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 }