波の干渉（面上の円形波）のアニメーション表示

coding UTF-8;        // 文字コードの明示（文字化け予防）
import Math;         // 数学関数の使用に必要なライブラリの読み込み
import Graphics3D;   // 3D描画関数を提供するライブラリの読み込み
import graphics3d.Graphics3DFramework; // 面倒な処理を代行してくれる3Dプログラム用レームワーク


// 以下、波のパラメータを格納する変数
double periodA = 1.0;      // 波Aの周期（T）
double periodB = 1.0;      // 波Bの周期
double wavelengthA = 1.0;  // 波Aの波長（λ）
double wavelengthB = 1.0;  // 波Bの波長
double amplitudeA = 0.12;  // 波Aの振幅（A）
double amplitudeB = 0.12;  // 波Bの振幅
double xA = -1.0;          // 波源AのX座標
double xB = 1.0;           // 波源BのX座標
double yA = 0.0;           // 波源AのY座標
double yB = 0.0;           // 波源BのY座標

// 範囲や点数、時間刻みなどの設定変数
const int N = 120;           // メッシュの1方向あたり刻み数（大きいほど綺麗な反面、処理が重くなる）
const double X_MIN = -4.0;   // グラフのX軸の最小値
const double X_MAX = 4.0;    // グラフのX軸の最大値
const double Y_MIN = -4.0;   // グラフのY軸の最小値
const double Y_MAX = 4.0;    // グラフのY軸の最大値
const double Z_MIN = -2.0;   // グラフのZ軸の最小値
const double Z_MAX = 2.0;    // グラフのZ軸の最大値
const double DX = (X_MAX - X_MIN) / (N-1); // メッシュのX軸方向の刻み幅
const double DY = (Y_MAX - Y_MIN) / (N-1); // メッシュのY軸方向の刻み幅
const double DT = 0.1;       // 1ループごとの時間進行量（speed=1.0の時の値）

// 波のデータ関連の変数
double waveVertex[ N ][ N ][ 3 ]; // 頂点座標値を格納する配列（最右次元は0=X,1=Y,2=Z）
const int X = 0; // 座標値配列で X 座標を表すインデックス
const int Y = 1; // 座標値配列で Y 座標を表すインデックス
const int Z = 2; // 座標値配列で Z 座標を表すインデックス

// 3DCG関連の変数
int waveModel;  // モデルのIDを格納する
int waveCoordinate;  // 波モデルを配置する座標系
int sourceCoordinateA; // 波源Aの球を配置する座標系
int sourceCoordinateB; // 波源Bの球を配置する座標系

// GUI関連の変数
int periodSliderA; // 波Aの周期設定スライダーのIDを格納する
int periodSliderB; // 波Bの周期設定スライダーのIDを格納する
int wavelengthSliderA; // 波Aの波長設定スライダーのIDを格納する
int wavelengthSliderB; // 波Bの波長設定スライダーのIDを格納する
int amplitudeSliderA;  // 波Aの振幅設定スライダーのIDを格納する
int amplitudeSliderB;  // 波Bの振幅設定スライダーのIDを格納する
int speedSlider;  // アニメーション速度スライダーのIDを格納する
int infoLabelA;   // 波Aの設定値を表示するラベルのIDを格納する
int infoLabelB;   // 波Bの設定値を表示するラベルのIDを格納する
int timeLabel;    // 時刻表示ラベルのIDを格納する
int resetButton;  // 時刻リセットボタンのIDを格納する

// その他の制御関連の変数
double speed = 0.7; // アニメーション速度
double t = 0.0;     // 時刻変数


// ==================================================
// この関数は、フレームワークから、
// プログラム起動後に1度だけコールされます。
// ==================================================

void onStart(int renderer){
	
	// 波のパラメータの初期値を数値で入力するか尋ね、必要なら入力して設定
	inputParameters();
	
	// 画面サイズを設定
	setWindowSize(820, 800);
	
	// 色を鮮やかにするために環境光を明るめに設定
	setAmbientLightBrightness(1.0);
	
	// カメラ距離とカメラ倍率を設定
	setGraphics3DMagnification(getRenderer(), 1400.0);
	setGraphics3DDistance(getRenderer(), 20.0);
	
	// 波座標系を生成
	initializeCoordinate();
	
