歩行ロボットの実験

地面の上をロボットが歩いているようなアニメーションを表示するプログラムを作ってみましょう．これまでに作ったプログラムをベースを改造するのが手っ取り早いと思いますが，うまく行かなければ下の手順を参考にしてください．このプログラムは結構長いので，時間が無ければ Web ページからコピーアンドペーストして構いません．ソースファイル名は prog7.c としてください．

下のプログラムは地面の上に立っている四角い箱でできたロボットのような物体（箱男）を静止画で表示します．これが地面の上を歩き回るようにしてください．歩き方は自由ですが，できるだけ自然に歩いているように見えるようにしてください．

#include <stdlib.h>
#include <GL/glut.h>

#define STEPCYCLE 400   /* 手足のひと振りに要する時のフレーム数　　 */
#define WALKCYCLE 4000  /* ステージ上を一周するのに要するフレーム数 */

/*
 * 直方体を描く
 */
static void myBox(double x, double y, double z)
{
  GLdouble hx = x * 0.5, hz = z * 0.5;

  GLdouble vertex[][3] = {
    { -hx,   -y, -hz },
    {  hx,   -y, -hz },
    {  hx,  0.0, -hz },
    { -hx,  0.0, -hz },
    { -hx,   -y,  hz },
    {  hx,   -y,  hz },
    {  hx,  0.0,  hz },
    { -hx,  0.0,  hz }
  };

  const static int face[][4] = {
    { 0, 1, 2, 3 },
    { 1, 5, 6, 2 },
    { 5, 4, 7, 6 },
    { 4, 0, 3, 7 },
    { 4, 5, 1, 0 },
    { 3, 2, 6, 7 }
  };

  const static GLdouble normal[][3] = {
    { 0.0, 0.0,-1.0 },
    { 1.0, 0.0, 0.0 },
    { 0.0, 0.0, 1.0 },
    {-1.0, 0.0, 0.0 },
    { 0.0,-1.0, 0.0 },
    { 0.0, 1.0, 0.0 }
  };

  const static GLfloat red[] = { 0.8, 0.2, 0.2, 1.0 };

  int i, j;

  /* 材質を設定する */
  glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, red);

  glBegin(GL_QUADS);
  for (j = 0; j < 6; ++j) {
    glNormal3dv(normal[j]);
    for (i = 4; --i >= 0;) {
      glVertex3dv(vertex[face[j][i]]);
    }
  }
  glEnd();
}

/*
 * 腕／足
 */
static void armleg(double girth, double length, double r1, double r2)
{
  glRotated(r1, 1.0, 0.0, 0.0);
  myBox(girth, length, girth);
  glTranslated(0.0, -0.05 - length, 0.0);
  glRotated(r2, 1.0, 0.0, 0.0);
  myBox(girth, length, girth);
}

/*
 * 地面を描く
 */
static void myGround(double height)
{
  const static GLfloat ground[][4] = {
    { 0.6, 0.6, 0.6, 1.0 },
    { 0.3, 0.3, 0.3, 1.0 }
  };

  int i, j;

  glBegin(GL_QUADS);
  glNormal3d(0.0, 1.0, 0.0);
  for (j = -5; j <= 5; ++j) {
    for (i = -5; i < 5; ++i) {
      glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, ground[(i + j) & 1]);
      glVertex3d((GLdouble)i, height, (GLdouble)j);
      glVertex3d((GLdouble)i, height, (GLdouble)(j + 1));
      glVertex3d((GLdouble)(i + 1), height, (GLdouble)(j + 1));
      glVertex3d((GLdouble)(i + 1), height, (GLdouble)j);
    }
  }
  glEnd();
}

/*
 * 画面表示
 */
static void display(void)
{
  const static GLfloat lightpos[] = { 3.0, 4.0, 5.0, 1.0 }; /* 光源の位置 */
  static int frame = 0;                                     /* フレーム数 */

  /* STEPCYCLE に指定した枚数のフレームを描画する間に 0→1 に変化 */
  double t = (frame % STEPCYCLE) / (double)STEPCYCLE;

  /* WALKCYCLE に指定した枚数のフレームを描画する間に 0→1 に変化 */
  double s = (frame % WALKCYCLE) / (double)WALKCYCLE;

  /*
   * 以下の変数に値を設定する
   */

  double ll1 = 0.0; /* 箱男の左足の股関節の角度 */
  double ll2 = 0.0; /* 箱男の左足の膝関節の角度 */

  double rl1 = 0.0; /* 箱男の右足の股関節の角度 */
  double rl2 = 0.0; /* 箱男の右足の膝関節の角度 */

  double la1 = 0.0; /* 箱男の左腕の肩関節の角度 */
  double la2 = 0.0; /* 箱男の左腕の肘関節の角度 */

  double ra1 = 0.0; /* 箱男の右腕の肩関節の角度 */
  double ra2 = 0.0; /* 箱男の右腕の肘関節の角度 */

  double px = 0.0, pz = 0.0;      /* 箱男の位置 */
  double r = 0.0;                 /* 箱男の向き */
  double h = 0.0;                 /* 箱男の高さ */

