polygon.c

   1 #include "imager.h"
   2 #include "draw.h"
   3 #include "log.h"
   4 #include "imrender.h"
   5 #include "imageri.h"
   6
   7 #define IMTRUNC(x) ((int)((x)*16))
   8
   9 #define coarse(x) ((x)/16)
  10 #define fine(x)   ((x)%16)
  11
  12 /*#define DEBUG_POLY*/
  13 #ifdef DEBUG_POLY
  14 #define POLY_DEB(x) x
  15 #else
  16 #define POLY_DEB(x)
  17 #endif
  18
  19
  20 typedef int pcord;
  21
  22 typedef struct {
  23   int n;
  24   pcord x,y;
  25 } p_point;
  26
  27 typedef struct {
  28   int n;
  29   pcord x1,y1;
  30   pcord x2,y2;
  31   pcord miny,maxy;
  32   pcord minx,maxx;
  33   int updown; /* -1 means down, 0 vertical, 1 up */
  34 } p_line;
  35
  36 typedef struct {
  37   int n;
  38   double x;
  39 } p_slice;
  40
  41 typedef struct {
  42   int start;
  43   int stop;
  44 } ss_pair;
  45
  46 typedef struct {
  47   int *line;            /* temporary buffer for scanline */
  48   int linelen;          /* length of scanline */
  49 } ss_scanline;
  50
  51 static
  52 int
  53 p_compy(const p_point *p1, const p_point *p2) {
  54   if (p1->y > p2->y) return 1;
  55   if (p1->y < p2->y) return -1;
  56   return 0;
  57 }
  58
  59 static
  60 int
  61 p_compx(const p_slice *p1, const p_slice *p2) {
  62   if (p1->x > p2->x) return 1;
  63   if (p1->x < p2->x) return -1;
  64   return 0;
  65 }
  66
  67 /* Change this to int? and round right goddamn it! */
  68
  69 static
  70 double
  71 p_eval_aty(p_line *l, pcord y) {
  72   int t;
  73   t=l->y2-l->y1;
  74   if (t) return ( (y-l->y1)*l->x2 + (l->y2-y)*l->x1 )/t;
  75   return (l->x1+l->x2)/2.0;
  76 }
  77
  78 static
  79 double
  80 p_eval_atx(p_line *l, pcord x) {
  81   int t;
  82   t = l->x2-l->x1;
  83   if (t) return ( (x-l->x1)*l->y2 + (l->x2-x)*l->y1 )/t;
  84   return (l->y1+l->y2)/2.0;
  85 }
  86
  87 static
  88 p_line *
  89 line_set_new(const double *x, const double *y, int l) {
  90   int i;
  91   p_line *lset = mymalloc(sizeof(p_line) * l);
  92
  93   for(i=0; i<l; i++) {
  94     lset[i].n=i;
  95     lset[i].x1 = IMTRUNC(x[i]);
  96     lset[i].y1 = IMTRUNC(y[i]);
  97     lset[i].x2 = IMTRUNC(x[(i+1)%l]);
  98     lset[i].y2 = IMTRUNC(y[(i+1)%l]);
  99     lset[i].miny=i_min(lset[i].y1,lset[i].y2);
 100     lset[i].maxy=i_max(lset[i].y1,lset[i].y2);
 101     lset[i].minx=i_min(lset[i].x1,lset[i].x2);
 102     lset[i].maxx=i_max(lset[i].x1,lset[i].x2);
 103   }
 104   return lset;
 105 }
 106
 107 static
 108 p_point *
 109 point_set_new(const double *x, const double *y, int l) {
