548 lines
19 KiB
C++
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19 KiB
C++
#include "ParticleSimApplication.h"
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#include "ParticleSimGLCanvas.h"
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#include <nanogui/window.h>
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#include <nanogui/formhelper.h>
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#include <nanogui/layout.h>
|
|
#include <nanogui/label.h>
|
|
#include <nanogui/checkbox.h>
|
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#include <nanogui/button.h>
|
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#include <nanogui/toolbutton.h>
|
|
#include <nanogui/popupbutton.h>
|
|
#include <nanogui/combobox.h>
|
|
#include <nanogui/progressbar.h>
|
|
#include <nanogui/messagedialog.h>
|
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#include <nanogui/textbox.h>
|
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#include <nanogui/slider.h>
|
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#include <nanogui/imagepanel.h>
|
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#include <nanogui/imageview.h>
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#include <nanogui/vscrollpanel.h>
|
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#include <nanogui/colorwheel.h>
|
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#include <nanogui/graph.h>
|
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#include <nanogui/tabwidget.h>
|
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#include <nanogui/opengl.h>
|
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|
#include <fstream>
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#include <random>
|
|
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|
using namespace gti320;
|
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|
namespace {
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|
static const float deltaT = 0.01667f;
|
|
|
|
|
|
/**
|
|
* Crée un système masse-ressort qui simule un tissu suspendu
|
|
*/
|
|
static inline void createHangingCloth(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
|
|
particleSystem.clear();
|
|
|
|
const int N = 16;
|
|
const int x_start = 240;
|
|
const int y_start = 80;
|
|
const int dx = 32;
|
|
const int dy = 32;
|
|
|
|
int index = 0;
|
|
for (int i = 0; i < N; ++i) {
|
|
for (int j = 0; j < N; ++j) {
|
|
const int x = x_start + j * dx;
|
|
const int y = y_start + i * dy;
|
|
|
|
Particle particle(Vector2f(x, y), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
|
|
if (j == 0 && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
|
|
if (j == (N - 1) && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
|
|
particleSystem.addParticle(particle);
|
|
|
|
if (i > 0) {
|
|
Spring s(index - N, index, k, (float) dy);
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
}
|
|
if (j > 0) {
|
|
Spring s(index - 1, index, k, (float) dx);
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
}
|
|
|
|
if (i > 0 && j > 0) {
|
|
Spring s(index - N - 1, index, k, std::sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
}
|
|
++index;
|
|
}
|
|
}
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/**
|
|
* Crée un système masse-ressort qui simule un grand tissu suspendu
|
|
*/
|
|
static inline void createLargeHangingCloth(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
|
|
particleSystem.clear();
|
|
|
|
const int N = 32;
|
|
const int x_start = 240;
|
|
const int y_start = 80;
|
|
const int dx = 16;
|
|
const int dy = 16;
|
|
|
|
int index = 0;
|
|
for (int i = 0; i < N; ++i) {
|
|
for (int j = 0; j < N; ++j) {
|
|
const int x = x_start + j * dx;
|
|
const int y = y_start + i * dy;
|
|
|
|
Particle particle(Vector2f(x, y), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
|
|
if (j == 0 && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
|
|
if (j == (N - 1) && i == (N - 1)) particle.fixed = true;
|
|
particleSystem.addParticle(particle);
|
|
if (i > 0) {
|
|
Spring s(index - N, index, k, (float) dy);
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
}
|
|
if (j > 0) {
|
|
Spring s(index - 1, index, k, (float) dx);
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
}
|
|
|
|
if (i > 0 && j > 0) {
|
|
Spring s(index - N - 1, index, k, std::sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
}
|
|
++index;
|
|
}
|
|
}
|
|
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* Crée un système masse-ressort qui simule une corde suspendu par ses
|
|
* extrémités.
