3d-software-rendering m5stickc/m5stack/console-app/windows-app/ncurses/emscripten/android/raspberry-pi-pico/raspberry-pi-pico2

C++で3Dモデルの表示やゲームなどを作成できます
ソフトウェアレンダリングなのでマイコンボードなどでも動作します
複数のウィンドウ
ワイヤーフレーム、ポリゴン、法線カラー、半透明、テクスチャ
テクスチャパース補正
Directional Light
Ambient
テクスチャなしなら8000ポリゴンくらいまで(m5stickc)
emscriptenを使用すればWebブラウザで動作させることもできます
シングルコアで動作します。2コアで動作するバージョンもあります
タイルマップなど2Dゲームを作成するための機能
multicore
gui
tilemap

M5StickC
console-app
ncurses
windows-app
emscripten
android
raspberry-pi-pico

examples

Arduino以外の環境ではexampleの拡張子を.inoから.cppにしてください
Arduino以外の環境でもsetup関数が最初に呼ばれ、loop関数を繰り返し実行されます

example1

example2

example3

example4

vert:1183, face:2208, vertuv:1183, faceuv:2208,texture:64x32

example4
https://ebicochineal.github.io/E512W3D/emscripten-e512w3d-example4/

exampletm

https://ebicochineal.github.io/E512W3D/emscripten-e512w3d-exampletm/

Blender 3Dファイルエクスポート設定

objファイル
[+] Triangulate Faces
[-] Write Normals
[-] Write Materials

objファイルをスクリプトでhppに変換
pngファイルをスクリプトでhppに変換

M5StickC

arduino ide
M5StickC以外ではテストしていませんが他のボードでも動くかもしれません

M5StickCPlus
M5Stack
M5Stack-Fire
M5Stack-Core2

Arduino IDE設定

ファイル/環境設定/追加のボードマネージャのURL
https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

ツール/ボード/ボードマネージャ
esp32 by Espressif System インストール

ツール/ライブラリを管理
M5StickC インストール
// M5StickCPlus, M5Stack インストール

Arduino IDEで書き込み

console-app

gcc
ncurses導入済みでこっちを使う場合はE512W3DUtilsXの#define USENCURSESをコメントアウト

g++ -std=c++1z ***.cpp -o ***.out

ncurses

gcc, ncurses
ncursesインストール

sudo apt-get install ncurses-dev

g++ -std=c++1z ***.cpp -o ***.out -lncurses

windows-app

mingw

g++ -std=c++1z -static-libstdc++ -static -lstdc++ -mwindows ***.cpp -o ***.exe

emscripten

em++ ./***.cpp -o ./e512w3d.js -s ASYNCIFY

e512w3d.jsとe512w3d.wasmが作成されるかと思います
以下のindex.htmlをテキストエディタなどで作成し
pythonなどでローカルwebサーバを立ち上げwebブラウザでアクセスしてください
index.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="ja">
    <head>
        <meta charset="utf-8">
        <meta name="description" content="emscripten-e512w3d">
        <title>emscripten-e512w3d</title>
        <script src="e512w3d.js"></script>
        <script>
            function CanvasStyleResize () {
                e512w3d_canvas = document.getElementById('e512w3d-canvas');
                e512w3d_ctx = e512w3d_canvas.getContext('2d');
                e512w3d_canvas.style.width = document.documentElement.clientWidth + "px";
                e512w3d_canvas.style.height = document.documentElement.clientWidth/2 + "px";
                e512w3d_canvas.style.imageRendering = "pixelated";
            }
            window.onresize = CanvasStyleResize;
            window.onload = CanvasStyleResize;
        </script>
    </head>
    <body style="margin:0">
        <canvas id="e512w3d-canvas"></canvas>
    </body>
</html>