	// 波モデルを生成して配置
	initializeModel();
	
	// 画面上のGUI部品を生成して配置
	initializeGUI();
}


// ==================================================
// この関数は、フレームワークから、1秒間に数十回
//（フレームレート設定依存）繰り返しコールされます。
// ==================================================

void onUpdate(int renderer){
	
	// 波モデルの頂点座標の更新
	updateModelVertex();
	
	// 波モデルの色の更新
	updateModelColor();
	
	// 波源の位置の更新
	updateSourceLocations();
	
	// 時刻を加算（アニメーション速度をかけて変化のスピードを調整）
	t += DT * speed;
}


// ==================================================
// 起動時に波のパラメータの初期値を訪ねて入力する処理
// ==================================================

void inputParameters() {
	if ( confirm("波のパラメータを数値で入力しますか？") ) {
		amplitudeA = input("波Aの振幅=", amplitudeA);
		amplitudeB = input("波Bの振幅=", amplitudeB);
		wavelengthA = input("波Aの波長=", wavelengthA);
		wavelengthB = input("波Bの波長=", wavelengthB);
		periodA = input("波Aの周期=", periodA);
		periodB = input("波Aの周期=", periodB);
	}
}


// ==================================================
// 台座となる座標系を生成する処理
// ==================================================

void initializeCoordinate(){
	
	// レンダラーのIDを取得（配置の際の引数に必要）
	int renderer = getRenderer();
	
	// 波モデルを配置する座標系（波座標系）を生成して配置
	waveCoordinate = newCoordinate();
	mountCoordinate(waveCoordinate, renderer);
	
	// 波モデルの中心がワールド座標系の中心に来るよう移動
	moveCoordinate(waveCoordinate, -(X_MAX+X_MIN)/2, -(Y_MAX+Y_MIN)/2, 0.0);
	
	// 波源Aの座標系を生成し、波座標系上の波源の位置に配置
	sourceCoordinateA = newCoordinate();
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateA, xA, yA, 0.0);
	mountCoordinate(sourceCoordinateA, renderer, waveCoordinate);
	
	// 波源Bの座標系を生成し、波座標系上の波源の位置に配置
	sourceCoordinateB = newCoordinate();
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateB, xB, yB, 0.0);
	mountCoordinate(sourceCoordinateB, renderer, waveCoordinate);
}


// ==================================================
// モデルを生成する処理
// ==================================================

void initializeModel(){
	
	// レンダラーのIDを取得（配置の際の引数に必要）
	int renderer = getRenderer();
	
	// 四角形グリッド形式で波のモデル（波モデル）を生成して配置
	waveModel = newModel(waveVertex, QUADRANGLE_GRID); // 生成
	setModelColor(waveModel, 0, 0, 255, 255); // 色設定
	setModelCull(waveModel, false, false);    // 裏面カリング（描画省略）を無効化
	mountModel(waveModel, renderer, waveCoordinate); // 配置
	
	// 波源Aを表す球モデル（赤色）を、波源Aの座標系原点に配置
	int sourceModelA = newSphereModel(0.2, 0.2, 0.2, 10, 8); // 生成
	setModelColor(sourceModelA, 255, 0, 0, 255); // 色設定
	mountModel(sourceModelA, renderer, sourceCoordinateA); // 配置
	
	// 波源Bを表す球モデル（緑色）を、波源Bの座標系原点に配置
	int sourceModelB = newSphereModel(0.2, 0.2, 0.2, 10, 8); // 生成
	setModelColor(sourceModelB, 0, 255, 0, 255); // 色設定
	mountModel(sourceModelB, renderer, sourceCoordinateB); // 配置
}


// ==================================================
// GUI部品の配置など、画面構築処理を行う処理
// ==================================================

void initializeGUI() {
	
	// Graphics3DFramework で確保されているウィンドウのIDを取得（この上に部品を配置する）
	int window = getWindow();
	
	// ウィンドウ上部に余白を設定（GUI部品を配置するため）
	setMarginTop(180);
	
	// 時刻表示ラベルを生成して配置
	timeLabel = newTextLabel( 10, 10, 200, 20, "" );
	mountComponent( timeLabel, window );
	
