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 i_img_dim pcord;
  21
  22 typedef struct {
  23   size_t n;
  24   pcord x,y;
  25 } p_point;
  26
  27 typedef struct {
  28   size_t 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   size_t n;
  38   double x;
  39 } p_slice;
  40
  41 typedef struct {
  42   int *line;            /* temporary buffer for scanline */
  43   i_img_dim linelen;    /* length of scanline */
  44 } ss_scanline;
  45
  46 static
  47 int
  48 p_compy(const p_point *p1, const p_point *p2) {
  49   if (p1->y > p2->y) return 1;
  50   if (p1->y < p2->y) return -1;
  51   return 0;
  52 }
  53
  54 static
  55 int
  56 p_compx(const p_slice *p1, const p_slice *p2) {
  57   if (p1->x > p2->x) return 1;
  58   if (p1->x < p2->x) return -1;
  59   return 0;
  60 }
  61
  62 /* Change this to int? and round right goddamn it! */
  63
  64 static
  65 double
  66 p_eval_aty(p_line *l, pcord y) {
  67   int t;
  68   t=l->y2-l->y1;
  69   if (t) return ( (y-l->y1)*l->x2 + (l->y2-y)*l->x1 )/t;
  70   return (l->x1+l->x2)/2.0;
  71 }
  72
  73 static
  74 double
  75 p_eval_atx(p_line *l, pcord x) {
  76   int t;
  77   t = l->x2-l->x1;
  78   if (t) return ( (x-l->x1)*l->y2 + (l->x2-x)*l->y1 )/t;
  79   return (l->y1+l->y2)/2.0;
  80 }
  81
  82 static
  83 p_line *
  84 line_set_new(const i_polygon_t *polys, size_t count, size_t *line_count) {
  85   size_t i, j, n;
  86   p_line *lset, *line;
  87   size_t lines = 0;
  88
  89   for (i = 0; i < count; ++i)
  90     lines += polys[i].count;
  91
  92   line = lset = mymalloc(sizeof(p_line) * lines);
  93
  94   n = 0;
  95   for (i = 0; i < count; ++i) {
  96     const i_polygon_t *p = polys + i;
  97
  98     for(j = 0; j < p->count; j++) {
  99       line->x1 = IMTRUNC(p->x[j]);
 100       line->y1 = IMTRUNC(p->y[j]);
 101       line->x2 = IMTRUNC(p->x[(j + 1) % p->count]);
 102       line->y2 = IMTRUNC(p->y[(j + 1) % p->count]);
 103
 104       /* don't include purely horizontal lines, we don't usefully
 105          intersect with them. */
 106       if (line->y1 == line->y2)
 107         continue;
 108
 109       line->miny = i_min(line->y1, line->y2);
 110       line->maxy = i_max(line->y1, line->y2);
 111       line->minx = i_min(line->x1, line->x2);
 112       line->maxx = i_max(line->x1, line->x2);
 113       line->n = n++;
 114       ++line;
 115     }
 116   }
 117   *line_count = n;
 118
 119   return lset;
 120 }
 121
 122 static
 123 p_point *
 124 point_set_new(const i_polygon_t *polys, size_t count, size_t *point_count) {
 125   size_t i, j, n;
 126   p_point *pset, *pt;
 127   size_t points = 0;
 128
 129   for (i = 0; i < count; ++i)
 130     points += polys[i].count;
 131
 132   *point_count = points;
 133
 134   pt = pset = mymalloc(sizeof(p_point) * points);
 135
 136   n = 0;
 137   for (i = 0; i < count; ++i) {
 138     const i_polygon_t *p = polys + i;
 139
 140     for(j = 0; j < p->count; j++) {
 141       pt->n = n++;
 142       pt->x = IMTRUNC(p->x[j]);
 143       pt->y = IMTRUNC(p->y[j]);
 144       ++pt;
 145     }
 146   }
 147   return pset;
 148 }
 149
 150 static
 151 void
 152 ss_scanline_reset(ss_scanline *ss) {
 153   memset(ss->line, 0, sizeof(int) * ss->linelen);
 154 }
 155
 156 static
 157 void
 158 ss_scanline_init(ss_scanline *ss, i_img_dim linelen, int linepairs) {
 159   ss->line    = mymalloc( sizeof(int) * linelen );
 160   ss->linelen = linelen;
 161   ss_scanline_reset(ss);
 162 }
 163
 164 static
 165 void
 166 ss_scanline_exorcise(ss_scanline *ss) {
