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