py -m http.server 8000

http://localhost:8000/

android

Visual Studio 2019
Visual Studio 2019インストールデスクトップとモバイル C++によるモバイル開発

テンプレート Native-Activity
ソリューションのプラットフォームを切り替えるARM64など
プロジェクトのプロパティリンカーコマンドライン追加のオプション -lm
画面の回転を横に固定する AndroidManifest.xml activityタグにandroid:screenOrientation="landscape"を追加
main.cpp削除
E512W3Dのファイルを追加ソリューション名/プロジェクト名/プロジェクト名.NativeActivity/ E512W3D.hpp, E512W3DUtils.hpp, E512W3DUtilsX.hpp, E512W3DWindow.hpp, ***.cpp
プロジェクト名.NativeActivity 追加既存の項目で先ほどのファイルを追加

raspberry-pi-pico / raspberry-pi-pico2

ArduinoIDEでpico1, 2どちらでも動作します
ST7735を搭載した解像度160x80ディスプレイを使用します
必要に応じて変更すれば他のディスプレイを使うことができるかもしれませんE512W3DUtilsX.cppの16~115行のコードを変更してください
ライブラリにバグがあるらしく青と赤が反転しているためE512W3DUtilsX.cppの100行目からの処理で再び反転させています
色が反転する場合はコメントアウトしてください

ボードマネージャで追加してください
どちらでも動作します

Arduino Mbed OS RP2040 Boards
Raspberry Pi Pico/RP2040 (earlephilhower)

オーバークロックする場合はearlephilhower版で簡単にできます
300Mhzでは動作しませんでした250Mhzでは動作しました

pin
pico	GND	3.3V	GPIO18	GPIO19	GPIO22	GPIO28	GPIO17
display	GND	VCC	SCK	SDA	RES	DC	CS

ライブラリマネージャで追加してください

Adafruit_GFX  
Adafruit_ST7735

キー入力, マウス入力

bool keydown (char c)
int cursor_x
int cursor_y
bool cursor_l
bool cursor_m
bool cursor_r

or

E512W3DInput

	m5stickc	console	ncurses	windows	emscripten	android	pico
getKey	no	no	yes	yes	yes	no	no
getKeyUp	no	no	no	yes	yes	no	no
getKeyDown	no	no	no	yes	yes	no	no
getButton	partial	no	no	yes	yes	partial	no
getButtonUp	partial	no	no	yes	yes	partial	no
getButtonDown	partial	no	no	yes	yes	partial	no
cursorPosition	partial	no	no	yes	yes	yes	no

void loop() {
    if (e512w3d.isFixedTime()) {
        E512W3DInput::update();
        if (E512W3DInput::getButtonDown(0)) { /**/ }
    }
}

m5stickc

M5.updateはE512W3DInput::updateで呼ばれます
getButtonはBtnA=0, BtnB=1のみ使えます
M5.Lcd.setRotation(1)で画面を上にした状態を初期状態とし、カーソルは加速度センサーで動かしています

m5stickcでのカーソル位置の確認

void loop () {
    if (e512w3d.isFixedTime()) {
        // E512W3DInput::width = e512w3d.width;
        // E512W3DInput::height = e512w3d.height;
        E512W3DInput::update();
        e512w3d.clear();
        w.begin();
        Vector2 c = E512W3DInput::cursorPosition();
        w.drawLine(0, c.y, e512w3d.width-1, c.y, color565(255, 255, 255));
        w.drawLine(c.x, 0, c.x, e512w3d.height-1, color565(255, 255, 255));
        e512w3d.pushScreen();
    }
}

Draw

Drawにはスクリーン全体、ウィンドウ全体、オブジェクトごとの3種類があります
e512w3dのDraw系メソッドはどれもスクリーン全体描画で次のフレームまで処理を止めるか、すぐに描画するかなどがあります
windowのdrawメソッドはオブジェクトを指定しなければwindow全体となります
オブジェクトを指定のdrawであれば同じオブジェクトを位置をずらして描画したりすることができdrawLineやテキストの表示などもできます
- 始めにe512w3d.clearしてください
- オブジェクトごとのdrawならw.beginもしてください
- 最後にpushScreenしてください