 167   myfree(ss->line);
 168 }
 169
 170
 171
 172
 173 /* returns the number of matches */
 174
 175 static
 176 int
 177 lines_in_interval(p_line *lset, int l, p_slice *tllist, pcord minc, pcord maxc) {
 178   int k;
 179   int count = 0;
 180   for(k=0; k<l; k++) {
 181     if (lset[k].maxy > minc && lset[k].miny < maxc) {
 182       if (lset[k].miny == lset[k].maxy) {
 183         POLY_DEB( printf(" HORIZONTAL - skipped\n") );
 184       } else {
 185         tllist[count].x=p_eval_aty(&lset[k],(minc+maxc)/2.0 );
 186         tllist[count].n=k;
 187         count++;
 188       }
 189     }
 190   }
 191   return count;
 192 }
 193
 194 /* marks the up variable for all lines in a slice */
 195
 196 static
 197 void
 198 mark_updown_slices(p_line *lset, p_slice *tllist, int count) {
 199   p_line *l, *r;
 200   int k;
 201   for(k=0; k<count; k+=2) {
 202     l = lset + tllist[k].n;
 203
 204     if (l->y1 == l->y2) {
 205       mm_log((1, "mark_updown_slices: horizontal line being marked: internal error!\n"));
 206       exit(3);
 207     }
 208
 209     l->updown = (l->x1 == l->x2) ?
 210       0 :
 211       (l->x1 > l->x2)
 212       ?
 213       (l->y1 > l->y2) ? -1 : 1
 214       :
 215       (l->y1 > l->y2) ? 1 : -1;
 216
 217     POLY_DEB( printf("marking left line %d as %s(%d)\n", l->n,
 218                      l->updown ?  l->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", l->updown, l->updown)
 219               );
 220
 221     if (k+1 >= count) {
 222       mm_log((1, "Invalid polygon spec, odd number of line crossings.\n"));
 223       return;
 224     }
 225
 226     r = lset + tllist[k+1].n;
 227     if (r->y1 == r->y2) {
 228       mm_log((1, "mark_updown_slices: horizontal line being marked: internal error!\n"));
 229       exit(3);
 230     }
 231
 232     r->updown = (r->x1 == r->x2) ?
 233       0 :
 234       (r->x1 > r->x2)
 235       ?
 236       (r->y1 > r->y2) ? -1 : 1
 237       :
 238       (r->y1 > r->y2) ? 1 : -1;
 239
 240     POLY_DEB( printf("marking right line %d as %s(%d)\n", r->n,
 241                      r->updown ?  r->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", r->updown, r->updown)
 242               );
 243   }
 244 }
 245
 246 static
 247 unsigned char
 248 saturate(int in) {
 249   if (in>255) { return 255; }
 250   else if (in>0) return in;
 251   return 0;
 252 }
 253
 254 typedef void (*scanline_flusher)(i_img *im, ss_scanline *ss, int y, void *ctx);
 255
 256 /* This function must be modified later to do proper blending */
 257
 258 static void
 259 scanline_flush(i_img *im, ss_scanline *ss, int y, void *ctx) {
 260   int x, ch, tv;
 261   i_color t;
 262   i_color *val = (i_color *)ctx;
 263   POLY_DEB( printf("Flushing line %d\n", y) );
 264   for(x=0; x<im->xsize; x++) {
 265     tv = saturate(ss->line[x]);
 266     i_gpix(im, x, y, &t);
 267     for(ch=0; ch<im->channels; ch++)
 268       t.channel[ch] = tv/255.0 * val->channel[ch] + (1.0-tv/255.0) * t.channel[ch];
 269     i_ppix(im, x, y, &t);
 270   }
 271 }
 272
 273
 274
 275 static
 276 int
 277 trap_square(pcord xlen, pcord ylen, double xl, double yl) {
 278   POLY_DEB( printf("trap_square: %d %d %.2f %.2f\n", xlen, ylen, xl, yl) );
 279   return xlen*ylen-(xl*yl)/2.0;
 280 }
 281
 282
 283 /*
 284    pixel_coverage calculates the 'left side' pixel coverage of a pixel that is
 285    within the min/max ranges.  The shape always corresponds to a square with some
 286    sort of a triangle cut from it (which can also yield a triangle).