	// スライダーの左に振幅、周期、波長のラベルを生成して配置
	int amplitudeLabel = newTextLabel( 45, 40, 100, 15, "A  振幅 (0〜1)" );
	mountComponent( amplitudeLabel, window );
	int omegaLabel = newTextLabel( 45, 60, 100, 15, "T  周期 (0.2〜5)" );
	mountComponent( omegaLabel, window );
	int lambdaLabel = newTextLabel( 45, 80, 100, 15, "λ  波長 (0.7〜4)" );
	mountComponent( lambdaLabel, window );
	
	// 振幅スライダー（範囲0.0〜1.0）を生成して配置
	amplitudeSliderA = newHorizontalSlider( 150, 40, 300, 20, amplitudeA, 0.0, 1.0 );
	amplitudeSliderB = newHorizontalSlider( 450, 40, 300, 20, amplitudeB, 0.0, 1.0 );
	mountComponent( amplitudeSliderA, window );
	mountComponent( amplitudeSliderB, window );
	
	// 周期スライダー（範囲0.2〜5.0）を生成して配置
	periodSliderA = newHorizontalSlider( 150, 60, 300, 20, periodA, 0.2, 5.0 );
	periodSliderB = newHorizontalSlider( 450, 60, 300, 20, periodB, 0.2, 5.0 );
	mountComponent( periodSliderA, window );
	mountComponent( periodSliderB, window );
	
	// 波長スライダー（範囲0.7〜4.0）を生成して配置
	wavelengthSliderA = newHorizontalSlider( 150, 80, 300, 20, wavelengthA, 0.7, 4.0 );
	wavelengthSliderB = newHorizontalSlider( 450, 80, 300, 20, wavelengthB, 0.7, 4.0 );
	mountComponent( wavelengthSliderA, window );
	mountComponent( wavelengthSliderB, window );
	
	// スライダー値を表示するラベルを生成して配置
	infoLabelA = newTextLabel( 155, 100, 300, 20, "" );	
	infoLabelB = newTextLabel( 455, 100, 300, 20, "" );	
	mountComponent( infoLabelA, window );
	mountComponent( infoLabelB, window );
	updateInfoLabel();
	
	// 波Aと波Bの列を表すラベルを生成して配置
	int columnLabelA = newTextLabel(280, 15, 200, 20, "波A（波源：赤）");
	int columnLabelB = newTextLabel(580, 15, 200, 20, "波B（波源：緑）");
	mountComponent( columnLabelA, window );
	mountComponent( columnLabelB, window );
	
	// アニメーション速度のラベルと調整スライダーを生成して配置
	int speedLabel = newTextLabel( 10, 140, 140, 15, "アニメーション速度" );
	mountComponent( speedLabel, window );
	speedSlider = newHorizontalSlider( 150, 140, 400, 20, speed, 0.0, 1.0 );
	mountComponent( speedSlider, window );
	
	// 時刻リセットボタンを生成して配置
	resetButton = newButton(600, 125, 150, 40, "時刻をリセット");
	mountComponent( resetButton, window );
	
	// 配置後にウィンドウを描画して表示内容を更新
	paintComponent( window );
}


// ==================================================
// 波モデルの頂点座標を更新する処理
// ==================================================

void updateModelVertex() {
	
	for( int yi=0; yi<N; yi++ ) {
		for( int xi=0; xi<N; xi++ ) {
			
			// 以下、メッシュモデル内の [yi][xi] 番目の頂点（格子点）に注目している
			
			double x = X_MIN + xi * DX; // 注目頂点の x 座標値
			double y = Y_MIN + yi * DY; // 注目頂点の y 座標値
			
			double rA = sqrt( (x-xA)*(x-xA) + (y-yA)*(y-yA) ); // 波源Aからの距離
			double rB = sqrt( (x-xB)*(x-xB) + (y-yB)*(y-yB) ); // 波源Bからの距離
			
			// 円形波の式から、波源Aからの波（波A）と波源Bからの波（波B）のZ値をそれぞれに求める
			double zA = amplitudeA * sin( 2.0 * PI * ( t/periodA - rA/wavelengthA ) ); // 波AのZ値
			double zB = amplitudeB * sin( 2.0 * PI * ( t/periodB - rB/wavelengthB ) ); // 波BのZ値
			
