¿Cómo extruir un camino en 3d?

Question

Estoy tratando de extruir un camino en 3d. Nada lujoso todavía, solo siguiendo algunos puntos y usando un polígono regular para 'tubos'. Estoy usando Processing por ahora para crear un prototipo rápidamente, pero luego convertiré el código en OpenGL.

Mi problema es rotar las 'articulaciones' en los ángulos rectos. Creo que tengo una idea aproximada de cómo obtener los ángulos, no estoy seguro.

Comencé con una muestra de Simon Greenwold (Procesando > Archivo > Ejemplos > 3D > Formulario > Vértices). Aquí está mi intento hasta ahora:

ACTUALIZACIÓN > CÓDIGO REFACTORADO / SIMPLIFICADO

Here is the main sketch code:
int pointsNum = 10;
Extrusion star;

int zoom = 0;

void setup() {
  size(500, 500, P3D);

  PVector[] points = new PVector[pointsNum+1];
  for(int i = 0 ; i <= pointsNum ; i++){
    float angle = TWO_PI/pointsNum * i;
    if(i % 2 == 0)
      points[i] = new PVector(cos(angle) * 100,sin(angle) * 100,0);
    else
      points[i] = new PVector(cos(angle) * 50,sin(angle) * 50,0);
  }

  star = new Extrusion(10,10,points,3);
}

void draw() {
  background(0);
  lights();
  translate(width / 2, height / 2,zoom);
  rotateY(map(mouseX, 0, width, 0, PI));
  rotateX(map(mouseY, 0, height, 0, PI));
  rotateZ(-HALF_PI);
  noStroke();
  fill(255, 255, 255);
  translate(0, -40, 0);
  star.draw();
}

void keyPressed(){
  if(key == 'a') zoom += 5;
  if(key == 's') zoom -= 5;
}

Y aquí está la clase Extrusion:

importación procesando.core.PMatrix3D;

class Extrusion{

  float topRadius,bottomRadius,tall,sides;
  int pointsNum;
  PVector[] points;

  Extrusion(){}

  Extrusion(float topRadius, float bottomRadius, PVector[] points, int sides) {
    this.topRadius = topRadius;
    this.bottomRadius = bottomRadius;
    this.points = points;
    this.pointsNum = points.length;
    this.sides = sides;
  }

  void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){
          vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }
}

UPDATE

Así es como se ve mi boceto:

procesamiento extruido http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/extrude.gif

El problema es que las juntas no están en el ángulo correcto, por lo que la extrusión se ve mal. Este no es un muy buen ejemplo, ya que esto podría lograrse con un torno. Si puedo hacer que un torno funcione con un conjunto arbitrario de puntos y un eje, eso será genial. Estoy usando extrusion porque estoy tratando de crear cuerpos geométricos basados ??en el arte de Liviu Stoicoviciu.

Aquí hay algunas muestras:

pintura de estrellas http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/star_painting.jpg

escultura de papel estrella http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/star_paper_sculpture.jpg

triángulos http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/triangles_pencil.jpg

Perdón por la mala calidad.

Como puede ver en la imagen de triángulos, eso se lograría con extrusiones.

UPDATE

Aquí está mi intento de usar la ayuda de drhirsch en el método de dibujo:

void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){

          PVector s = new PVector(0,0,1);
          PVector cn = new PVector();
          points[i].normalize(cn);
          PVector r = s.cross(cn);
          float a = acos(s.dot(cn));
          PMatrix3D rot = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                        0,1,0,0,
                                        0,0,1,0,
                                        0,0,0,1);
          rot.rotate(a,r.x,r.y,r.z);
          PVector rotVec = new PVector();
          rot.mult(points[i],rotVec);
          rotVec.add(new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius));

          vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          vertex(rotVec.x,rotVec.y,rotVec.y);

          //vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          //vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }

He refactorizado el código, así que ahora la clase que solía llamarse CShape se llama Extruir, el código es menos y espero que sea simple, y utilizo una matriz de objetos PVector en lugar de un Vector de objetos PVector que pueden ser confusos .