 287 */
 288
 289
 290 static
 291 int
 292 pixel_coverage(p_line *line, pcord minx, pcord maxx, pcord  miny, pcord maxy) {
 293   double lycross, rycross;
 294   int l, r;
 295
 296   POLY_DEB
 297     (
 298      printf("    pixel_coverage(..., minx %g, maxx%g, miny %g, maxy %g)\n",
 299             minx/16.0, maxx/16.0, miny/16.0, maxy/16.0)
 300      );
 301
 302   if (!line->updown) {
 303     l = r = 0;
 304   } else {
 305     lycross = p_eval_atx(line, minx);
 306     rycross = p_eval_atx(line, maxx);
 307     l = lycross <= maxy && lycross >= miny; /* true if it enters through left side */
 308     r = rycross <= maxy && rycross >= miny; /* true if it enters through left side */
 309   }
 310   POLY_DEB(
 311            printf("    %4s(%+d): ", line->updown ?  line->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", line->updown);
 312            printf(" (%2d,%2d) [%3d-%3d, %3d-%3d] lycross=%.2f rycross=%.2f", coarse(minx), coarse(miny), minx, maxx, miny, maxy, lycross, rycross);
 313            printf(" l=%d r=%d\n", l, r)
 314            );
 315
 316   if (l && r)
 317     return line->updown == 1 ?
 318       (double)(maxx-minx) * (2.0*maxy-lycross-rycross)/2.0  /* up case */
 319       :
 320       (double)(maxx-minx) * (lycross+rycross-2*miny)/2.0;  /* down case */
 321
 322   if (!l && !r) return (maxy-miny)*(maxx*2-p_eval_aty(line, miny)-p_eval_aty(line, maxy))/2.0;
 323
 324   if (l && !r)
 325     return line->updown == 1 ?
 326       trap_square(maxx-minx, maxy-miny, p_eval_aty(line, miny)-minx, p_eval_atx(line, minx)-miny) :
 327       trap_square(maxx-minx, maxy-miny, p_eval_aty(line, maxy)-minx, maxy-p_eval_atx(line, minx));
 328
 329
 330   if (!l && r) {
 331     int r = line->updown == 1 ?
 332       (maxx-p_eval_aty(line, maxy))*(maxy-p_eval_atx(line, maxx))/2.0 :
 333       (maxx-p_eval_aty(line, miny))*(p_eval_atx(line, maxx)-miny)/2.0;
 334     return r;
 335   }
 336
 337   return 0; /* silence compiler warning */
 338 }
 339
 340
 341
 342
 343
 344 /*
 345    handle the scanline slice in three steps
 346
 347    1.  Where only the left edge is inside a pixel
 348    2a. Where both left and right edge are inside a pixel
 349    2b. Where neither left or right edge are inside a pixel
 350    3.  Where only the right edge is inside a pixel
 351 */
 352
 353 static
 354 void
 355 render_slice_scanline(ss_scanline *ss, int y, p_line *l, p_line *r, pcord miny, pcord maxy) {
 356
 357   pcord lminx, lmaxx;   /* left line min/max within y bounds in fine coords */
 358   pcord rminx, rmaxx;   /* right line min/max within y bounds in fine coords */
 359   i_img_dim cpix;       /* x-coordinate of current pixel */
 360   i_img_dim startpix;   /* temporary variable for "start of this interval" */
