flatland.cc

   1
   2 /*
   3  *  dyncnn is a deep-learning algorithm for the prediction of
   4  *  interacting object dynamics
   5  *
   6  *  Copyright (c) 2016 Idiap Research Institute, http://www.idiap.ch/
   7  *  Written by Francois Fleuret <francois.fleuret@idiap.ch>
   8  *
   9  *  This file is part of dyncnn.
  10  *
  11  *  dyncnn is free software: you can redistribute it and/or modify it
  12  *  under the terms of the GNU General Public License version 3 as
  13  *  published by the Free Software Foundation.
  14  *
  15  *  dyncnn is distributed in the hope that it will be useful, but
  16  *  WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  *  General Public License for more details.
  19  *
  20  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
  21  *  along with dyncnn.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  22  *
  23  */
  24
  25 #include <iostream>
  26 #include <fstream>
  27 #include <cmath>
  28 #include <stdio.h>
  29 #include <stdlib.h>
  30 #include <stdint.h>
  31 #include <errno.h>
  32 #include <string.h>
  33 #include <sys/stat.h>
  34
  35 using namespace std;
  36
  37 #include "misc.h"
  38 #include "universe.h"
  39 #include "canvas_cairo.h"
  40
  41 FILE *safe_fopen(const char *name, const char *mode) {
  42   FILE *file = fopen(name, mode);
  43   if(!file) {
  44     cerr << "Cannot open " << name << endl;
  45     exit(1);
  46   }
  47   return file;
  48 }
  49
  50 void print_help(const char *command) {
  51   cerr << command << " <nb sequences to generate> [--dir <dir>] [--seed <seed>]]" << endl;
  52   exit(1);
  53 }
  54
  55 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  56
  57 void draw_universe_on_canvas(CanvasCairo *canvas, scalar_t scaling,
  58                              Universe *universe) {
  59   canvas->set_line_width(1.0 / scaling);
  60   universe->draw(canvas);
  61 }
  62
  63 void draw_grabbing_point_on_canvas(CanvasCairo *canvas, scalar_t scaling,
  64                                    scalar_t xg, scalar_t yg,
  65                                    scalar_t r, scalar_t g, scalar_t b) {
  66   scalar_t radius = 1/scaling;
  67   int n = 36;
  68   scalar_t xp[n], yp[n];
  69   for(int k = 0; k < n; k++) {
  70     scalar_t alpha = 2 * M_PI * scalar_t(k) / scalar_t(n);
  71     xp[k] = xg + radius * cos(alpha);
  72     yp[k] = yg + radius * sin(alpha);
  73   }
  74   canvas->set_drawing_color(r, g, b);
  75   canvas->set_line_width(2.0);
  76   canvas->draw_polygon(1, n, xp, yp);
  77 }
  78
  79 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  80
  81 int main(int argc, char **argv) {
  82   const scalar_t world_width = 400;
  83   const scalar_t world_height = 400;
  84   const scalar_t scaling = 0.16; // So that 400 * 0.16 = 64
  85
  86   const scalar_t dt = 0.1;
  87   const int nb_iterations_per_steps = 5;
  88
  89   //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  90
  91   // We will generate images { 0, every_nth, 2 * every_nth, ..., k * every_nth < nb_frames }
  92
  93   // The framerate every_nth may be set to smaller value to generate
  94   // nice materials for presentations or papers.