 110   int i;
 111   p_point *pset = mymalloc(sizeof(p_point) * l);
 112
 113   for(i=0; i<l; i++) {
 114     pset[i].n=i;
 115     pset[i].x=IMTRUNC(x[i]);
 116     pset[i].y=IMTRUNC(y[i]);
 117   }
 118   return pset;
 119 }
 120
 121 static
 122 void
 123 ss_scanline_reset(ss_scanline *ss) {
 124   memset(ss->line, 0, sizeof(int) * ss->linelen);
 125 }
 126
 127 static
 128 void
 129 ss_scanline_init(ss_scanline *ss, int linelen, int linepairs) {
 130   ss->line    = mymalloc( sizeof(int) * linelen );
 131   ss->linelen = linelen;
 132   ss_scanline_reset(ss);
 133 }
 134
 135 static
 136 void
 137 ss_scanline_exorcise(ss_scanline *ss) {
 138   myfree(ss->line);
 139 }
 140
 141
 142
 143
 144 /* returns the number of matches */
 145
 146 static
 147 int
 148 lines_in_interval(p_line *lset, int l, p_slice *tllist, pcord minc, pcord maxc) {
 149   int k;
 150   int count = 0;
 151   for(k=0; k<l; k++) {
 152     if (lset[k].maxy > minc && lset[k].miny < maxc) {
 153       if (lset[k].miny == lset[k].maxy) {
 154         POLY_DEB( printf(" HORIZONTAL - skipped\n") );
 155       } else {
 156         tllist[count].x=p_eval_aty(&lset[k],(minc+maxc)/2.0 );
 157         tllist[count].n=k;
 158         count++;
 159       }
 160     }
 161   }
 162   return count;
 163 }
 164
 165 /* marks the up variable for all lines in a slice */
 166
 167 static
 168 void
 169 mark_updown_slices(p_line *lset, p_slice *tllist, int count) {
 170   p_line *l, *r;
 171   int k;
 172   for(k=0; k<count; k+=2) {
 173     l = lset + tllist[k].n;
 174
 175     if (l->y1 == l->y2) {
 176       mm_log((1, "mark_updown_slices: horizontal line being marked: internal error!\n"));
 177       exit(3);
 178     }
 179
 180     l->updown = (l->x1 == l->x2) ?
 181       0 :
 182       (l->x1 > l->x2)
 183       ?
 184       (l->y1 > l->y2) ? -1 : 1
 185       :
 186       (l->y1 > l->y2) ? 1 : -1;
 187
 188     POLY_DEB( printf("marking left line %d as %s(%d)\n", l->n,
 189                      l->updown ?  l->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", l->updown, l->updown)
 190               );
 191
 192     if (k+1 >= count) {
 193       mm_log((1, "Invalid polygon spec, odd number of line crossings.\n"));
 194       return;
 195     }
 196
 197     r = lset + tllist[k+1].n;
 198     if (r->y1 == r->y2) {
 199       mm_log((1, "mark_updown_slices: horizontal line being marked: internal error!\n"));
 200       exit(3);
 201     }
 202
 203     r->updown = (r->x1 == r->x2) ?
 204       0 :
 205       (r->x1 > r->x2)
 206       ?