 361   i_img_dim stoppix;    /* temporary variable for "end of this interval" */
 362
 363   /* Find the y bounds of scanline_slice */
 364
 365   POLY_DEB
 366     (
 367      printf("render_slice_scanline(..., y=%d)\n");
 368      printf("  left  n=%d p1(%.2g, %.2g) p2(%.2g,%.2g) min(%.2g, %.2g) max(%.2g,%.2g) updown(%d)\n",
 369             l->n, l->x1/16.0, l->y1/16.0, l->x2/16.0, l->y2/16.0,
 370             l->minx/16.0, l->miny/16.0, l->maxx/16.0, l->maxy/16.0,
 371             l->updown);
 372      printf("  right n=%d p1(%.2g, %.2g) p2(%.2g,%.2g) min(%.2g, %.2g) max(%.2g,%.2g) updown(%d)\n",
 373             r->n, r->x1/16.0, r->y1/16.0, r->x2/16.0, r->y2/16.0,
 374             r->minx/16.0, r->miny/16.0, r->maxx/16.0, r->maxy/16.0,
 375             r->updown);
 376      );
 377
 378   lminx = i_min( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 379   lmaxx = i_max( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 380
 381   rminx = i_min( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 382   rmaxx = i_max( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 383
 384   startpix = i_max( coarse(lminx), 0 );
 385   stoppix  = i_min( coarse(rmaxx-1), ss->linelen-1 );
 386
 387   POLY_DEB(  printf("  miny=%g maxy=%g\n", miny/16.0, maxy/16.0)  );
 388
 389   for(cpix=startpix; cpix<=stoppix; cpix++) {
 390     int lt = coarse(lmaxx-1) >= cpix;
 391     int rt = coarse(rminx) <= cpix;
 392
 393     int A, B, C;
 394
 395     POLY_DEB( printf("  (%d,%d) lt=%d rt=%d\n", cpix, y, lt, rt) );
 396
 397     A = lt ? pixel_coverage(l, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy) : 0;
 398     B = lt ? 0 : 16*(maxy-miny);
 399     C = rt ? pixel_coverage(r, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy) : 0;
 400
 401     POLY_DEB( printf("  A=%d B=%d C=%d\n", A, B, C) );
 402
 403     ss->line[cpix] += A+B-C;
 404
 405   }
 406   POLY_DEB( printf("end render_slice_scanline()\n") );
 407 }
 408
 409 /* Antialiasing polygon algorithm
 410    specs:
 411    1. only nice polygons - no crossovers
 412    2. 1/16 pixel resolution
 413    3. full antialiasing ( complete spectrum of blends )
 414    4. uses hardly any memory
 415    5. no subsampling phase
 416
 417
 418    Algorithm outline:
 419    1. Split into vertical intervals.
 420    2. handle each interval
 421
 422    For each interval we must:
 423    1. find which lines are in it
 424    2. order the lines from in increasing x order.
 425       since we are assuming no crossovers it is sufficent
 426       to check a single point on each line.
 427 */
 428
 429 /*
 430   Definitions:
 431
 432   1. Interval:  A vertical segment in which no lines cross nor end.
 433   2. Scanline:  A physical line, contains 16 subpixels in the horizontal direction
 434   3. Slice:     A start stop line pair.
