, in dem alle berechneten Matrizen gespeichert werden sollen
        //! \param scaleFactor Die skallierung des Objektes
        //! \param kamMatrix Die vereiniegung der view und projektions Matrizen
        DLLEXPORT void kalkulateMatrix( Mat4< float > &elternMat, Mat4< float > *matBuffer, float scaleFactor, Mat4< float > &kamMat );
        //! Gibt den ersten Geschwisterknochen zurück
        DLLEXPORT Knochen *zGeschwister() const;
        //! Gibt den ersten KindKnochen zurück
        DLLEXPORT Knochen *zKind() const;
        //! Kopiert den Knochen mit allen Geschwister Knochen und Kind Knochen
        DLLEXPORT Knochen *kopiereKnochen() const;
        //! Gibt die Id des Knochens zurück
        DLLEXPORT int getId() const;
        //! Gibt die Drehung des Knochens zurück
        DLLEXPORT Vec3< float > getDrehung() const;
        //! Gibt die Position des Knochens zurück
        DLLEXPORT Vec3< float > getPosition() const;
        //! Gibt den Radius des Knochens zurück
        float getRadius() const;

        friend Animation3D;
    };

    //! Repräsentiert alle Knochen eines Models, mit denen es Annimiert werden kann
    class Skelett
    {
    private:
        Knochen *k;
        int nextId;
        int ref;

    public:
        //! Konstruktor
        DLLEXPORT Skelett();
        //! Destruktor
        DLLEXPORT ~Skelett();
        //! Gibt die Id des nächsten Knochens zurück und berechnet die neue Id für den Knochen danach
        //! Es können maximal MAX_KNOCHEN_ANZ Knochen für ein Skelett existieren. Wenn diese Zahl überschritten wird, so wird -1 zurückgegeben
        DLLEXPORT int getNextKnochenId();
        //! setzt die Id des nächsten Knochens
        //! \param id die nächste id
        DLLEXPORT void setNextKnochenId( int id );
        //! Fügt dem Skellet einen Knochen hinzu
        //! \param k Der Knochen
        //! \param elternId Die Id des Eltern Knochens. Wenn der Knochen kein Elternknochen besitzt, kannder Parameter weggelassen werden.
        DLLEXPORT void addKnochen( Knochen *k, int elternId = -1 );
        //! Berechnet die Matrizen der Knochen
        //! \param modelMatrix Die Matrix, die das Skelett in den Raum der Welt transformiert
        //! \param matBuffer Ein Array von Matrizen, der durch die Knochen Matrizen gefüllt wird
        //! \param scaleFactor Die skallierung des Objektes
        //! \param kamMatrix Die vereiniegung der view und projektions Matrizen
        //! \return gibt die Anzahl der verwendeten Matrizen zurück
        DLLEXPORT int kalkulateMatrix( Mat4< float > &modelMatrix, Mat4< float > *matBuffer, float scaleFactor, Mat4< float > &kamMatrix );
        //! Berechnet den Radius des Skeletts
        DLLEXPORT float getRadius() const;
        //! gibt den Wurzel Knochen zurück
        DLLEXPORT Knochen *zKnochen() const;
        //! Kopiert das Skelett
        DLLEXPORT Skelett *kopiereSkelett() const;
        //! Gibt die id des nächsten Knochens zurück ohne sie zu erhöhen
        DLLEXPORT int zNextKnochenId() const;
        //! Erhöht den Reference Counting Zähler.
        //! \return this.
        DLLEXPORT Skelett *getThis();
        //! Verringert den Reference Counting Zähler. Wenn der Zähler 0 erreicht, wird das Zeichnung automatisch gelöscht.
        //! \return 0.
        DLLEXPORT Skelett *release();

        friend Animation3D;
    };

    //! Eine struktor um für eine Ecke eines 3D Models die Raum Position, die Textur Koordinaten und den zugehörigen Knochen speichert
    struct Vertex3D
    {
        Vec3< float > pos; //! Die Position der Ecke basierend zur Position des Knochens
        Vec2< float > tPos; //! Die Textur Koordinaten der Ecke
        Vec3< float > normal; //! Die Normale (zeigt nach außen und steht senkrecht auf der Oberfläche des models)
        int knochenId; //! Die Id des Knochens, mit dem sich die Ecke bei einer Annimation mitbewegt
    };

