/*
*   自由軸回転 (クォータニオン)
*/

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <GL/glut.h>

#define SCREEN_WIDTH 400
#define SCREEN_HEIGHT 300

GLuint cube0;

double sc_x, sc_y;
int cr_x, cr_y;

#define PAI 3.14159

static double rt[16];

static double tq[4];
static double cq[4] = { 1.0, 0.0, 0.0, 0.0 };

/* クォータニオンの積 q = q1*q2 */
void qmul(double q[], double q1[], double q2[])
{
  q[0] = q1[0] * q2[0] - q1[1] * q2[1] - q1[2] * q2[2] - q1[3] * q2[3];
  q[1] = q1[0] * q2[1] + q1[1] * q2[0] + q1[2] * q2[3] - q1[3] * q2[2];
  q[2] = q1[0] * q2[2] - q1[1] * q2[3] + q1[2] * q2[0] + q1[3] * q2[1];
  q[3] = q1[0] * q2[3] + q1[1] * q2[2] - q1[2] * q2[1] + q1[3] * q2[0];
}

/* クォータニオンのよる自由軸回転 */
void qrot(double r[], double q[])
{
  double x2 = q[1] * q[1] * 2.0;
  double y2 = q[2] * q[2] * 2.0;
  double z2 = q[3] * q[3] * 2.0;
  double xy = q[1] * q[2] * 2.0;
  double yz = q[2] * q[3] * 2.0;
  double zx = q[3] * q[1] * 2.0;
  double xw = q[1] * q[0] * 2.0;
  double yw = q[2] * q[0] * 2.0;
  double zw = q[3] * q[0] * 2.0;
  
  r[0] = 1.0 - y2 - z2;
  r[1] = xy + zw;
  r[2] = zx - yw;
  r[3] = 0.0;
  r[4] = xy - zw;
  r[5] = 1.0 - z2 - x2;
  r[6] = yz + xw;
  r[7] = 0.0;
  r[8] = zx + yw;
  r[9] = yz - xw;
  r[10] = 1.0 - x2 - y2;
  r[11] = 0.0;
  r[12] = 0.0;
  r[13] = 0.0;
  r[14] = 0.0;
  r[15] = 1.0;
}

/* 立方体 */
void cube(void)
{
  int i, j;

  /* 座標を８個用意 */
  GLdouble vertex[][3] = {
    { -0.5, 0.5, 0.5 },
    { -0.5, -0.5, 0.5 },
    { 0.5, -0.5, 0.5 },
    { 0.5, 0.5, 0.5 },
    { -0.5, 0.5, -0.5 },
    { -0.5, -0.5, -0.5 },
    { 0.5, -0.5, -0.5 },
    { 0.5, 0.5, -0.5 },
  };

  /* 座標をつないで面を作るデータを６個用意 */
  int face[][4] = {
    { 0, 1, 2, 3 },
    { 4, 0, 3, 7 },
    { 7, 3, 2, 6 },
    { 6, 2, 1, 5 },
    { 5, 1, 0, 4 },
    { 7, 6, 5, 4 }
  };

  /* 面ごとの法線データ */
  GLdouble normal[][3] = {
    { 0.0, 0.0, 1.0 },
    { 0.0, 1.0, 0.0 },
    { 1.0, 0.0, 0.0 },
    { 0.0, -1.0, 0.0 },
    { -1.0, 0.0, 0.0 },
    { 0.0, 0.0, -1.0 }
  };

  /* 面ごとの色データ */
  GLfloat color[][4] = {
    { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0 },
    { 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 },
    { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 },
    { 1.0, 1.0, 0.0, 1.0 },
    { 1.0, 0.5, 0.0, 1.0 },
    { 0.0, 1.0, 1.0, 1.0 }
  };

  glBegin(GL_QUADS);

  for (j = 0; j < 6; j++) {
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, color[j]);
    glNormal3dv(normal[j]);
    for (i = 0; i < 4; i++) {
      glVertex3dv(vertex[face[j][i]]);
    }
  }

  glEnd();
}

/* 初期化 */
void init(void)
{
  GLfloat lightAmb[] = {0.0, 0.0, 0.0, 1.0};
  GLfloat lightPos[] = {0.0, 0.0, -1.0, 1.0};
  GLfloat lightDif[] = {1.0, 1.0, 1.0, 1.0};