 207       (r->y1 > r->y2) ? -1 : 1
 208       :
 209       (r->y1 > r->y2) ? 1 : -1;
 210
 211     POLY_DEB( printf("marking right line %d as %s(%d)\n", r->n,
 212                      r->updown ?  r->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", r->updown, r->updown)
 213               );
 214   }
 215 }
 216
 217
 218
 219 static
 220 unsigned char
 221 saturate(int in) {
 222   if (in>255) { return 255; }
 223   else if (in>0) return in;
 224   return 0;
 225 }
 226
 227 typedef void (*scanline_flusher)(i_img *im, ss_scanline *ss, int y, void *ctx);
 228
 229 /* This function must be modified later to do proper blending */
 230
 231 static void
 232 scanline_flush(i_img *im, ss_scanline *ss, int y, void *ctx) {
 233   int x, ch, tv;
 234   i_color t;
 235   i_color *val = (i_color *)ctx;
 236   POLY_DEB( printf("Flushing line %d\n", y) );
 237   for(x=0; x<im->xsize; x++) {
 238     tv = saturate(ss->line[x]);
 239     i_gpix(im, x, y, &t);
 240     for(ch=0; ch<im->channels; ch++)
 241       t.channel[ch] = tv/255.0 * val->channel[ch] + (1.0-tv/255.0) * t.channel[ch];
 242     i_ppix(im, x, y, &t);
 243   }
 244 }
 245
 246
 247
 248 static
 249 int
 250 trap_square(pcord xlen, pcord ylen, double xl, double yl) {
 251   POLY_DEB( printf("trap_square: %d %d %.2f %.2f\n", xlen, ylen, xl, yl) );
 252   return xlen*ylen-(xl*yl)/2.0;
 253 }
 254
 255
 256 /*
 257    pixel_coverage calculates the 'left side' pixel coverage of a pixel that is
 258    within the min/max ranges.  The shape always corresponds to a square with some
 259    sort of a triangle cut from it (which can also yield a triangle).
 260 */
 261
 262
 263 static
 264 int
 265 pixel_coverage(p_line *line, pcord minx, pcord maxx, pcord  miny, pcord maxy) {
 266   double lycross, rycross;
 267   int l, r;
 268
 269   POLY_DEB
 270     (
 271      printf("    pixel_coverage(..., minx %g, maxx%g, miny %g, maxy %g)\n",
 272             minx/16.0, maxx/16.0, miny/16.0, maxy/16.0)
 273      );
 274
 275   if (!line->updown) {
 276     l = r = 0;
 277   } else {
 278     lycross = p_eval_atx(line, minx);
 279     rycross = p_eval_atx(line, maxx);
 280     l = lycross <= maxy && lycross >= miny; /* true if it enters through left side */
 281     r = rycross <= maxy && rycross >= miny; /* true if it enters through left side */
 282   }
 283   POLY_DEB(
 284            printf("    %4s(%+d): ", line->updown ?  line->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", line->updown);
 285            printf(" (%2d,%2d) [%3d-%3d, %3d-%3d] lycross=%.2f rycross=%.2f", coarse(minx), coarse(miny), minx, maxx, miny, maxy, lycross, rycross);
 286            printf(" l=%d r=%d\n", l, r)
 287            );
 288
 289   if (l && r)
 290     return line->updown == 1 ?
 291       (double)(maxx-minx) * (2.0*maxy-lycross-rycross)/2.0  /* up case */
 292       :
 293       (double)(maxx-minx) * (lycross+rycross-2*miny)/2.0;  /* down case */
 294
 295   if (!l && !r) return (maxy-miny)*(maxx*2-p_eval_aty(line, miny)-p_eval_aty(line, maxy))/2.0;
 296
 297   if (l && !r)
 298     return line->updown == 1 ?
 299       trap_square(maxx-minx, maxy-miny, p_eval_aty(line, miny)-minx, p_eval_atx(line, minx)-miny) :
 300       trap_square(maxx-minx, maxy-miny, p_eval_aty(line, maxy)-minx, maxy-p_eval_atx(line, minx));
 301
 302
 303   if (!l && r) {
 304     int r = line->updown == 1 ?