    //! Eine Struktur, die alle Dreiecke eines 3D Polygons speichert
    struct Polygon3D
    {
        int *indexList; //! Die Liste mit den IDs der Ecken
        int indexAnz; //! Die Länge der Liste mit den Ids der Ecken

        //! Konstruktor
        DLLEXPORT Polygon3D();
        //! Destruktor
        DLLEXPORT ~Polygon3D();
    };

    //! Speichert alle Geometrischen Daten eines Modells, also
    //! Raum - und Textur Koordinaten und Knochenzugehörigkeit aller Eckpunkte
    class Model3DData
    {
    private:
        Skelett *skelett;
        Vertex3D *vertexList;
        int vertexCount;
        Array< Polygon3D * > *polygons;
        float ambientFactor;
        float diffusFactor;
        float specularFactor;
        float radius;
        int id;
        int ref;

    public:
        //! Konstruktor
        DLLEXPORT Model3DData();
        //! Destruktor
        DLLEXPORT ~Model3DData();
        //! Löscht alle Model daten
        DLLEXPORT void clearModel();
        //! Berechnet die normalen für die Eckpunkte des Modells
        DLLEXPORT void calculateNormals();
        //! Setzt den Zeiger auf ein standartmäßig verwendete Skelett
        //! \param s Das Skelett, das verwendet werden soll
        DLLEXPORT void setSkelettZ( Skelett *s );
        //! Setzt einen Zeiger auf eine Liste mit allen Vertecies des Models
        //! \param vertexList Ein Array mit Vertecies
        //! \param anz Die Anzahl der Vertecies im Array
        DLLEXPORT void setVertecies( Vertex3D *vertexList, int anz );
        //! Fügt ein Polygon zum Model hinzu
        //! \param polygon Das Polygon, das hinzugefügt erden soll
        DLLEXPORT void addPolygon( Polygon3D *polygon );
        //! Git den Factor an, mit dem das umgebungslicht (textur farbe) multipliziert wird
        //! \param f der neue Faktor (von 0 bis 1, ambient + specular + diffuse = 1)
        DLLEXPORT void setAmbientFactor( float f );
        //! Git den Factor an, mit dem die Lichtfarbe von Lichtquellen multipliziert wird
        //! \param f der neue Faktor (von 0 bis 1, ambient + specular + diffuse = 1)
        DLLEXPORT void setDiffusFactor( float f );
        //! Git den Factor an, mit dem die Reflektion von Lichtquellen multipliziert wird
        //! \param f der neue Faktor (von 0 bis 1, ambient + specular + diffuse = 1)
        DLLEXPORT void setSpecularFactor( float f );
        //! Konvertiert ein 2d Model zu 3D
        //! \param model Das 2d Model, das zu 3d konvertiert werden soll
        //! \param z Die z koordinate aller punkte des Models
        DLLEXPORT void copyModel2D( Model2DData *model, float z );
        //! Entfernt ein Polygon
        //! \param index Der Index des Polygons
        DLLEXPORT void removePolygon( int index );
        //! Berechnet die Matrizen der Knochen des Standart Skeletts
        //! \param modelMatrix Die Matrix, die das Skelett in den Raum der Welt transformiert
        //! \param matBuffer Ein Array von Matrizen, der durch die Knochen Matrizen gefüllt wird
        //! \param scaleFactor Die Skallierung des Modells
        //! \param kamMatrix Die vereiniegung der view und projektions Matrizen
        //! \return gibt die Anzahl der verwendeten Matrizen zurück. 0, falls kein Standart Skelett gesetzt wurde
        int kalkulateMatrix( Mat4< float > &modelMatrix, Mat4< float > *matBuffer, float scaleFactor, Mat4< float > &kamMatrix ) const;
        //! Gibt die Anzahl an Polygonen zurück
        DLLEXPORT int getPolygonAnzahl() const;
        //! Gibt ein bestimmtes Polygon zurück
        //! \param index Der Index des Polygons
        DLLEXPORT Polygon3D *getPolygon( int index ) const;
        //! Gibt einen Iterator zurück, mit dem sich die Polygons auflisten lassen
        DLLEXPORT Iterator< Polygon3D * > getPolygons() const;
        //! Gibt den radius einer Kugel zurück, die das gesammte Model umschließt
        DLLEXPORT float getRadius() const;
        //! Gibt die Id der Daten zurück, wenn sie in einer Model3DList registriert wurden. (siehe Framework::zM3DRegister())
        DLLEXPORT int getId() const;
        //! Git den Factor an, mit dem das umgebungslicht (textur farbe) multipliziert wird
        DLLEXPORT float getAmbientFactor() const;
        //! Git den Factor an, mit dem die Lichtfarbe von Lichtquellen multipliziert wird
        DLLEXPORT float getDiffusFactor() const;
        //! Git den Factor an, mit dem die Reflektion von Lichtquellen multipliziert wird
        DLLEXPORT float getSpecularFactor() const;
        //! Gibt eine Kopie des Skeletts zurück, welches für annimationen verwendet werden kann
        DLLEXPORT Skelett *copySkelett() const;
        //! Gibt die Anzahl an Vertices zurück
        DLLEXPORT int getVertexAnzahl() const;
        //! Gibt einen Buffer mit allen Vertecies des Models zurück
        DLLEXPORT const Vertex3D *zVertexBuffer() const;
        //! Erhöht den Reference Counting Zähler.
        //! \return this.
        DLLEXPORT Model3DData *getThis();
        //! Verringert den Reference Counting Zähler. Wenn der Zähler 0 erreicht, wird das Zeichnung automatisch gelöscht.
        //! \return 0.
        DLLEXPORT Model3DData *release();