Aquí está mi otro intento con algunos resultados de escher:

dibujo upated

void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        float angleBetweenNextAndPrevious = 0.0;
        if(i < pointsNum - 1) angleBetweenNextAndPrevious = PVector.angleBetween(points[i],points[i+1]);

        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){

          PVector s = new PVector(0,0,1);
          PVector s2 = new PVector(0,0,1);
          PVector cn = new PVector();
          PVector cn2 = new PVector();
          points[i-1].normalize(cn);
          points[i].normalize(cn);
          PVector r = s.cross(cn);
          PVector r2 = s.cross(cn2);
          PMatrix3D rot = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                        0,1,0,0,
                                        0,0,1,0,
                                        0,0,0,1);
          PMatrix3D rot2 = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                        0,1,0,0,
                                        0,0,1,0,
                                        0,0,0,1);

          rot.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r.x,r.y,r.z);
          rot2.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r2.x,r2.y,r2.z);

          PVector rotVec = new PVector();
          rot.mult(points[i-1],rotVec);
          rotVec.add(new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius));
          PVector rotVec2 = new PVector();
          rot2.mult(points[i],rotVec2);
          rotVec2.add(new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius));

          vertex(rotVec.x,rotVec.y,rotVec.z);
          vertex(rotVec2.x,rotVec2.y,rotVec2.z);
          //vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          //vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }
}

fix_test http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/extrude2.gif

Editar por drhirsch Esto debería funcionar:

void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        float angleBetweenNextAndPrevious = 0.0;
        if(i < pointsNum - 1) angleBetweenNextAndPrevious = PVector.angleBetween(points[i],points[i+1]);
        PVector s = new PVector(0,0,1);
        PVector s2 = new PVector(0,0,1);
        PVector cn = new PVector();
        PVector cn2 = new PVector();
        points[i-1].normalize(cn);
        points[i].normalize(cn2);
        PVector r = s.cross(cn);
        PVector r2 = s.cross(cn2);
        PMatrix3D rot = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                      0,1,0,0,
                                      0,0,1,0,
                                      0,0,0,1);
        PMatrix3D rot2 = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                       0,1,0,0,
                                       0,0,1,0,
                                       0,0,0,1);

        rot.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r.x,r.y,r.z);
        rot2.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r2.x,r2.y,r2.z);
        PVector rotVec = new PVector();
        PVector rotVec2 = new PVector();

        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){
          // I am still not sure about this. Should the shape be in the xy plane 
          // if the extrusion is mainly along the z axis? If the shape is now in
          // the xz plane, you need to use (0,1,0) as normal vector of the shape
          // (this would be s and s2 above, don't use the short names I have
          // used, sorry)
          PVector shape = new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius);

          rot.mult(shape, rotVec);
          rot2.mult(shape,rotVec2);

          rotVec.add(points[i-1]);
          rotVec2.add(points[i]);

          vertex(rotVec.x,rotVec.y,rotVec.z);
          vertex(rotVec2.x,rotVec2.y,rotVec2.z);
          //vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          //vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }
}

ACTUALIZACIÓN

Aquí hay una ilustración simple de mi problema:

descripción http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/description.gif

La ruta azul es equivalente a la matriz de puntos [] PVector en mi código, si pointsNum = 6. El camino rojo es lo que estoy luchando por resolver, el camino verde es lo que quiero lograr.

UPDATE

Creo que algunos problemas menores con el orden de los vértices. Aquí hay algunas pantallas de impresión con 6 puntos y sin condición de estrella (si / sino% 2).

points1 http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/points1.gif

texto alternativo http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/points2.gif

Answer 1

Suponiendo que su forma tiene un vector normal S. En su ejemplo, S sería (0,0,1), porque su forma es plana en xy. Puede usar el producto cruzado entre el vector de ruta actual V (normalizado) y S para obtener el vector de eje de rotación R. Debe girar su forma alrededor de R. El ángulo de rotación se puede obtener del producto de punto entre S y V. Entonces:

R = S x V
a = arc cos(S . V)

Ahora puede configurar una matriz de rotación con R y a y rotar la forma por ella .

Puede usar glRotate (...) para rotar la matriz actual en la pila, pero esto no se puede hacer entre glBegin () y glEnd (). Por lo tanto, debe hacer la multiplicación de la matriz usted mismo o con una biblioteca.

Editar: después de un breve vistazo a la biblioteca que está utilizando, debería poder configurar la matriz de rotación con

PVector s = new PVector(0,0,1);  // is already normalized (meaning is has length 1)
PVector cn;
current.normalize(cn);
PVector r = s.cross(cn);
float a = acos(s.dot(cn));
PMatrix rot = new PMatrix(1, 0, 0, 0,
                          0, 1, 0, 0,
                          0, 0, 1, 0,
                          0, 0, 0, 1);
rot.rotate(a, r.x, r.y, r.z);

y ahora multiplique cada elemento de su forma con podredumbre y traduzca por su vector de ruta actual:

PVector rotVec;
rot.mult((PVector)shape[i], rotVec);
rotVec.add(current);