 305       (maxx-p_eval_aty(line, maxy))*(maxy-p_eval_atx(line, maxx))/2.0 :
 306       (maxx-p_eval_aty(line, miny))*(p_eval_atx(line, maxx)-miny)/2.0;
 307     return r;
 308   }
 309
 310   return 0; /* silence compiler warning */
 311 }
 312
 313
 314
 315
 316
 317 /*
 318    handle the scanline slice in three steps
 319
 320    1.  Where only the left edge is inside a pixel
 321    2a. Where both left and right edge are inside a pixel
 322    2b. Where neither left or right edge are inside a pixel
 323    3.  Where only the right edge is inside a pixel
 324 */
 325
 326 static
 327 void
 328 render_slice_scanline(ss_scanline *ss, int y, p_line *l, p_line *r, pcord miny, pcord maxy) {
 329
 330   pcord lminx, lmaxx;   /* left line min/max within y bounds in fine coords */
 331   pcord rminx, rmaxx;   /* right line min/max within y bounds in fine coords */
 332   int cpix;             /* x-coordinate of current pixel */
 333   int thin;             /* boolean for thin/thick segment */
 334   int startpix;         /* temporary variable for "start of this interval" */
 335   int stoppix;          /* temporary variable for "end of this interval" */
 336
 337   /* Find the y bounds of scanline_slice */
 338
 339   POLY_DEB
 340     (
 341      printf("render_slice_scanline(..., y=%d)\n");
 342      printf("  left  n=%d p1(%.2g, %.2g) p2(%.2g,%.2g) min(%.2g, %.2g) max(%.2g,%.2g) updown(%d)\n",
 343             l->n, l->x1/16.0, l->y1/16.0, l->x2/16.0, l->y2/16.0,
 344             l->minx/16.0, l->miny/16.0, l->maxx/16.0, l->maxy/16.0,
 345             l->updown);
 346      printf("  right n=%d p1(%.2g, %.2g) p2(%.2g,%.2g) min(%.2g, %.2g) max(%.2g,%.2g) updown(%d)\n",
 347             r->n, r->x1/16.0, r->y1/16.0, r->x2/16.0, r->y2/16.0,
 348             r->minx/16.0, r->miny/16.0, r->maxx/16.0, r->maxy/16.0,
 349             r->updown);
 350      );
 351
 352   lminx = i_min( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 353   lmaxx = i_max( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 354
 355   rminx = i_min( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 356   rmaxx = i_max( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 357
 358   thin = coarse(lmaxx) >= coarse(rminx);
 359
 360   startpix = i_max( coarse(lminx), 0 );
 361   stoppix  = i_min( coarse(rmaxx-1), ss->linelen-1 );
 362
 363   POLY_DEB(  printf("  miny=%g maxy=%g\n", miny/16.0, maxy/16.0)  );
 364
 365   for(cpix=startpix; cpix<=stoppix; cpix++) {
 366     int lt = coarse(lmaxx-1) >= cpix;
 367     int rt = coarse(rminx) <= cpix;
 368
 369     int A, B, C;
 370
 371     POLY_DEB( printf("  (%d,%d) lt=%d rt=%d\n", cpix, y, lt, rt) );
 372
 373     A = lt ? pixel_coverage(l, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy) : 0;
 374     B = lt ? 0 : 16*(maxy-miny);
 375     C = rt ? pixel_coverage(r, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy) : 0;
 376
 377     POLY_DEB( printf("  A=%d B=%d C=%d\n", A, B, C) );
 378
 379     ss->line[cpix] += A+B-C;
 380
 381   }
 382   POLY_DEB( printf("end render_slice_scanline()\n") );
 383 }
 384
 385 /* Antialiasing polygon algorithm
 386    specs:
 387    1. only nice polygons - no crossovers
 388    2. 1/16 pixel resolution
 389    3. full antialiasing ( complete spectrum of blends )
 390    4. uses hardly any memory
 391    5. no subsampling phase
 392
 393
 394    Algorithm outline:
 395    1. Split into vertical intervals.
 396    2. handle each interval
 397
 398    For each interval we must:
 399    1. find which lines are in it
 400    2. order the lines from in increasing x order.
 401       since we are assuming no crossovers it is sufficent
 402       to check a single point on each line.
 403 */
 404
 405 /*
 406   Definitions:
 407
 408   1. Interval:  A vertical segment in which no lines cross nor end.
 409   2. Scanline:  A physical line, contains 16 subpixels in the horizontal direction
 410   3. Slice:     A start stop line pair.