        friend Model3DList;
    };

    //! Speichert eine Liste mit Texturen und für welche Polygone welche Textur benutzt werden soll
    class Model3DTextur
    {
    private:
        RCArray< Textur > *textures;
        int ref;

    public:
        //! Konstruktor
        DLLEXPORT Model3DTextur();
        //! Destruktor
        DLLEXPORT ~Model3DTextur();
        //! Legt fest, welche Textur für welches Polygon ist
        //! \param pI Der Index des Polygons
        //! \param txt Die Textur des Polygons
        DLLEXPORT void setPolygonTextur( int pI, Textur *txt );
        //! Gibt einen Zeiger auf die Textur eines Polygons zurück ohne erhöhten Reference Counter
        //! \param i Der Index des Polygons
        DLLEXPORT Textur *zPolygonTextur( int i ) const;
        //! Erhöht den Reference Counting Zähler.
        //! \return this.
        DLLEXPORT Model3DTextur *getThis();
        //! Verringert den Reference Counting Zähler. Wenn der Zähler 0 erreicht, wird das Zeichnung automatisch gelöscht.
        //! \return 0.
        DLLEXPORT Model3DTextur *release();
    };

    //! Eine Zeichnung des 3D Frameworks, die ein 3D Model mit Textur und Animation darstellen kann
    class Model3D : public Zeichnung3D
    {
    protected:
        struct AnimationData
        {
            Animation3D *a;
            double speed;
            double offset;

            AnimationData *getThis();
            AnimationData *release();
        };

        Skelett *skelett;
        Model3DData *model;
        Model3DTextur *textur;
        RCArray< AnimationData > *animations;
        float ambientFactor;
        float diffusFactor;
        float specularFactor;