 435
 436  */
 437
 438
 439 static int
 440 i_poly_poly_aa_low(i_img *im, int count, const i_polygon_t *polys,
 441                    void *ctx, scanline_flusher flusher) {
 442   int i ,k;                     /* Index variables */
 443   i_img_dim clc;                /* Lines inside current interval */
 444   /* initialize to avoid compiler warnings */
 445   pcord tempy = 0;
 446   i_img_dim cscl = 0;                   /* Current scanline */
 447
 448   ss_scanline templine;         /* scanline accumulator */
 449   p_point *pset;                /* List of points in polygon */
 450   p_line  *lset;                /* List of lines in polygon */
 451   p_slice *tllist;              /* List of slices */
 452   size_t pcount, lcount;
 453
 454   mm_log((1, "i_poly_poly_aa_low(im %p, count %d, polys %p, ctx %p, flusher %p)\n", im, count, polys, ctx, flusher));
 455
 456   for (k = 0; k < count; ++k) {
 457     const i_polygon_t *p = polys + k;
 458     mm_log((2, "poly %d\n", k));
 459     for(i = 0; i < p->count; i++) {
 460       mm_log((2, " (%.2f, %.2f)\n", p->x[i], p->y[i]));
 461     }
 462   }
 463
 464
 465   POLY_DEB(
 466            fflush(stdout);
 467            setbuf(stdout, NULL);
 468            );
 469
 470   pset     = point_set_new(polys, count, &pcount);
 471   lset     = line_set_new(polys, count, &lcount);
 472
 473   ss_scanline_init(&templine, im->xsize, lcount);
 474
 475   tllist   = mymalloc(sizeof(p_slice) * lcount);
 476
 477   qsort(pset, pcount, sizeof(p_point), (int(*)(const void *,const void *))p_compy);
 478
 479   POLY_DEB(
 480            for(i=0;i<lcount;i++) {
 481              printf("%d [ %d ] (%d , %d) -> (%d , %d) yspan ( %d , %d )\n",
 482                     i, lset[i].n, lset[i].x1, lset[i].y1, lset[i].x2, lset[i].y2, lset[i].miny, lset[i].maxy);
 483            }
 484            printf("MAIN LOOP\n\n");
 485            );
 486
 487
 488   /* loop on intervals */
 489   for(i=0; i<pcount-1; i++) {
 490     i_img_dim startscan = i_max( coarse(pset[i].y), 0);
 491     i_img_dim stopscan = i_min( coarse(pset[i+1].y+15), im->ysize);
 492     pcord miny, maxy;   /* y bounds in fine coordinates */
 493
 494     POLY_DEB( pcord cc = (pset[i].y + pset[i+1].y)/2 );
 495
 496     POLY_DEB(
 497              printf("current slice is %d: %d to %d ( cpoint %d ) scanlines %d to %d\n",
 498                     i, pset[i].y, pset[i+1].y, cc, startscan, stopscan)
 499              );
 500
 501     if (pset[i].y == pset[i+1].y) {
 502       POLY_DEB( printf("current slice thickness = 0 => skipping\n") );
 503       continue;
 504     }
 505
 506     clc = lines_in_interval(lset, lcount, tllist, pset[i].y, pset[i+1].y);
 507     qsort(tllist, clc, sizeof(p_slice), (int(*)(const void *,const void *))p_compx);
 508
 509     mark_updown_slices(lset, tllist, clc);
 510
 511     POLY_DEB
 512       (
 513        printf("Interval contains %d lines\n", clc);
 514        for(k=0; k<clc; k++) {
 515          int lno = tllist[k].n;
 516          p_line *ln = lset+lno;
 517          printf("%d:  line #%2d: (%2d, %2d)->(%2d, %2d) (%2d/%2d, %2d/%2d) -> (%2d/%2d, %2d/%2d) alignment=%s\n",
 518                 k, lno, ln->x1, ln->y1, ln->x2, ln->y2,
 519                 coarse(ln->x1), fine(ln->x1),
 520                 coarse(ln->y1), fine(ln->y1),
 521                 coarse(ln->x2), fine(ln->x2),
 522                 coarse(ln->y2), fine(ln->y2),
 523                 ln->updown == 0 ? "vert" : ln->updown == 1 ? "up" : "down");
 524
 525        }
 526        );
 527     maxy = im->ysize * 16;
 528     miny = 0;
 529     for (k = 0; k < clc; ++k) {
 530       p_line const * line = lset + tllist[k].n;
 531       if (line->miny > miny)