  /* フレーム数（画面表示を行った回数）をカウントする */
  ++frame;

  /* 画面クリア */
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

  /* モデルビュー変換行列の初期化 */
  glLoadIdentity();

  /* 光源の位置を設定 */
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightpos);

  /* 視点の移動（物体の方を奥に移す）*/
  glTranslated(0.0, 0.0, -10.0);

  /* シーンの描画 */

  /* 地面 */
  myGround(-1.8);

  /* 箱男の位置と方向 */
  glTranslated(px, h, pz);
  glRotated(r, 0.0, 1.0, 0.0);

  /* 頭 */
  myBox(0.20, 0.25, 0.22);

  /* 胴 */
  glTranslated(0.0, -0.3, 0.0);
  myBox(0.4, 0.6, 0.3);

  /* 左足 */
  glPushMatrix();
  glTranslated(0.1, -0.65, 0.0);
  armleg(0.2, 0.4, ll1, ll2);
  glPopMatrix();

  /* 右足 */
  glPushMatrix();
  glTranslated(-0.1, -0.65, 0.0);
  armleg(0.2, 0.4, rl1, rl2);
  glPopMatrix();

  /* 左腕 */
  glPushMatrix();
  glTranslated(0.28, 0.0, 0.0);
  armleg(0.16, 0.4, la1, la2);
  glPopMatrix();

  /* 右腕 */
  glPushMatrix();
  glTranslated(-0.28, 0.0, 0.0);
  armleg(0.16, 0.4, ra1, ra2);
  glPopMatrix();

  glFlush();
}

static void resize(int w, int h)
{
  /* ウィンドウ全体をビューポートにする */
  glViewport(0, 0, w, h);

  /* 透視変換行列の指定 */
  glMatrixMode(GL_PROJECTION);

  /* 透視変換行列の初期化 */
  glLoadIdentity();
  gluPerspective(30.0, (double)w / (double)h, 1.0, 100.0);

  /* モデルビュー変換行列の指定 */
  glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
}

static void keyboard(unsigned char key, int x, int y)
{
  /* ESC か q をタイプしたら終了 */
  if (key == '\033' || key == 'q') {
    exit(0);
  }
}

static void init(void)
{
  /* 初期設定 */
  glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  glEnable(GL_CULL_FACE);
  glEnable(GL_LIGHTING);
  glEnable(GL_LIGHT0);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  glutInit(&argc, argv);
  glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH);
  glutCreateWindow(argv[0]);
  glutDisplayFunc(display);
  glutReshapeFunc(resize);
  glutKeyboardFunc(keyboard);
  init();
  glutMainLoop();
  return 0;
}

このプログラムでは，箱を描く関数 myBox() と，その箱を組み合わせて腕や足を描く関数 armleg() を定義しており，それらを使って箱男を描いています．後者の armleg() の第２・第３引数の r1, r2 を時間とともに変化させれば，腕や足を振るような動作が表現できます．

動作の開始や停止は，マウスのボタンを使ってコントロールするようにしてください．

マウスの左ボタン: 歩行開始
マウスの中ボタン: 歩行停止
マウスの右ボタン: 一歩だけ歩く

動きの作り方については，以下を参考にしてください．

関数 myBox() の３つの引数 x, y, z は，それぞれ箱の幅，箱の高さ，箱の奥行きを指定します．またこの箱の原点は，箱の上面の中心にあります．
関数 armleg() は関数 display() 内で，右腕，右足，左腕，左足の４つの部分を表示するのに使用しており，関節の角度はそれぞれ ra1 と ra2，rl1 と rl2，la1 と la2，ll1 と ll2 という変数で制御しています．
関数 display() 内では，これらの変数を armleg() の引数 r1, r2 に与えています．この単位は度で指定します．これらを時間の進行に伴って周期的に変化させれば，腕や足を振ることができます．代表的な周期関数には三角関数 (sin, cos) があります．
箱男の現在位置は display() の中の px および pz の二つの変数で設定しています．この値を変更すれば，箱男の位置を変えることができます．また箱男の向きは r で設定しています．
変数 t および s はアニメーションを行うことによりフレーム（１回分の画像表示）数に伴って 0→1 に周期的に変化するようになります．これを時間として使って構いません．
もちろん，箱男の歩みは滑らかに行われるようにしてください．また画面のちらつきも抑制するようにしてください．

なお，これはあくまで「一例」に過ぎません．自分の思う方法で歩き方を考えてくれれば結構です．ただし，一応は歩いているように見えるようにしてください．スキップしているというのも可．