E512W3DWindow w;
Object3D a;

void loop () {
    //
    e512w3d.draw();
}

void loop () {
    //
    e512w3d.fixedDrawWait();
}

void loop () {
    //
    e512w3d.fixedDraw();
}

void loop () {
    //
    e512w3d.fixedWait();
    e512w3d.draw();
}

void loop () {
    //
    e512w3d.fixedWait();
    e512w3d.clear();
    w.draw();
    e512w3d.pushScreen();
}

void loop () {
    //
    e512w3d.fixedWait();
    e512w3d.clear();
    w.begin();
    w.draw(a);
    w.println("text");
    e512w3d.pushScreen();
}

void loop () {
    //
    if (e512w3d.isFixedTime()) {
        e512w3d.draw();
    }
}

void loop () {
    //
    if (e512w3d.isFixedTime()) {
        //
        e512w3d.clear();
        w.draw();
        e512w3d.pushScreen();
    }
}

void loop () {
    //
    if (e512w3d.isFixedTime()) {
        //
        e512w3d.clear();
        w.begin();
        w.draw(a);
        w.println("text");
        e512w3d.pushScreen();
    }
}

E512Array

Arduino環境では可変長配列が無かったため可変長配列を作りました
std::vectorと大体同じように使えるかと思います
クラスや構造体は引数無しコンストラクタが無い場合エラーになります

可変長配列とポインタ
E512W3DWindowはdrawメソッドで登録したオブジェクトを描画するためにObject3D*型の変数を持っています

E512W3DWindow w;
E512Array<Object3D> objs;
void setup () {
    ...
    Object3D o;
    // meshなど設定
    objs.emplace_back(o);
    w.addChild(objs[0]);
    ...
}

この場合動作しますが
addChildのあとにobjsに追加すると
配列の再確保によりwに保存されているObject3D*がobjs[0]を示さなくなりエラーになります
そのためobjsはE512Array<Object3D*>で作った方が良いです

E512W3DWindow w;
E512Array<Object3D*> objs;
void setup () {
    ...
    Object3D* o = new Object3D();
    // meshなど設定
    objs.emplace_back(o);
    w.addChild(*objs[0]);
    ...
}

このようにすれば配列が再確保されたとしても動作します

文字出力

e512w3dのdrawメソッドで画面全体の描画を行わないのであれば文字の出力ができます
出力できるのはchar, const char[], E512Array<uint8_t>です
表示用の文字列はstd::stringなどを使用せずE512Array<uint8_t>を使ってください

E512Array<uint8_t> str = cptou8a("hello world");

drawCharメソッドで任意の位置に文字を出力できます

printメソッド

文字列出力を行えます
printlnメソッドで文字列の出力と改行を行えます
wordwrapを指定することで折り返しの制御を行えます
位置を指定するにはsetTextCursorメソッドを使用してください

フォントは幅6高さ12ピクセルの物を用意しています
サイズは2倍3倍などの拡大も可能です
atok関数で日本式ローマ字文字列を半角カタカナ文字列に変換することができますが、そこそこ重いので毎フレーム同じ文字列を変換して表示するのは避けた方が良いです

void loop () {
    if (e512w3d.isFixedTime()) {
        e512w3d.clear();
        w.begin();
        w.draw();// window 3d object draw
        w.println("text");
        w.println(atok("haro-wa-rudo"));
        w.println(numtostr(1234));
        w.println(1234);
        w.println(0.1234);
        e512w3d.pushScreen();
    }
}

画面上のオブジェクトの位置にテキストを表示したい場合はscreenPositionで座標を取得できます

Vector3 p = w.screenPosition(a);
w.setTextCursor(p.x, p.y);
w.print("text");

printメソッドで背景色を使用するにはtext_use_bgcolorをtrueにしてください

w.text_use_bgcolor = true;
w.text_bgcolor = color565(255,0,0);