			// 頂点座標値配列に値を格納
			waveVertex[yi][xi][X] = x;
			waveVertex[yi][xi][Y] = y;
			waveVertex[yi][xi][Z] = zA + zB; // 合成波のZ値は、重ね合わせの原理にり波Aと波Bの和
		}
	}
	
	// モデルに頂点座標値配列を渡して形状を更新
	setModelVertex(waveModel, waveVertex, QUADRANGLE_GRID);
}


// ==================================================
// 波モデルの色を更新する処理
// ==================================================

void updateModelColor() {
	
	int polygonIndex = 0;                 // モデル内のポリゴンのインデックス
	for( int yi=0; yi<N-1; yi++ ) {       // メッシュの1方向あたりポリゴン数は頂点数-1なのでN-1
		for( int xi=0; xi<N-1; xi++ ) {
			
			// 以下、モデル内の polygonIndex 番目のポリゴンに注目している
			
			// 波のZ値の最大値（振幅A+振幅B）が1、最小値が0となるようスケーリングしたZ比率を求める
			double ratio = ( waveVertex[yi][xi][Z] / (amplitudeA + amplitudeB) + 1.0 ) / 2.0;
			
			// 振幅Aと振幅Bが共に 0 の場合はZ比率が NaN や Inf になるので、その場合は 0 にする
			if (nan(ratio) || inf(ratio)) {
				ratio = 0.0;
			}
			
			// この処理中に振幅が変更されると、Z比率が 0〜1 の範囲を超える場合があるので、超過分を落とす
			ratio = min(ratio, 1.0);
			ratio = max(ratio, 0.0);
			
			// Z比率の値を用いて、色のRGBA成分（それぞれ0〜255の範囲）を求める
			int red = (int)(ratio * 160);
			int green = (int)(ratio * 255);
			int blue = 255;
			int alpha = 255;
			
			// ポリゴンの色を設定
			setModelPolygonColor(waveModel, polygonIndex, red, green, blue, alpha);
			
			// 次のループで次のポリゴンを処理する
			polygonIndex++;
		}
	}
}


// ==================================================
// 波源の位置を更新する処理
// ==================================================

void updateSourceLocations() {
	double sourceZA = amplitudeA * sin( 2.0 * PI * t/periodA ); // 波源AのZ値
	double sourceZB = amplitudeB * sin( 2.0 * PI * t/periodB ); // 波源BのZ値
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateA, xA, yA, sourceZA);   // 波源Aの座標系の原点位置を設定
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateB, xB, yB, sourceZB);   // 波源Bの座標系の原点位置を設定
}


// ==================================================
// スライダー値を表示するラベルの内容を更新する処理
// ==================================================

void updateInfoLabel() {
	string infoTextA
		= "( A="
		+ round(amplitudeA, 3, HALF_UP) // 振幅を小数点以下3桁に丸める
		+ ", λ="
		+ round(wavelengthA, 3, HALF_UP) // 波長を小数点以下3桁に丸める
		+ ", T="
		+ round(periodA, 3, HALF_UP) // 周期を小数点以下3桁に丸める
		+ ")";
	
	string infoTextB
		= "( A="
		+ round(amplitudeB, 3, HALF_UP) // 振幅を小数点以下3桁に丸める
		+ ", λ="
		+ round(wavelengthB, 3, HALF_UP) // 波長を小数点以下3桁に丸める
		+ ", T="
		+ round(periodB, 3, HALF_UP) // 周期を小数点以下3桁に丸める
		+ ")";
	
	setComponentString(infoLabelA, infoTextA);
	setComponentString(infoLabelB, infoTextB);
	paintComponent(infoLabelA);
	paintComponent(infoLabelB);
	paintComponent(getWindow());
}