 411
 412  */
 413
 414
 415 static void
 416 i_poly_aa_low(i_img *im, int l, const double *x, const double *y, void *ctx, scanline_flusher flusher) {
 417   int i ,k;                     /* Index variables */
 418   int clc;                      /* Lines inside current interval */
 419   /* initialize to avoid compiler warnings */
 420   pcord tempy = 0;
 421   int cscl = 0;                 /* Current scanline */
 422
 423   ss_scanline templine;         /* scanline accumulator */
 424   p_point *pset;                /* List of points in polygon */
 425   p_line  *lset;                /* List of lines in polygon */
 426   p_slice *tllist;              /* List of slices */
 427
 428   mm_log((1, "i_poly_aa(im %p, l %d, x %p, y %p, ctx %p, flusher %p)\n", im, l, x, y, ctx, flusher));
 429
 430   for(i=0; i<l; i++) {
 431     mm_log((2, "(%.2f, %.2f)\n", x[i], y[i]));
 432   }
 433
 434
 435   POLY_DEB(
 436            fflush(stdout);
 437            setbuf(stdout, NULL);
 438            );
 439
 440   tllist   = mymalloc(sizeof(p_slice)*l);
 441
 442   ss_scanline_init(&templine, im->xsize, l);
 443
 444   pset     = point_set_new(x, y, l);
 445   lset     = line_set_new(x, y, l);
 446
 447
 448   qsort(pset, l, sizeof(p_point), (int(*)(const void *,const void *))p_compy);
 449
 450   POLY_DEB(
 451            for(i=0;i<l;i++) {
 452              printf("%d [ %d ] (%d , %d) -> (%d , %d) yspan ( %d , %d )\n",
 453                     i, lset[i].n, lset[i].x1, lset[i].y1, lset[i].x2, lset[i].y2, lset[i].miny, lset[i].maxy);
 454            }
 455            printf("MAIN LOOP\n\n");
 456            );
 457
 458
 459   /* loop on intervals */
 460   for(i=0; i<l-1; i++) {
 461     int startscan = i_max( coarse(pset[i].y), 0);
 462     int stopscan = i_min( coarse(pset[i+1].y+15), im->ysize);
 463     pcord miny, maxy;   /* y bounds in fine coordinates */
 464
 465     POLY_DEB( pcord cc = (pset[i].y + pset[i+1].y)/2 );
 466
 467     POLY_DEB(
 468              printf("current slice is %d: %d to %d ( cpoint %d ) scanlines %d to %d\n",
 469                     i, pset[i].y, pset[i+1].y, cc, startscan, stopscan)
 470              );
 471
 472     if (pset[i].y == pset[i+1].y) {
 473       POLY_DEB( printf("current slice thickness = 0 => skipping\n") );
 474       continue;
 475     }
 476
 477     clc = lines_in_interval(lset, l, tllist, pset[i].y, pset[i+1].y);
 478     qsort(tllist, clc, sizeof(p_slice), (int(*)(const void *,const void *))p_compx);
 479
 480     mark_updown_slices(lset, tllist, clc);
 481
 482     POLY_DEB
 483       (
 484        printf("Interval contains %d lines\n", clc);
 485        for(k=0; k<clc; k++) {
 486          int lno = tllist[k].n;
 487          p_line *ln = lset+lno;
 488          printf("%d:  line #%2d: (%2d, %2d)->(%2d, %2d) (%2d/%2d, %2d/%2d) -> (%2d/%2d, %2d/%2d) alignment=%s\n",
 489                 k, lno, ln->x1, ln->y1, ln->x2, ln->y2,
 490                 coarse(ln->x1), fine(ln->x1),
 491                 coarse(ln->y1), fine(ln->y1),
 492                 coarse(ln->x2), fine(ln->x2),
 493                 coarse(ln->y2), fine(ln->y2),
 494                 ln->updown == 0 ? "vert" : ln->updown == 1 ? "up" : "down");
 495
 496        }
 497        );