RayCast

Rayを作成しオブジェクトとのRay判定ができます

スクリーン座標からのRayの作成
Ray (int x, int y, Matrix4x4 view, Matrix4x4 proj)
座標sから座標eへのRayの作成
Ray (Vector3 s, Vector3 e)
オブジェクトとのHit判定
RaycastHit hit = obj.raycast(ray)
RaycastHit構造体
- hit.distance Hitした距離 Hitしなかった場合は-1
- hit.u, hit.v テクスチャUV座標
- hit.point RayがHitしたワールド座標
- hit.triangleindex Meshのfacesのインデックス

３Dペイント例

example4のloop関数を書き換えます
動作確認する際はカーソルの移動が可能なwindows-app, emscripten, M5StickCなどで実行してください
このモデルはテクスチャの一部を複数のポリゴンと共有しているため右を塗ると左のテクスチャも変わります
テクスチャのカラーはcolor1555を渡してください
RenderTypeはPolygonTexturePerspectiveCorrectを指定します

// example4 loop
void loop () {
    if (e512w3d.isFixedTime()) {
        // E512W3DInput::width = e512w3d.width;
        // E512W3DInput::height = e512w3d.height;
        E512W3DInput::update();
        a.rotation *= Quaternion::angleAxis(5.0, Vector3(0, 1, 0));
        e512w3d.clear();
        w.begin();
        
        Vector2 c = E512W3DInput::cursorPosition();
        // c.x -= w.sx;// screen position -> window position
        // c.y -= w.sy;// screen position -> window position
        Ray r(c.x, c.y, w.view, w.projscreen);
        RaycastHit hit = a.raycast(r);
        if (hit.distance > -1) {
            // color1555 texture color A1 R5 G5 B5
            ebi_64_32_texture.setColor(hit.u, hit.v, color1555(0, 255, 255, 255));
        }
        
        w.draw();
        
        // cursor line
        w.drawLine(0, c.y, e512w3d.width-1, c.y, color565(255, 255, 255));
        w.drawLine(c.x, 0, c.x, e512w3d.height-1, color565(255, 255, 255));
        a.render_type = RenderType::PolygonTexturePerspectiveCorrect;
        
        e512w3d.pushScreen();
    }
}

おまじない

最初にM5StickC向けに作りました
そのコードを他の環境でも変更することなく動くように作りました
そのため以下のコードは他の環境では不要に思えますがとりあえず消さないでください
とくにpicoではM5.begin()でlcdの初期化をしています
M5環境では普通に機能すると思うのでバックライトの明るさや画面の回転は変更できます

M5.begin();
M5.Lcd.setRotation(1);
M5.Axp.ScreenBreath(9);
M5.IMU.Init();

E512Array<uint8_t> numtostr (int v)
E512Array<uint8_t> numtostr (float v, uint8_t n = 4)
uint16_t color565 (uint16_t r, uint16_t g, uint16_t b)
uint16_t color1555 (uint16_t a, uint16_t r, uint16_t g, uint16_t b)
E512Array<uint8_t> cptou8a (const char* cp)
E512Array<uint8_t> atok (E512Array<uint8_t>& u8a)
E512Array<uint8_t> atok (const char* cp)
float lerp (float a, float b, float v)
uint64_t xrnd()
int u8aToInt (E512Array<uint8_t>& t)
E512Array u8aToIntArray (E512Array<uint8_t>& a)
void writeHTMLTextArea (const char* textareaid, const char* text)
E512Array<uint8_t> readHTMLTextArea (const char* textareaid)

E512Array

uint32_t size ()
uint32_t capacity ()
void shrink_to_fit ()
void reserve (uint32_t sz)
void resize (uint32_t sz, T c = T())
void emplace_back (T t)
void push_back (T t)
void pop_back (T t)
void erase_index (int index)
void erase_value (T t)
void clear ()
T& front ()
T& back ()