|
|
*/
|
|
static inline void createHangingRope(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
|
|
particleSystem.clear();
|
|
|
|
const int N = 20;
|
|
const int x_start = 200;
|
|
const int dx = 32;
|
|
|
|
int index = 0;
|
|
for (int j = 0; j < N; ++j) {
|
|
const int x = x_start + j * dx;
|
|
const int y = 480;
|
|
|
|
Particle particle(Vector2f(x, y), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
|
|
particle.fixed = (index == 0) || (index == N - 1);
|
|
particleSystem.addParticle(particle);
|
|
if (j > 0) {
|
|
Spring s(index - 1, index, k, (float) dx);
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
}
|
|
++index;
|
|
}
|
|
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* Crée un système masse-ressort qui simule une poutre flexible
|
|
*/
|
|
static inline void createBeam(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
|
|
particleSystem.clear();
|
|
|
|
const int N = 20;
|
|
const int x_start = 200;
|
|
const int y_start = 400;
|
|
const int dx = 32;
|
|
const int dy = 32;
|
|
|
|
int index = 0;
|
|
for (int j = 0; j < N; ++j) {
|
|
const int x = x_start + j * dx;
|
|
|
|
// Bottom particle
|
|
{
|
|
Particle particle(Vector2f(x, y_start), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
|
|
particle.fixed = (j == 0);
|
|
particleSystem.addParticle(particle);
|
|
if (j > 0) {
|
|
Spring s(index - 1, index, k, (float) sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
Spring s2(index - 2, index, k, (float) dx);
|
|
particleSystem.addSpring(s2);
|
|
|
|
}
|
|
++index;
|
|
}
|
|
|
|
|
|
// Top particle
|
|
{
|
|
Particle particle(Vector2f(x, y_start + dy), Vector2f(0, 0), Vector2f(0, 0), 1.0);
|
|
particle.fixed = (j == 0);
|
|
particleSystem.addParticle(particle);
|
|
Spring s(index - 1, index, k, (float) dy);
|
|
particleSystem.addSpring(s);
|
|
if (j > 0) {
|
|
Spring s2(index - 2, index, k, (float) dx);
|
|
particleSystem.addSpring(s2);
|
|
Spring s3(index - 3, index, k, (float) sqrt((float) dx * dx + (float) dy * dy));
|
|
particleSystem.addSpring(s3);
|
|
}
|
|
++index;
|
|
}
|
|
}
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/**
|
|
* TODO Créez votre propre exemple
|
|
*/
|
|
static inline void createVotreExemple(ParticleSystem &particleSystem, float k) {
|
|
particleSystem.clear();
|
|
|
|
// TODO Amusez-vous. Rendu ici, vous le méritez.
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
ParticleSimApplication::ParticleSimApplication() : nanogui::Screen(nanogui::Vector2i(1280, 720),
|
|
"GTI320 Labo Physique lineaire", true, false, true,
|
|
true, false, 4, 1), m_particleSystem(),
|
|
m_stepping(false), m_fpsCounter(0), m_fpsTime(0.0), m_maxIter(10),
|
|
m_solverType(kGaussSeidel) {
|
|
initGui();
|
|
|
|
createBeam(m_particleSystem, m_stiffness); // le modèle "poutre" est sélectionné à l'initialisation
|
|
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
|
|
|
|
perform_layout();
|
|
reset();
|
|
}
|
|
|
|
void ParticleSimApplication::initGui() {
|
|
// Initialisation de la fenêtre
|
|
m_window = new nanogui::Window(this, "Particle sim");
|
|
m_window->set_position(nanogui::Vector2i(8, 8));
|
|
m_window->set_layout(new nanogui::GroupLayout());
|
|
|
|
// initialisation du canvas où est affiché le système de particules
|
|
m_canvas = new ParticleSimGLCanvas(this);
|
|
m_canvas->set_background_color({255, 255, 255, 255});
|
|
m_canvas->set_size({1000, 600});
|
|
m_canvas->set_draw_border(false);
|
|
|
|
// Initialisation de la fenêtre de contrôle
|
|
nanogui::Window *controls = new nanogui::Window(this, "Controls");
|
|
controls->set_position(nanogui::Vector2i(960, 10));
|
|
controls->set_layout(new nanogui::GroupLayout());
|
|
|
|
Widget *tools = new Widget(controls);
|
|
tools->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 20));
|
|
|
|
// Intervalles des curseur
|
|
