#include "Matrix.h"
#include <math.h>       /* fabs() */
#include <iostream>
#include <iomanip>      /* setprecision() */

#define FP_EQ(x,y) (fabs((x)-(y)) < 0.00001)

Matrix::Matrix()
{
    m_inverse_calculated = false;
}

Matrix Matrix::identity()
{
    Matrix res;
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            res[i][j] = i == j ? 1.0 : 0.0;
        }
    }
    return res;
}

double Matrix::determinant()
{
    return m_matrix[0][0]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][3]
         + m_matrix[0][0]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][1]
         + m_matrix[0][0]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][2]
         + m_matrix[0][1]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][2]

         + m_matrix[0][1]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][3]
         + m_matrix[0][1]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][0]
         + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][3]
         + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][0]

         + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][1]
         + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][1]
         + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][2]
         + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][0]

         - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][2]
         - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][3]
         - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][1]
         - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][3]

         - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][0]
         - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][2]
         - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][1]
         - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][3]

         - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][0]
         - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][2]
         - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][0]
         - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][1];
}

void Matrix::calculateInverse()
{
    m_inverse_calculated = true;
    m_inverse_valid = false;
    double det = determinant();
    if (det == 0.0)
        return;
    m_inverse[0][0] = m_matrix[1][1]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[1][2]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][1]
                    + m_matrix[1][3]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[1][1]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[1][2]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[1][3]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][1];
    m_inverse[0][1] = m_matrix[0][1]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][2]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][2];
    m_inverse[0][2] = m_matrix[0][1]*m_matrix[1][2]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][3]*m_matrix[3][1]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][1]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][3]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][1]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][2]*m_matrix[3][1];
    m_inverse[0][3] = m_matrix[0][1]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][2]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][3]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][1]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][3]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][1]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][2];
    m_inverse[1][0] = m_matrix[1][0]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][2]
                    + m_matrix[1][2]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[1][3]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[1][0]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[1][2]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[1][3]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][2];
    m_inverse[1][1] = m_matrix[0][0]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][0]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][0];
    m_inverse[1][2] = m_matrix[0][0]*m_matrix[1][3]*m_matrix[3][2]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][0]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][2]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][2]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][3]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][0]*m_matrix[3][2];
    m_inverse[1][3] = m_matrix[0][0]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][3]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][0]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][2]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][2]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][3]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][0];
    m_inverse[2][0] = m_matrix[1][0]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[1][1]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][0]
                    + m_matrix[1][3]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[1][0]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[1][1]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[1][3]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][0];
    m_inverse[2][1] = m_matrix[0][0]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][1]
                    + m_matrix[0][1]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[2][3]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][1];
    m_inverse[2][2] = m_matrix[0][0]*m_matrix[1][1]*m_matrix[3][3]
                    + m_matrix[0][1]*m_matrix[1][3]*m_matrix[3][0]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][0]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][3]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][0]*m_matrix[3][3]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][1]*m_matrix[3][0];
    m_inverse[2][3] = m_matrix[0][0]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][1]
                    + m_matrix[0][1]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][3]
                    + m_matrix[0][3]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][0]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][3]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][3]*m_matrix[2][0]
                    - m_matrix[0][3]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][1];
    m_inverse[3][0] = m_matrix[1][0]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][1]
                    + m_matrix[1][1]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][2]
                    + m_matrix[1][2]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[1][0]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[1][1]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[1][2]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][1];
    m_inverse[3][1] = m_matrix[0][0]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][2]
                    + m_matrix[0][1]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][0]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[2][2]*m_matrix[3][1]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[2][0]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[2][1]*m_matrix[3][0];
    m_inverse[3][2] = m_matrix[0][0]*m_matrix[1][2]*m_matrix[3][1]
                    + m_matrix[0][1]*m_matrix[1][0]*m_matrix[3][2]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][1]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][1]*m_matrix[3][2]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][2]*m_matrix[3][0]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][0]*m_matrix[3][1];
    m_inverse[3][3] = m_matrix[0][0]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][2]
                    + m_matrix[0][1]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][0]
                    + m_matrix[0][2]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][1]
                    - m_matrix[0][0]*m_matrix[1][2]*m_matrix[2][1]
                    - m_matrix[0][1]*m_matrix[1][0]*m_matrix[2][2]
                    - m_matrix[0][2]*m_matrix[1][1]*m_matrix[2][0];
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            m_inverse[i][j] /= det;
        }
    }
    m_inverse_valid = true;
}

Matrix operator*(const Matrix & m1, const Matrix & m2)
{
    Matrix res;
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            res[i][j] = m1[i][0] * m2[0][j]
                      + m1[i][1] * m2[1][j]
                      + m1[i][2] * m2[2][j]
                      + m1[i][3] * m2[3][j];
        }
    }
    return res;
}

Vector operator*(const Matrix & m, const Vector & v)
{
    Vector res;
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        res[i] = m[i][0] * v[0]
               + m[i][1] * v[1]
               + m[i][2] * v[2]
               + m[i][3]; /* v[3] is implicitly 1.0 */
    }
    return res;
}

bool operator==(const Matrix & m1, const Matrix & m2)
{
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            if (! FP_EQ(m1[i][j], m2[i][j]))
                return false;
        }
    }
    return true;
}

std::ostream & operator<<(std::ostream & out, const Matrix & m)
{
    out << std::setprecision(3);
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        out << (i == 0 ? "[ " : "  ");
        out << "[ ";
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            out << m[i][j];
            if (j < 3)
                out << ", ";
        }
        out << "]" << std::endl;
    }
    return out;
}