E512Point

int x, y

E512W3DInput

static void update ()
static bool getKey (uint8_t c)
static bool getKeyUp (uint8_t c)
static bool getKeyDown (uint8_t c)
static bool getButton (uint8_t c)
static bool getButtonUp (uint8_t c)
static bool getButtonDown (uint8_t c)
static Vector2 cursorPosition ()

E512W3DWindowManager

E512W3DWindowManager ()
void begin ()
void add (E512W3DWindow& w)
void draw ()
void fixedWait ()
void fixedDraw ()
void fixedDrawWait ()
bool isFixedTime ()
void pushScreen ()
uint16_t fixed_milli_time = 33
void clear ()

E512W3DWindow

Object3D* camera; E512W3DWindow ()
E512W3DWindow (uint16_t bgcolor)
E512W3DWindow (int16_t sx, int16_t sy, uint16_t width, uint16_t height)
E512W3DWindow (int16_t sx, int16_t sy, uint16_t width, uint16_t height, uint16_t bgcolor)
E512W3DWindow (int16_t sx, int16_t sy, uint16_t width, uint16_t height, uint16_t bgcolor, Vector3 light)
void resize (uint16_t width, uint16_t height)
void setDirectionalLight (float x, float y, float z)
void setDirectionalLight(Vector3(x, y, z))
void addChild (Object3D& o)
void setCamera (Object3D& o)
int16_t sx = 0
int16_t sy = 0
uint16_t width
uint16_t height
uint16_t bgcolor
float ambient = 0 // 0f - 1f
float light_strength = 1.0f;
bool isortho = false float ortho_size = 0.1f void draw ()
void draw (Object3D& obj, bool child = false)
void drawObjestAxis (Object3D& obj)
void drawLine (Object3D& start, Object3D& end, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawLine (Vector3 start, Vector3 end, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawLine (uint16_t sx, uint16_t sy, uint16_t ex, uint16_t ey, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawPoint (Object3D& obj, uint16_t size = 1, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawPoint (Vector3 p, uint16_t size = 1, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawPoint (int16_t px, int16_t py, uint16_t size = 1, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawCircle (int16_t sx, int16_t sy, int16_t ex, int16_t ey, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawRect (int16_t sx, int16_t sy, int16_t ex, int16_t ey, uint16_t color = 0xFFFF)
void drawTexture (int16_t sx, int16_t sy, Texture& tex, bool flipx = false)
void drawTexture (int16_t sx, int16_t sy, int16_t ex, int16_t ey, Texture& tex, bool flipx = false)

void begin (bool color_buffer_clear = true, bool z_buffer_clear = true)
Vector3 screenPosition (Object3D& obj)
Vector3 screenPosition (Vector3 p)

uint16_t text_color;
uint16_t text_bgcolor;
bool text_use_bgcolor;
void setTextCursor (int16_t x, int16_t y)
void setTextSize (uint16_t n)
void print (E512Array<uint8_t> v, bool wordwrap = true)
void println (E512Array<uint8_t> v, bool wordwrap = true)
void print (const char* cp, bool wordwrap = true)
void println (const char* cp, bool wordwrap = true)
void print (const uint8_t c, bool wordwrap = true)
void println (const uint8_t c, bool wordwrap = true)
void print (const char c, bool wordwrap = true)
void println (const char c, bool wordwrap = true)
void print (const int n, bool wordwrap = true)
void println (const int n, bool wordwrap = true)
void print (const size_t n, bool wordwrap = true)
void println (const size_t n, bool wordwrap = true)
void print (const double n, bool wordwrap = true)
void println (const double n, bool wordwrap = true)
void print (const float n, bool wordwrap = true)
void println (const float n, bool wordwrap = true)

void drawTextureTXYWH (int16_t sx, int16_t sy, int16_t tex_x, int16_t tex_y, int16_t tex_w, int16_t tex_h, Texture& tex, bool flipx = false)
void drawTextureTXYWHZ (int16_t sx, int16_t sy, int16_t tex_x, int16_t tex_y, int16_t tex_w, int16_t tex_h, uint16_t z, Texture& tex, bool flipx = false)