const auto stiffnessMinMax = std::make_pair<float, float>(0.0f, logf(5000.f));
|
|
const auto iterMinMax = std::make_pair<float, float>(1.f, 100.f);
|
|
|
|
// Affichage du FPS
|
|
m_panelFPS = new Widget(tools);
|
|
m_panelFPS->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
|
|
m_labelFPS = new nanogui::Label(m_panelFPS, "FPS :");
|
|
m_textboxFPS = new nanogui::TextBox(m_panelFPS);
|
|
m_textboxFPS->set_fixed_width(60);
|
|
m_textboxFPS->set_value("0");
|
|
|
|
// Affichage du numéro de frame
|
|
m_panelFrames = new Widget(tools);
|
|
m_panelFrames->set_layout(
|
|
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
|
|
m_labelFrames = new nanogui::Label(m_panelFrames, "Frame :");
|
|
m_textboxFrames = new nanogui::TextBox(m_panelFrames);
|
|
m_textboxFrames->set_fixed_width(60);
|
|
m_textboxFrames->set_value("0");
|
|
|
|
// Boutons pour le choix du solveur
|
|
m_panelSolver = new Widget(tools);
|
|
m_panelSolver->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
|
|
new nanogui::Label(m_panelSolver, "Solver : ");
|
|
nanogui::Button *b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "Gauss-Seidel");
|
|
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
|
|
b->set_pushed(true);
|
|
b->set_callback([this] { m_solverType = kGaussSeidel; });
|
|
b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "Gauss-Seidel (coloration)");
|
|
b->set_callback([this] { m_solverType = kColorGaussSeidel; });
|
|
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
|
|
b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "Cholesky");
|
|
b->set_callback([this] { m_solverType = kCholesky; });
|
|
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
|
|
b = new nanogui::Button(m_panelSolver, "None");
|
|
b->set_callback([this] { m_solverType = kNone; });
|
|
b->set_flags(nanogui::Button::RadioButton);
|
|
|
|
// Curseur de rigidité
|
|
Widget *panelSimControl = new Widget(tools);
|
|
panelSimControl->set_layout(
|
|
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
|
|
m_panelStiffness = new Widget(panelSimControl);
|
|
m_panelStiffness->set_layout(
|
|
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
|
|
m_labelStiffness = new nanogui::Label(m_panelStiffness, "Stiffness : ");
|
|
m_sliderStiffness = new nanogui::Slider(m_panelStiffness);
|
|
m_sliderStiffness->set_range(stiffnessMinMax);
|
|
m_textboxStiffness = new nanogui::TextBox(m_panelStiffness);
|
|
m_sliderStiffness->set_callback([this](float value) {
|
|
m_stiffness = std::exp(value);
|
|
onStiffnessSliderChanged();
|
|
});
|
|
m_sliderStiffness->set_value(std::log(300.f));
|
|
|
|
// Curseur du nombre maximum d'itération pour Jacobi et Gauss-Seidel
|
|
Widget *panelMaxIter = new Widget(panelSimControl);
|
|
panelMaxIter->set_layout(
|
|
new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Horizontal, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
|
|
new nanogui::Label(panelMaxIter, "Max iterations : ");
|
|
nanogui::Slider *sliderMaxIter = new nanogui::Slider(panelMaxIter);
|
|
sliderMaxIter->set_range(iterMinMax);
|
|
nanogui::TextBox *textboxMaxIter = new nanogui::TextBox(panelMaxIter);
|
|
textboxMaxIter->set_value(std::to_string(m_maxIter));
|
|
sliderMaxIter->set_value(m_maxIter);
|
|
sliderMaxIter->set_callback([this, textboxMaxIter](float value) {
|
|
m_maxIter = (int) value;
|
|
textboxMaxIter->set_value(std::to_string(m_maxIter));
|
|
});
|
|
|
|
// Bouton «Simulate»
|
|
nanogui::Button *startStopButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Simulate");
|
|
startStopButton->set_flags(nanogui::Button::ToggleButton);
|
|
startStopButton->set_change_callback([this](bool val) {
|
|
m_stepping = val;
|
|
if (val) {
|
|
m_prevTime = glfwGetTime();
|
|
draw_all();
|
|
}
|
|
});
|
|
|
|
// Bouton «Step»
|
|
nanogui::Button *stepButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Step");
|
|