// ==================================================
// スライダーが動いた際に呼ばれる処理（イベントハンドラ）
// ==================================================

void onSliderMove(int id, float value) {
	
	// 以下、スライダーに対応するグローバル変数に値を設定
	
	if(id == amplitudeSliderA) {
		amplitudeA = value;
	}
	
	if(id == amplitudeSliderB) {
		amplitudeB = value;
	}
	
	if(id == periodSliderA) {
		periodA = value;
	}
	
	if(id == periodSliderB) {
		periodB = value;
	}
	
	if(id == wavelengthSliderA) {
		wavelengthA = value;
	}
	
	if(id == wavelengthSliderB) {
		wavelengthB = value;
	}
	
	if (id == speedSlider) {
		speed = value;
	}
	
	updateInfoLabel();
}


// ==================================================
// ボタンを押した際に呼ばれる処理（イベントハンドラ）
// ==================================================

void onButtonClick(int id) {
	
	// 時刻リセットボタンが押されたら時刻変数 t をリセット
	if (id == resetButton) {
		t = 0.0;
	}
}

// 波のデータ関連の変数
double waveVertex[ N ][ N ][ 3 ]; // 頂点座標値を格納する配列（最右次元は0=X,1=Y,2=Z）
const int X = 0; // 座標値配列で X 座標を表すインデックス
const int Y = 1; // 座標値配列で Y 座標を表すインデックス
const int Z = 2; // 座標値配列で Z 座標を表すインデックス

// ==================================================
// この関数は、フレームワークから、
// プログラム起動後に1度だけコールされます。
// ==================================================

void onStart(int renderer){
	
	// 波のパラメータの初期値を数値で入力するか尋ね、必要なら入力して設定
	inputParameters();
	
	// 画面サイズを設定
	setWindowSize(820, 800);
	
	// 色を鮮やかにするために環境光を明るめに設定
	setAmbientLightBrightness(1.0);
	
	// カメラ距離とカメラ倍率を設定
	setGraphics3DMagnification(getRenderer(), 1400.0);
	setGraphics3DDistance(getRenderer(), 20.0);
	
	// 波座標系を生成
	initializeCoordinate();
	
	// 波モデルを生成して配置
	initializeModel();
	
	// 画面上のGUI部品を生成して配置
	initializeGUI();
}

// ==================================================
// 台座となる座標系を生成する処理
// ==================================================

void initializeCoordinate(){
	
	// レンダラーのIDを取得（配置の際の引数に必要）
	int renderer = getRenderer();
	
	// 波モデルを配置する座標系（波座標系）を生成して配置
	waveCoordinate = newCoordinate();
	mountCoordinate(waveCoordinate, renderer);
	
	// 波モデルの中心がワールド座標系の中心に来るよう移動
	moveCoordinate(waveCoordinate, -(X_MAX+X_MIN)/2, -(Y_MAX+Y_MIN)/2, 0.0);
	
	// 波源Aの座標系を生成し、波座標系上の波源の位置に配置
	sourceCoordinateA = newCoordinate();
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateA, xA, yA, 0.0);
	mountCoordinate(sourceCoordinateA, renderer, waveCoordinate);
	
	// 波源Bの座標系を生成し、波座標系上の波源の位置に配置
	sourceCoordinateB = newCoordinate();
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateB, xB, yB, 0.0);
	mountCoordinate(sourceCoordinateB, renderer, waveCoordinate);
}


// ==================================================
// モデルを生成する処理
// ==================================================

void initializeModel(){
	
	// レンダラーのIDを取得（配置の際の引数に必要）
	int renderer = getRenderer();
	
	// 四角形グリッド形式で波のモデル（波モデル）を生成して配置
	waveModel = newModel(waveVertex, QUADRANGLE_GRID); // 生成
	setModelColor(waveModel, 0, 0, 255, 255); // 色設定
	setModelCull(waveModel, false, false);    // 裏面カリング（描画省略）を無効化
	mountModel(waveModel, renderer, waveCoordinate); // 配置
	
	// 波源Aを表す球モデル（赤色）を、波源Aの座標系原点に配置
	int sourceModelA = newSphereModel(0.2, 0.2, 0.2, 10, 8); // 生成
	setModelColor(sourceModelA, 255, 0, 0, 255); // 色設定
	mountModel(sourceModelA, renderer, sourceCoordinateA); // 配置
	
	// 波源Bを表す球モデル（緑色）を、波源Bの座標系原点に配置
	int sourceModelB = newSphereModel(0.2, 0.2, 0.2, 10, 8); // 生成
	setModelColor(sourceModelB, 0, 255, 0, 255); // 色設定
	mountModel(sourceModelB, renderer, sourceCoordinateB); // 配置
}