    public:
        //! Konstruktor
        DLLEXPORT Model3D();
        //! Destruktor
        DLLEXPORT virtual ~Model3D();
        //! Fügt eine Animation hinzu
        //! \param a Die neue Animation
        DLLEXPORT void addAnimation( Animation3D *a, double speed = 1 );
        //! Entfernt eine Animation
        //! \param zA Die zu entfernende Animation
        DLLEXPORT void removeAnimation( Animation3D *zA );
        //! Setzt die Daten des Models
        //! \param data Die Daten
        DLLEXPORT void setModelDaten( Model3DData *data );
        //! Setzt die zum Zeichnen zu benutzenden Texturen
        //! \param txt Ein Liste mit Texturen zu den verschiedenen Polygonen zugeordnet
        DLLEXPORT void setModelTextur( Model3DTextur *txt );
        //! Git den Factor an, mit dem das umgebungslicht (textur farbe) multipliziert wird
        //! \param f der neue Faktor (von 0 bis 1, ambient + specular + diffuse = 1)
        DLLEXPORT void setAmbientFactor( float f );
        //! Git den Factor an, mit dem die Lichtfarbe von Lichtquellen multipliziert wird
        //! \param f der neue Faktor (von 0 bis 1, ambient + specular + diffuse = 1)
        DLLEXPORT void setDiffusFactor( float f );
        //! Git den Factor an, mit dem die Reflektion von Lichtquellen multipliziert wird
        //! \param f der neue Faktor (von 0 bis 1, ambient + specular + diffuse = 1)
        DLLEXPORT void setSpecularFactor( float f );
        //! Errechnet die Matrizen aller Knochen des Skeletts des Models
        //! \param viewProj Die miteinander multiplizierten Kameramatrizen
        //! \param matBuffer Ein Array mit Matrizen, der gefüllt werden soll
        //! \return Die Anzahl der Matrizen, die das Model benötigt
        DLLEXPORT int errechneMatrizen( Mat4< float > &viewProj, Mat4< float > *matBuffer ) override;
        //! Verarbeitet die vergangene Zeit
        //! \param tickval Die zeit in sekunden, die seit dem letzten Aufruf der Funktion vergangen ist
        //! \return true, wenn sich das Objekt verändert hat, false sonnst.
        DLLEXPORT virtual bool tick( double tickval ) override;
        //! Gibt die Textur zurück
        DLLEXPORT Model3DTextur *getTextur();
        //! Gibt die Textur zurück (ohne erhöhten Reference Counter)
        DLLEXPORT Model3DTextur *zTextur();
        //! Gibt die ModelDaten zurück
        DLLEXPORT Model3DData *getModelData();
        //! Gibt die ModelDaten zurück (ohne erhöhten Reference Counter)
        DLLEXPORT Model3DData *zModelData();
        //! prüft, ob ein Strahl dieses Objekt trifft
        //! \param point der startpunkt des Strahls in Weltkoordinaten
        //! \param dir die Richtung des Strahls in Weltkoordinaten
        //! \param maxSqDist Die maximale quadratische distanz die erlaubt ist
        //! \param pId die Id des Polygons, zu dem der Schnittpunkt gehört
        //! \return den quadratischen Abstand des Schnittpunktes zum Ursprung des Strahls oder -1, wenn kein schnittpunkt existiert 
        DLLEXPORT virtual float traceRay( Vec3< float > &point, Vec3< float > &dir, float maxSqDist, int &pId ) const;
        //! berechnet die Farbe des Schnittpunktes deines Strahls
        //! \param point der startpunkt des Strahls in Weltkoordinaten
        //! \param dir die Richtung des Strahls in Weltkoordinaten
        //! \param zWelt die Welt, aus der der Strahl kommt
        //! \return die Farbe des Schnittpunktes 
        DLLEXPORT virtual int traceRay( Vec3< float > &point, Vec3< float > &dir, int pId, Welt3D *zWelt ) const;
        //! Gibt die Id der Daten zurück, wenn sie in einer Model3DList registriert wurden. (siehe Framework::zM3DRegister())
        DLLEXPORT int getDatenId() const;
        //! Git den Factor an, mit dem das umgebungslicht (textur farbe) multipliziert wird
        DLLEXPORT float getAmbientFactor() const;
        //! Git den Factor an, mit dem die Lichtfarbe von Lichtquellen multipliziert wird
        DLLEXPORT float getDiffusFactor() const;
        //! Git den Factor an, mit dem die Reflektion von Lichtquellen multipliziert wird
        DLLEXPORT float getSpecularFactor() const;
        //! Gibt die Anzahl an Vertices zurück
        DLLEXPORT int getVertexAnzahl() const;
        //! Gibt einen Buffer mit allen Vertecies des Models zurück
        DLLEXPORT const Vertex3D *zVertexBuffer() const;
    };
}