  /* 背景色の指定 RGBA */
  glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 0.0);

  /* デプスバッファの有効化 */
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);

  /* カリングの有効化 */
  glEnable(GL_CULL_FACE);
  /* Culling GL_BACK or GL_FRONT */
  glCullFace(GL_BACK);

  /* 光源の設定 */
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, lightAmb);
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, lightDif);

  glEnable(GL_LIGHTING);
  glEnable(GL_LIGHT0);

  qrot(rt, cq);
}

void resize(int w, int h)
{
  sc_x = 1.33 / (double)w;
  sc_y = 1.0 / (double)h;

  /* ビューポートの設定 */
  glViewport(0, 0, w, h);

  /* 射影変換モードに */
  glMatrixMode(GL_PROJECTION);

  /* 変換行列を単位行列に */
  glLoadIdentity();

  /* 透視射影の視野台形 左、右、下、上、手前、奥 */
  glFrustum(w * -1.33 / (double)SCREEN_WIDTH, w * 1.33 / (double)SCREEN_WIDTH,
    h * -1.0 / (double)SCREEN_HEIGHT, h * 1.0 / (double)SCREEN_HEIGHT, 2.0, 4.0);

  /* モデル変換モードに戻す */
  glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
}

void idle(void)
{
  glutPostRedisplay();
}

void mouse(int button, int state, int x, int y)
{
  switch(button){
  case GLUT_LEFT_BUTTON:
    switch(state){
    case GLUT_DOWN:
      cr_x = x;
      cr_y = y;
      /* 関数 idle を有効に */
      glutIdleFunc(idle);
      break;
    case GLUT_UP:
      /* 関数 idle を無効に */
      glutIdleFunc(NULL);
      cq[0] = tq[0];
      cq[1] = tq[1];
      cq[2] = tq[2];
      cq[3] = tq[3];
      break;
    default:
      break;
    }
    break;
  default:
    break;
  }
}

void mousemove(int x, int y)
{
  double a;
  double dx, dy;

  dx = (x - cr_x) * sc_x;
  dy = (y - cr_y) * sc_y;

  a = sqrt(dx * dx + dy * dy);

  if (a != 0.0) {
    double ar = a * PAI;
    double as = sin(ar) / a;
    double dq[4];

    dq[0] = cos(ar);
    dq[1] = dy * as;
    dq[2] = dx * as;
    dq[3] = 0.0;
    
    qmul(tq, dq, cq);

    qrot(rt, tq);
  }
}

void key(unsigned char key, int x, int y)
{
  /* ESC */
  if(key == '\033'){
    exit(0);
  }
}

/* 画面表示 */
void display(void)
{
  int i, t;

  /* 背景色でクリア */
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

  glLoadIdentity();

  glTranslated(0.0, 0.0, -3.0);

  /* クォータニオンによる自由軸回転 */
  glMultMatrixd(rt);

  glCallList(cube0);

  glutSwapBuffers();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  /* GLUT の初期設定 */
  glutInit(&argc, argv);
  glutInitWindowPosition(100, 50);
  glutInitWindowSize(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT);
  glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH);
  glutCreateWindow(argv[0]);

  /* 各関数の指定 */
  glutDisplayFunc(display);
  glutReshapeFunc(resize);
  glutMouseFunc(mouse);
  glutMotionFunc(mousemove);
  glutKeyboardFunc(key);

  /* 初期設定 */
  init();

  /* ディスプレイリストの作成 */
  cube0 = glGenLists(1);
  glNewList(cube0, GL_COMPILE);

  cube();

  glEndList();

  /* メインループ  */
  glutMainLoop();

  glDeleteLists(cube0, 1);

  return 0;
}