  95
  96   int every_nth = 4;
  97   int nb_frames = 5;
  98   int random_grasp = 0;
  99   int random_shape_size = 0;
 100   int nb_shapes = 1;
 101   char data_dir[1024] = "/tmp/";
 102   int multi_images = 0;
 103   int show_grabbing_point = 0;
 104   int skip = -1;
 105
 106   //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 107
 108   if(argc < 2) {
 109     print_help(argv[0]);
 110   }
 111
 112   int nb_sequences = atoi(argv[1]);
 113
 114   int i = 2;
 115   while(i < argc) {
 116     if(strcmp(argv[i], "--dir") == 0) {
 117       i++;
 118       if(i == argc) { print_help(argv[0]);}
 119       strncpy(data_dir, argv[i], sizeof(data_dir) / sizeof(char) - 1);
 120       i++;
 121     }
 122
 123     else if(strcmp(argv[i], "--seed") == 0) {
 124       i++;
 125       if(i == argc) { print_help(argv[0]); }
 126       srand48(atoi(argv[i]));
 127       i++;
 128     }
 129
 130     else if(strcmp(argv[i], "--nb_shapes") == 0) {
 131       i++;
 132       if(i == argc) { print_help(argv[0]);}
 133       nb_shapes = atoi(argv[i]);
 134       i++;
 135     }
 136
 137     else if(strcmp(argv[i], "--random_grasp") == 0) {
 138       random_grasp = 1;
 139       i++;
 140     }
 141
 142     else if(strcmp(argv[i], "--random_shape_size") == 0) {
 143       random_shape_size = 1;
 144       i++;
 145     }
 146
 147     else if(strcmp(argv[i], "--every_nth") == 0) {
 148       i++;
 149       if(i == argc) { print_help(argv[0]);}
 150       every_nth = atoi(argv[i]);
 151       i++;
 152     }
 153
 154     else if(strcmp(argv[i], "--nb_frames") == 0) {
 155       i++;
 156       if(i == argc) { print_help(argv[0]);}
 157       nb_frames = atoi(argv[i]);
 158       i++;
 159     }
 160
 161     else if(strcmp(argv[i], "--multi_images") == 0) {
 162       multi_images = 1;
 163       i++;
 164     }
 165
 166     else if(strcmp(argv[i], "--show_grabbing_point") == 0) {
 167       show_grabbing_point = 1;
 168       i++;
 169     }
 170
 171     else if(strcmp(argv[i], "--skip") == 0) {
 172       i++;
 173       if(i == argc) { print_help(argv[0]);}
 174       skip = atoi(argv[i]);
 175       i++;
 176     }
 177
 178     else {
 179       cerr << "Unknown option " << argv[i] << "." << endl;
 180       abort();
 181     }
 182   }
 183
 184   if(nb_shapes < 1 || nb_shapes > 10) {
 185     cerr << "nb_shapes has to be in {1, ..., 10}" << endl;
 186     abort();
 187   }
 188
 189   if(nb_frames < 0 || nb_frames > 50) {
 190     cerr << "nb_frames has to be in {0, ..., 50}" << endl;
 191     abort();
 192   }
 193
 194   for(int n = 0; n < nb_sequences; n++) {
 195
 196     Universe *universe;
 197     Polygon *grabbed_polygon;
 198
 199     universe = new Universe(nb_shapes, world_width, world_height);
 200
 201     const int nb_saved_frames = (nb_frames + every_nth - 1) / every_nth;
 202
 203     CanvasCairo *canvases[nb_saved_frames * 2];
 204
 205     for(int s = 0; s < 2 * nb_saved_frames; s++) {
 206       canvases[s] = new CanvasCairo(scaling, universe->width(), universe->height());
 207     }
 208
 209     scalar_t grab_start_x, grab_start_y;
 210
 211     if(random_grasp) {
 212       grab_start_x = world_width * (0.1 + 0.8 * drand48());
 213       grab_start_y = world_height * (0.1 + 0.8 * drand48());
 214     } else {
 215       grab_start_x = world_width * 0.5;
 216       grab_start_y = world_height * 0.75;
 217     }
 218
 219     if((n+1)%100 == 0) {
 220       cout << "Created "
 221            << n+1 << "/" << nb_sequences << " sequences in "
 222            << data_dir
 223            << "." << endl;
 224     }
 225
 226     do {
 227       universe->clear();
 228
 229       const int nb_attempts_max = 100;
 230       int nb_attempts = 0;
 231
 232       for(int u = 0; u < nb_shapes; u++) {
 233         Polygon *pol = 0;
 234
 235         nb_attempts = 0;
 236
 237         scalar_t shape_size;
 238
 239         if(random_shape_size) {
 240           shape_size = 40 + 80 * drand48();
 241         } else {
 242           shape_size = 80;
 243         }
 244
 245         do {
 246           scalar_t x[] = { - shape_size * 0.4, + shape_size * 0.4,