// ==================================================
// この関数は、フレームワークから、1秒間に数十回
//（フレームレート設定依存）繰り返しコールされます。
// ==================================================

void onUpdate(int renderer){
	
	// 波モデルの頂点座標の更新
	updateModelVertex();
	
	// 波モデルの色の更新
	updateModelColor();
	
	// 波源の位置の更新
	updateSourceLocations();
	
	// 時刻を加算（アニメーション速度をかけて変化のスピードを調整）
	t += DT * speed;
}

// ==================================================
// 波モデルの頂点座標を更新する処理
// ==================================================

void updateModelVertex() {
	
	for( int yi=0; yi<N; yi++ ) {
		for( int xi=0; xi<N; xi++ ) {
			
			// 以下、メッシュモデル内の [yi][xi] 番目の頂点（格子点）に注目している
			
			double x = X_MIN + xi * DX; // 注目頂点の x 座標値
			double y = Y_MIN + yi * DY; // 注目頂点の y 座標値
			
			double rA = sqrt( (x-xA)*(x-xA) + (y-yA)*(y-yA) ); // 波源Aからの距離
			double rB = sqrt( (x-xB)*(x-xB) + (y-yB)*(y-yB) ); // 波源Bからの距離
			
			// 円形波の式から、波源Aからの波（波A）と波源Bからの波（波B）のZ値をそれぞれに求める
			double zA = amplitudeA * sin( 2.0 * PI * ( t/periodA - rA/wavelengthA ) ); // 波AのZ値
			double zB = amplitudeB * sin( 2.0 * PI * ( t/periodB - rB/wavelengthB ) ); // 波BのZ値
			
			// 頂点座標値配列に値を格納
			waveVertex[yi][xi][X] = x;
			waveVertex[yi][xi][Y] = y;
			waveVertex[yi][xi][Z] = zA + zB; // 合成波のZ値は、重ね合わせの原理にり波Aと波Bの和
		}
	}
	
	// モデルに頂点座標値配列を渡して形状を更新
	setModelVertex(waveModel, waveVertex, QUADRANGLE_GRID);
}

// ==================================================
// 波モデルの色を更新する処理
// ==================================================

void updateModelColor() {
	
	int polygonIndex = 0;                 // モデル内のポリゴンのインデックス
	for( int yi=0; yi<N-1; yi++ ) {       // メッシュの1方向あたりポリゴン数は頂点数-1なのでN-1
		for( int xi=0; xi<N-1; xi++ ) {
			
			// 以下、モデル内の polygonIndex 番目のポリゴンに注目している
			
			// 波のZ値の最大値（振幅A+振幅B）が1、最小値が0となるようスケーリングしたZ比率を求める
			double ratio = ( waveVertex[yi][xi][Z] / (amplitudeA + amplitudeB) + 1.0 ) / 2.0;
			
			// 振幅Aと振幅Bが共に 0 の場合はZ比率が NaN や Inf になるので、その場合は 0 にする
			if (nan(ratio) || inf(ratio)) {
				ratio = 0.0;
			}
			
			// この処理中に振幅が変更されると、Z比率が 0〜1 の範囲を超える場合があるので、超過分を落とす
			ratio = min(ratio, 1.0);
			ratio = max(ratio, 0.0);
			
			// Z比率の値を用いて、色のRGBA成分（それぞれ0〜255の範囲）を求める
			int red = (int)(ratio * 160);
			int green = (int)(ratio * 255);
			int blue = 255;
			int alpha = 255;
			
			// ポリゴンの色を設定
			setModelPolygonColor(waveModel, polygonIndex, red, green, blue, alpha);
			
			// 次のループで次のポリゴンを処理する
			polygonIndex++;
		}
	}
}

// ==================================================
// 波源の位置を更新する処理
// ==================================================

void updateSourceLocations() {
	double sourceZA = amplitudeA * sin( 2.0 * PI * t/periodA ); // 波源AのZ値
	double sourceZB = amplitudeB * sin( 2.0 * PI * t/periodB ); // 波源BのZ値
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateA, xA, yA, sourceZA);   // 波源Aの座標系の原点位置を設定
	setCoordinateOrigin(sourceCoordinateB, xB, yB, sourceZB);   // 波源Bの座標系の原点位置を設定
}