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