 247                            + shape_size * 0.4, - shape_size * 0.4 };
 248
 249           scalar_t y[] = { - shape_size * 0.6, - shape_size * 0.6,
 250                            + shape_size * 0.6, + shape_size * 0.6 };
 251
 252           scalar_t delta = shape_size / sqrt(2.0);
 253
 254           scalar_t object_center_x = delta + (world_width - 2 * delta) * drand48();
 255           scalar_t object_center_y = delta + (world_height - 2 * delta) * drand48();
 256
 257           delete pol;
 258           pol = new Polygon(0.5, 1.0, 1.0, 1.0, x, y, sizeof(x)/sizeof(scalar_t));
 259           pol->set_position(object_center_x, object_center_y, M_PI * 2 * drand48());
 260           pol->set_speed(0, 0, 0);
 261
 262           universe->initialize_polygon(pol);
 263
 264           nb_attempts++;
 265         } while(nb_attempts < nb_attempts_max && universe->collide(pol));
 266
 267         if(nb_attempts == nb_attempts_max) {
 268           delete pol;
 269           u = -1;
 270           universe->clear();
 271           nb_attempts = 0;
 272         } else {
 273           universe->add_polygon(pol);
 274         }
 275       }
 276
 277       grabbed_polygon = universe->pick_polygon(grab_start_x, grab_start_y);
 278     } while(!grabbed_polygon);
 279
 280     if(n%1000 == 0) {
 281       char buffer[1024];
 282       sprintf(buffer, "%s/%03d/", data_dir, n / 1000);
 283       mkdir(buffer, 0777);
 284     }
 285
 286     if(skip < 0 || n >= skip) {
 287
 288       scalar_t grab_relative_x = grabbed_polygon->relative_x(grab_start_x, grab_start_y);
 289       scalar_t grab_relative_y = grabbed_polygon->relative_y(grab_start_x, grab_start_y);
 290
 291       for(int s = 0; s < nb_frames; s++) {
 292         if(s % every_nth == 0) {
 293           int t = s / every_nth;
 294           scalar_t xf = grabbed_polygon->absolute_x(grab_relative_x, grab_relative_y);
 295           scalar_t yf = grabbed_polygon->absolute_y(grab_relative_x, grab_relative_y);
 296
 297           canvases[2 * t + 0]->clear();
 298           draw_grabbing_point_on_canvas(canvases[2 * t + 0], scaling,
 299                                         xf, yf, 0.0, 0.0, 0.0);
 300           canvases[2 * t + 1]->clear();
 301           draw_universe_on_canvas(canvases[2 * t + 1], scaling, universe);
 302
 303           if(show_grabbing_point) {
 304             draw_grabbing_point_on_canvas(canvases[2 * t + 1], scaling,
 305                                           xf, yf, 1.0, 0.0, 0.0);
 306           }
 307         }
 308
 309         if(s < nb_frames - 1) {
 310           // Run the simulation
 311           for(int i = 0; i < nb_iterations_per_steps; i++) {
 312             scalar_t xf = grabbed_polygon->absolute_x(grab_relative_x, grab_relative_y);
 313             scalar_t yf = grabbed_polygon->absolute_y(grab_relative_x, grab_relative_y);
 314             grabbed_polygon->apply_force(dt, xf, yf, 0.0, -1.0);
 315             universe->update(dt);
 316           }
 317         }
 318       }
 319
 320       char buffer[1024];
 321
 322       if(multi_images) {
 323         for(int j = 0; j < nb_saved_frames; j++) {
 324           FILE *file;
 325           sprintf(buffer, "%s/%03d/dyn_%06d_grab_%02d.png", data_dir, n / 1000, n, j);
 326           file = safe_fopen(buffer, "w");
 327           canvases[j * 2 + 0]->write_png(file);
 328           fclose(file);
 329           sprintf(buffer, "%s/%03d/dyn_%06d_state_%02d.png", data_dir, n / 1000, n, j);
 330           file = safe_fopen(buffer, "w");
 331           canvases[j * 2 + 1]->write_png(file);
 332           fclose(file);
 333         }
 334       } else {
 335         CanvasCairo main_canvas(scaling, nb_saved_frames, 2, canvases);
 336         sprintf(buffer, "%s/%03d/dyn_%06d.png", data_dir, n / 1000, n);
 337         FILE *file = safe_fopen(buffer, "w");
 338         main_canvas.write_png(file);
 339         fclose(file);
 340       }
 341     }
 342
 343     for(int t = 0; t < 2 * nb_saved_frames; t++) {
 344       delete canvases[t];
 345     }
 346
 347     delete universe;
 348   }
 349 }