stepButton->set_callback([this] {
|
|
if (!m_stepping)
|
|
step(deltaT);
|
|
});
|
|
|
|
// Bouton «Reset»
|
|
nanogui::Button *resetButton = new nanogui::Button(panelSimControl, "Reset");
|
|
resetButton->set_callback([this] {
|
|
reset();
|
|
});
|
|
|
|
// Boutons pour le choix du modèle
|
|
Widget *panelExamples = new Widget(tools);
|
|
panelExamples->set_layout(new nanogui::BoxLayout(nanogui::Orientation::Vertical, nanogui::Alignment::Middle, 0, 5));
|
|
new nanogui::Label(panelExamples, "Examples : ");
|
|
nanogui::Button *loadClothButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Cloth");
|
|
loadClothButton->set_callback([this] {
|
|
createHangingCloth(m_particleSystem, m_stiffness);
|
|
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
|
|
reset();
|
|
});
|
|
nanogui::Button *loadLargeClothButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Large cloth");
|
|
loadLargeClothButton->set_callback([this] {
|
|
createLargeHangingCloth(m_particleSystem, m_sliderStiffness->value());
|
|
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
|
|
reset();
|
|
});
|
|
|
|
|
|
nanogui::Button *loadBeamButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Beam");
|
|
loadBeamButton->set_callback([this] {
|
|
createBeam(m_particleSystem, m_stiffness);
|
|
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
|
|
reset();
|
|
});
|
|
|
|
nanogui::Button *loadRopeButton = new nanogui::Button(panelExamples, "Rope");
|
|
loadRopeButton->set_callback([this] {
|
|
createHangingRope(m_particleSystem, m_stiffness);
|
|
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
|
|
reset();
|
|
});
|
|
|
|
nanogui::Button *loadVotreExemple = new nanogui::Button(panelExamples, "Le vôtre");
|
|
loadVotreExemple->set_callback([this] {
|
|
createVotreExemple(m_particleSystem, m_stiffness);
|
|
m_particleSystem.pack(m_p0, m_v0, m_f0);
|
|
reset();
|
|
});
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/**
|
|
* Réaction aux événements déclenchés par le clavier
|
|
*/
|
|
bool ParticleSimApplication::keyboard_event(int key, int scancode, int action, int modifiers) {
|
|
if (Screen::keyboard_event(key, scancode, action, modifiers))
|
|
return true;
|
|
if (key == GLFW_KEY_ESCAPE && action == GLFW_PRESS) {
|
|
set_visible(false);
|
|
return true;
|
|
}
|
|
return false;
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* Boucle principale
|
|
*
|
|
* Cette fonction est appelée périodiquement lorsque le programme est actif.
|
|
* C'est ici que tout se passe. Si la simulation est en cours, la fonction
|
|
* `step` est appelée pour faire avancer le système d'un intervalle de temps
|
|
* DELTA_T. Ensuite, l'affichage est mis à jour.
|
|
*/
|
|
void ParticleSimApplication::draw_contents() {
|
|
Screen::draw_contents();
|
|
|
|
if (m_stepping) {
|
|
auto now = glfwGetTime();
|
|
float dt = now - m_prevTime;
|
|
|
|
step(deltaT);
|
|
|
|
// Update frames per second
|
|
//
|
|
m_fpsTime += dt;
|
|
++m_fpsCounter;
|
|
if (m_fpsCounter > 30) {
|
|
const float fps = (float) m_fpsCounter / m_fpsTime;
|
|
char buf[64];
|
|
snprintf(buf, sizeof(buf), "%3.1f", fps);
|
|
m_fpsCounter = 0;
|
|
m_fpsTime = 0.0;
|
|
m_textboxFPS->set_value(buf);
|
|
}
|
|
m_prevTime = now;
|
|
|
|
updateFrameCounter();
|
|
}
|
|
|
|
redraw();
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* Appelée lorsque le curseur de rigidité est modifié. La nouvelle rigidité est
|
|
* affectée à tous les ressorts
|
|
*/
|
|
void ParticleSimApplication::onStiffnessSliderChanged() {
|
|
// Update all springs with the slider value
|
|
for (Spring &s: getParticleSystem().getSprings()) {
|
|
s.k = m_stiffness;
|
|
}
|
|
|
|
char buf[16];
|
|
snprintf(buf, sizeof(buf), "%4.0f", m_stiffness);
|
|
m_textboxStiffness->set_value(buf);
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* Effectue un pas de simulation de taille dt.
