polygon.c

   1 #include "image.h"
   2 #include "draw.h"
   3 #include "log.h"
   4
   5
   6 #define IMTRUNC(x) ((int)((x)*16))
   7
   8 #define coarse(x) ((x)/16)
   9 #define fine(x)   ((x)%16)
  10
  11 #define POLY_DEB(x)
  12
  13
  14
  15 typedef int pcord;
  16
  17 typedef struct {
  18   int n;
  19   pcord x,y;
  20 } p_point;
  21
  22 typedef struct {
  23   int n;
  24   pcord x1,y1;
  25   pcord x2,y2;
  26   pcord miny,maxy;
  27   pcord minx,maxx;
  28   int updown; /* -1 means down, 0 vertical, 1 up */
  29 } p_line;
  30
  31 typedef struct {
  32   int n;
  33   double x;
  34 } p_slice;
  35
  36 typedef struct {
  37   int start;
  38   int stop;
  39 } ss_pair;
  40
  41 typedef struct {
  42   int *line;            /* temporary buffer for scanline */
  43   int linelen;          /* length of scanline */
  44   ss_pair *ss_list;     /* list of start stop linepairs */
  45   int ssnext;           /* index of the next pair to use */
  46   int sslen;            /* maximum number of start stop pairs */
  47 } ss_scanline;
  48
  49
  50
  51
  52
  53
  54
  55
  56 static
  57 int
  58 p_compy(const p_point *p1, const p_point *p2) {
  59   if (p1->y > p2->y) return 1;
  60   if (p1->y < p2->y) return -1;
  61   return 0;
  62 }
  63
  64 static
  65 int
  66 p_compx(const p_slice *p1, const p_slice *p2) {
  67   if (p1->x > p2->x) return 1;
  68   if (p1->x < p2->x) return -1;
  69   return 0;
  70 }
  71
  72 /* Change this to int? and round right goddamn it! */
  73
  74 static
  75 double
  76 p_eval_aty(p_line *l, pcord y) {
  77   int t;
  78   t=l->y2-l->y1;
  79   if (t) return ( (y-l->y1)*l->x2 + (l->y2-y)*l->x1 )/t;
  80   return (l->x1+l->x2)/2.0;
  81 }
  82
  83 static
  84 double
  85 p_eval_atx(p_line *l, pcord x) {
  86   int t;
  87   t = l->x2-l->x1;
  88   if (t) return ( (x-l->x1)*l->y2 + (l->x2-x)*l->y1 )/t;
  89   return (l->y1+l->y2)/2.0;
  90 }
  91
  92 static
  93 p_line *
  94 line_set_new(double *x, double *y, int l) {
  95   int i;
  96   p_line *lset = mymalloc(sizeof(p_line) * l);
  97
  98   for(i=0; i<l; i++) {
  99     lset[i].n=i;
 100     lset[i].x1 = IMTRUNC(x[i]);
 101     lset[i].y1 = IMTRUNC(y[i]);
 102     lset[i].x2 = IMTRUNC(x[(i+1)%l]);
 103     lset[i].y2 = IMTRUNC(y[(i+1)%l]);
 104     lset[i].miny=min(lset[i].y1,lset[i].y2);
 105     lset[i].maxy=max(lset[i].y1,lset[i].y2);
 106     lset[i].minx=min(lset[i].x1,lset[i].x2);
 107     lset[i].maxx=max(lset[i].x1,lset[i].x2);
 108   }
 109   return lset;
 110 }
 111
 112 static
 113 p_point *
 114 point_set_new(double *x, double *y, int l) {
 115   int i;
 116   p_point *pset = mymalloc(sizeof(p_point) * l);
 117
 118   for(i=0; i<l; i++) {
 119     pset[i].n=i;
 120     pset[i].x=IMTRUNC(x[i]);
 121     pset[i].y=IMTRUNC(y[i]);
 122   }
 123   return pset;
 124 }
 125
 126 static
 127 void
 128 p_line_dump(p_line *l) {
 129   printf("%d (%d,%d)->(%d,%d) [%d-%d,%d-%d]\n", l->n, l->x1, l->y1, l->x2, l->y2,
 130          l->minx, l->maxx, l->miny, l->maxy);
 131 }
 132
 133
 134 static
 135 void