 498     maxy = im->ysize * 16;
 499     miny = 0;
 500     for (k = 0; k < clc; ++k) {
 501       p_line const * line = lset + tllist[k].n;
 502       if (line->miny > miny)
 503         miny = line->miny;
 504       if (line->maxy < maxy)
 505         maxy = line->maxy;
 506       POLY_DEB( printf(" line miny %g maxy %g\n", line->miny/16.0, line->maxy/16.0) );
 507     }
 508     POLY_DEB( printf("miny %g maxy %g\n", miny/16.0, maxy/16.0) );
 509
 510     for(cscl=startscan; cscl<stopscan; cscl++) {
 511       pcord scan_miny = i_max(miny, cscl * 16);
 512       pcord scan_maxy = i_min(maxy, (cscl + 1 ) * 16);
 513
 514       tempy = i_min(cscl*16+16, pset[i+1].y);
 515       POLY_DEB( printf("evaluating scan line %d \n", cscl) );
 516       for(k=0; k<clc-1; k+=2) {
 517         POLY_DEB( printf("evaluating slice %d\n", k) );
 518         render_slice_scanline(&templine, cscl, lset+tllist[k].n, lset+tllist[k+1].n, scan_miny, scan_maxy);
 519       }
 520       if (16*coarse(tempy) == tempy) {
 521         POLY_DEB( printf("flushing scan line %d\n", cscl) );
 522         flusher(im, &templine, cscl, ctx);
 523         ss_scanline_reset(&templine);
 524       }
 525       /*
 526         else {
 527         scanline_flush(im, &templine, cscl, val);
 528         ss_scanline_reset(&templine);
 529         return 0;
 530         }
 531       */
 532     }
 533   } /* Intervals */
 534   if (16*coarse(tempy) != tempy)
 535     flusher(im, &templine, cscl-1, ctx);
 536
 537   ss_scanline_exorcise(&templine);
 538   myfree(pset);
 539   myfree(lset);
 540   myfree(tllist);
 541
 542 } /* Function */
 543
 544 int
 545 i_poly_aa(i_img *im, int l, const double *x, const double *y, const i_color *val) {
 546   i_color c = *val;
 547   i_poly_aa_low(im, l, x, y, &c, scanline_flush);
 548   return 1;
 549 }
 550
 551 struct poly_render_state {
 552   i_render render;
 553   i_fill_t *fill;
 554   unsigned char *cover;
 555 };
 556
 557 static void
 558 scanline_flush_render(i_img *im, ss_scanline *ss, int y, void *ctx) {
 559   int x;
 560   int left, right;
 561   struct poly_render_state *state = (struct poly_render_state *)ctx;
 562
 563   left = 0;
 564   while (left < im->xsize && ss->line[left] <= 0)
 565     ++left;
 566   if (left < im->xsize) {
 567     right = im->xsize;
 568     /* since going from the left found something, moving from the
 569        right should */
 570     while (/* right > left && */ ss->line[right-1] <= 0)
 571       --right;
 572
 573     /* convert to the format the render interface wants */
 574     for (x = left; x < right; ++x) {
 575       state->cover[x-left] = saturate(ss->line[x]);
 576     }
 577     i_render_fill(&state->render, left, y, right-left, state->cover,
 578                   state->fill);
 579   }
 580 }
 581
 582 int
 583 i_poly_aa_cfill(i_img *im, int l, const double *x, const double *y,
 584                 i_fill_t *fill) {
 585   struct poly_render_state ctx;
 586
 587   i_render_init(&ctx.render, im, im->xsize);
 588   ctx.fill = fill;
 589   ctx.cover = mymalloc(im->xsize);
 590   i_poly_aa_low(im, l, x, y, &ctx, scanline_flush_render);
 591   myfree(ctx.cover);
 592   i_render_done(&ctx.render);
 593   return 1;
 594 }