|
|
*/
|
|
void ParticleSimApplication::step(float dt) {
|
|
// Construction des matrices de masse et de rigidité
|
|
//
|
|
m_particleSystem.buildMassMatrix(m_M);
|
|
m_particleSystem.buildDfDx(m_dfdx);
|
|
|
|
// Calcul des forces actuelles sur chacune de sparticules
|
|
//
|
|
m_particleSystem.computeForces();
|
|
m_canvas->applyMouseSpring();
|
|
|
|
// Assemblage des vecteurs d'états.
|
|
//
|
|
m_particleSystem.pack(m_x, m_v, m_f);
|
|
|
|
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
|
|
// TODO Construire le système d'équation linéaire sous la forme `A*v_plus = b`.
|
|
// la construction de A et b est donnée dans les diapos du Cours 8.
|
|
//
|
|
// Note : lors du calcul de b, NE PAS calculer `Mg + Kx` ce
|
|
// calcul est inutilement coûteux. Pour être plus efficace, on utilise
|
|
// directement le vecteur d'état m_f.
|
|
//
|
|
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
|
|
// Remarque : A et b sont déclarés `const` et ce n'est pas une erreur. C'est
|
|
// pour vous forcer à optimiser votre code.
|
|
//
|
|
// Considérez les exemples suivants :
|
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// # Version 1
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// Matrix A; // constructeur par défaut
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// A = B + C; // operator+ on construit une matrice et elle est suite copiée avec operator=
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// # Version 2
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// Matrix A = B + C; // la matrice construite dans operator+ est la matrice A.
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// Bilan : Version 1 utilise 2 constructeurs et 1 opérateur de copie
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// Version 2 utilise un seul constructeur et aucune copie
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const Matrix<float, Dynamic, Dynamic> A = m_M + -1.0f * std::pow(deltaT, 2.0f) * m_dfdx;
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const Vector<float, Dynamic> b = deltaT * m_f + m_v;
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// Résolution du système d'équations `A*v_plus = b`.
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Vector<float, Dynamic> v_plus;
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Vector<float, Dynamic> acc; // vecteur d'accélérations
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switch (m_solverType) {
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case kGaussSeidel:
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gaussSeidel(A, b, v_plus, m_maxIter);
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break;
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case kColorGaussSeidel:
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gaussSeidelColor(A, b, v_plus, m_graphColor.getPartitions(), m_maxIter);
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break;
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case kCholesky:
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cholesky(A, b, v_plus);
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break;
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default:
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case kNone:
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// N'utilise pas de solveur, il s'agit de l'implémentation naive de
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// l'intégration d'Euler.
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acc.resize(m_M.rows()); // vecteur d'accélérations
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for (int i = 0; i < m_M.rows(); ++i)
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acc(i) = (1.0 / m_M(i, i)) * m_f(i);
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v_plus = m_v + dt * acc;
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break;
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}
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// TODO Mise à jour du vecteur d'état de position via l'intégration d'Euler
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// implicite. Les nouvelles position sont calculées à partir des position
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// actuelles m_x et des nouvelles vitesses v_plus. Les nouvelles positions
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// sont stockées directement dans le vecteur m_x.
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m_x = m_x + dt * v_plus;
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// Affecte les valeurs calculées dans le vecteurs d'états aux particules du
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// système
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m_particleSystem.unpack(m_x, v_plus);
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}
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/**
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* Réinitialisation du système de particules
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*/
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void ParticleSimApplication::reset() {
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m_frameCounter = 0;
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m_particleSystem.unpack(m_p0, m_v0);
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m_graphColor.color(m_particleSystem);
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onStiffnessSliderChanged();
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}
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/**
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* Mise à jour du compteur de frames
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*/
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|
void ParticleSimApplication::updateFrameCounter() {
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++m_frameCounter;
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char buf[16];
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snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", m_frameCounter);
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m_textboxFrames->set_value(buf);
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}
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