 532         miny = line->miny;
 533       if (line->maxy < maxy)
 534         maxy = line->maxy;
 535       POLY_DEB( printf(" line miny %g maxy %g\n", line->miny/16.0, line->maxy/16.0) );
 536     }
 537     POLY_DEB( printf("miny %g maxy %g\n", miny/16.0, maxy/16.0) );
 538
 539     for(cscl=startscan; cscl<stopscan; cscl++) {
 540       pcord scan_miny = i_max(miny, cscl * 16);
 541       pcord scan_maxy = i_min(maxy, (cscl + 1 ) * 16);
 542
 543       tempy = i_min(cscl*16+16, pset[i+1].y);
 544       POLY_DEB( printf("evaluating scan line %d \n", cscl) );
 545       for(k=0; k<clc-1; k+=2) {
 546         POLY_DEB( printf("evaluating slice %d\n", k) );
 547         render_slice_scanline(&templine, cscl, lset+tllist[k].n, lset+tllist[k+1].n, scan_miny, scan_maxy);
 548       }
 549       if (16*coarse(tempy) == tempy) {
 550         POLY_DEB( printf("flushing scan line %d\n", cscl) );
 551         flusher(im, &templine, cscl, ctx);
 552         ss_scanline_reset(&templine);
 553       }
 554       /*
 555         else {
 556         scanline_flush(im, &templine, cscl, val);
 557         ss_scanline_reset(&templine);
 558         return 0;
 559         }
 560       */
 561     }
 562   } /* Intervals */
 563   if (16*coarse(tempy) != tempy)
 564     flusher(im, &templine, cscl-1, ctx);
 565
 566   ss_scanline_exorcise(&templine);
 567   myfree(pset);
 568   myfree(lset);
 569   myfree(tllist);
 570
 571   return 1;
 572 }
 573
 574 int
 575 i_poly_poly_aa(i_img *im, int count, const i_polygon_t *polys,
 576                const i_color *val) {
 577   i_color c = *val;
 578   return i_poly_poly_aa_low(im, count, polys, &c, scanline_flush);
 579 }
 580
 581 int
 582 i_poly_aa(i_img *im, int l, const double *x, const double *y, const i_color *val) {
 583   i_polygon_t poly;
 584
 585   poly.count = l;
 586   poly.x = x;
 587   poly.y = y;
 588   return i_poly_poly_aa(im, 1, &poly, val);
 589 }
 590
 591 struct poly_render_state {
 592   i_render render;
 593   i_fill_t *fill;
 594   unsigned char *cover;
 595 };
 596
 597 static void
 598 scanline_flush_render(i_img *im, ss_scanline *ss, int y, void *ctx) {
 599   i_img_dim x;
 600   i_img_dim left, right;
 601   struct poly_render_state *state = (struct poly_render_state *)ctx;
 602
 603   left = 0;
 604   while (left < im->xsize && ss->line[left] <= 0)
 605     ++left;
 606   if (left < im->xsize) {
 607     right = im->xsize;
 608     /* since going from the left found something, moving from the
 609        right should */
 610     while (/* right > left && */ ss->line[right-1] <= 0)
 611       --right;
 612
 613     /* convert to the format the render interface wants */
 614     for (x = left; x < right; ++x) {
 615       state->cover[x-left] = saturate(ss->line[x]);
 616     }
 617     i_render_fill(&state->render, left, y, right-left, state->cover,
 618                   state->fill);
 619   }
 620 }
 621
 622 int
 623 i_poly_poly_aa_cfill(i_img *im, int count, const i_polygon_t *polys,
 624                      i_fill_t *fill) {
 625   struct poly_render_state ctx;
 626   int result;
 627
 628   i_render_init(&ctx.render, im, im->xsize);
 629   ctx.fill = fill;
 630   ctx.cover = mymalloc(im->xsize);
 631
 632   result = i_poly_poly_aa_low(im, count, polys, &ctx, scanline_flush_render);
 633
 634   myfree(ctx.cover);
 635   i_render_done(&ctx.render);
 636
 637   return result;
 638 }
 639
 640 int
 641 i_poly_aa_cfill(i_img *im, int l, const double *x, const double *y,
 642                 i_fill_t *fill) {
 643   i_polygon_t poly;
 644
 645   poly.count = l;
 646   poly.x = x;
 647   poly.y = y;
 648
 649   return i_poly_poly_aa_cfill(im, 1, &poly, fill);
 650 }