Matrix4x4 view
Matrix4x4 projscreen

Object3D

Vector3 position
Quaternion rotation
Vector3 scale
Mesh* mesh
Object3D* parent
uint16_t render_type = RenderType::WireFrame
E512Array<Object3D*> child
void setParent (Object3D& o)
void addChild (Object3D& o)
Matrix4x4 worldMatrix ()
Vector3 worldPosition ()
Vector3 forward ()
Vector3 back ()
Vector3 up ()
Vector3 down ()
Vector3 right ()
Vector3 left ()
RaycastHit raycast (Ray r)

PerlinNoise

static float getNoise (float x, float y)

E512PriorityQueueMin

E512PriorityQueueMax

T top ()
bool empty ()
void clear ()
void reserve (uint32_t sz)
void emplace (Args... args)
void push (T t)
void pop ()

E512Edge

int a, b, cost

E512GraphDijkstra

E512Array path
E512Array rpath
int pathcost
E512GraphDijkstra (int n, E512Array<E512Edge>& edges, bool undir = false)
E512GraphDijkstra (E512Array<E512Edge>& edges, bool undir = false)
void costUpdate (E512Array<E512Edge>& edges, bool undir = false)
void calcPath (int start_i, int end_i)

Ray

Vector3 position
Vector3 direction
float distance
Ray ()
Ray (Vector3 s, Vector3 e)
Ray (int x, int y, Matrix4x4 view, Matrix4x4 projscreen)
float raytriangle (Vector3 v1, Vector3 v2, Vector3 v3)
float raytriangle (Vector3 v1, Vector3 v2, Vector3 v3, float& u, float& v)

RaycastHit

Vector3 point
float u, v, distance
uint32_t triangleindex

Mesh

void addVertex (float x, float y, float z)
void addVertex (Vector3 v)
void addFace (uint16_t a, uint16_t b, uint16_t c)
void addFace (Face f)
void addVertexUV (float x, float y)
void addVertexUV (Vector2 v)
void addFaceUV (uint16_t a, uint16_t b, uint16_t c)
void addFaceUV (Face f)

Face

uint16_t a, b, c

Texture

Texture (uint16_t width, uint16_t height, uint16_t* pixels)
virtual uint16_t getColor (float u, float v)
virtual void setColor (float u, float v, uint16_t color)
virtual uint16_t getColorXY (uint16_t x, uint16_t y)
virtual void setColorXY (uint16_t x, uint16_t y, uint16_t color)

CTexture : Texture

CTexture (uint16_t width, uint16_t height, const uint16_t* pixels)
uint16_t getColor (float u, float v)
uint16_t getColorXY (uint16_t x, uint16_t y)

Quaternion

static Quaternion angleAxis (float w, float x, float y, float z)
static Quaternion angleAxis (float w, Vector3 v)

enum RenderType

WireFrame
PolygonColor
PolygonNormal
PolygonTranslucent
PolygonTexture
PolygonTextureDoubleFace
PolygonTexturePerspectiveCorrect
PolygonTexturePerspectiveCorrectDoubleFace
Hide
None

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3d-software-rendering m5stickc/m5stack/console-app/windows-app/ncurses/emscripten/android/raspberry-pi-pico/raspberry-pi-pico2

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Blender 3Dファイルエクスポート設定

M5StickC

console-app

ncurses

windows-app

emscripten

android

raspberry-pi-pico / raspberry-pi-pico2

キー入力, マウス入力

m5stickc

Draw

E512Array

文字出力

printメソッド

RayCast

３Dペイント例

おまじない

E512Array

E512Point

E512W3DInput

E512W3DWindowManager

E512W3DWindow

Object3D

PerlinNoise

E512PriorityQueueMin

E512PriorityQueueMax

E512Edge

E512GraphDijkstra

Ray

RaycastHit

Mesh

Face

Texture

CTexture : Texture

Quaternion

enum RenderType