 136 ss_scanline_reset(ss_scanline *ss) {
 137   ss->ssnext = 0;
 138   memset(ss->line, 0, sizeof(int) * ss->linelen);
 139 }
 140
 141 static
 142 void
 143 ss_scanline_init(ss_scanline *ss, int linelen, int linepairs) {
 144   ss->line    = mymalloc( sizeof(int) * linelen );
 145   ss->linelen = linelen;
 146   ss->ss_list = mymalloc( sizeof(ss_pair) * linepairs );
 147   ss->sslen   = linepairs;
 148   ss_scanline_reset(ss);
 149 }
 150
 151 static
 152 void
 153 ss_scanline_exorcise(ss_scanline *ss) {
 154   myfree(ss->line);
 155   myfree(ss->ss_list);
 156 }
 157
 158
 159
 160
 161 /* returns the number of matches */
 162
 163 static
 164 int
 165 lines_in_interval(p_line *lset, int l, p_slice *tllist, pcord minc, pcord maxc) {
 166   int k;
 167   int count = 0;
 168   for(k=0; k<l; k++) {
 169     if (lset[k].maxy > minc && lset[k].miny < maxc) {
 170       if (lset[k].miny == lset[k].maxy) {
 171         POLY_DEB( printf(" HORIZONTAL - skipped\n") );
 172       } else {
 173         tllist[count].x=p_eval_aty(&lset[k],(minc+maxc)/2.0 );
 174         tllist[count].n=k;
 175         count++;
 176       }
 177     }
 178   }
 179   return count;
 180 }
 181
 182 static
 183 int
 184 lines_in_interval_old(p_line *lset, int l, p_slice *tllist, pcord cc) {
 185   int k;
 186   int count = 0;
 187   for(k=0; k<l; k++) {
 188     if (cc >= lset[k].miny && cc <=  lset[k].maxy) {
 189       if (lset[k].miny == lset[k].maxy) {
 190         POLY_DEB( printf(" HORIZONTAL - skipped\n") );
 191       }
 192       else {
 193         tllist[count].x=p_eval_aty(&lset[k],cc);
 194         tllist[count].n=k;
 195         count++;
 196       }
 197     }
 198   }
 199   return count;
 200 }
 201
 202 /* marks the up variable for all lines in a slice */
 203
 204 static
 205 void
 206 mark_updown_slices(p_line *lset, p_slice *tllist, int count) {
 207   p_line *l, *r;
 208   int k;
 209   for(k=0; k<count; k+=2) {
 210     l = lset + tllist[k].n;
 211
 212     if (l->y1 == l->y2) {
 213       mm_log((1, "mark_updown_slices: horizontal line being marked: internal error!\n"));
 214       exit(3);
 215     }
 216
 217     l->updown = (l->x1 == l->x2) ?
 218       0 :
 219       (l->x1 > l->x2)
 220       ?
 221       (l->y1 > l->y2) ? -1 : 1
 222       :
 223       (l->y1 > l->y2) ? 1 : -1;
 224
 225     POLY_DEB( printf("marking left line %d as %s(%d)\n", l->n,
 226                      l->updown ?  l->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", l->updown, l->updown)
 227               );
 228
 229     if (k+1 >= count) {
 230       mm_log((1, "Invalid polygon spec, odd number of line crossings.\n"));
 231       return;
 232     }
 233
 234     r = lset + tllist[k+1].n;
 235     if (r->y1 == r->y2) {
 236       mm_log((1, "mark_updown_slices: horizontal line being marked: internal error!\n"));
 237       exit(3);
 238     }
 239
 240     r->updown = (r->x1 == r->x2) ?
 241       0 :
 242       (r->x1 > r->x2)
 243       ?
 244       (r->y1 > r->y2) ? -1 : 1
 245       :
 246       (r->y1 > r->y2) ? 1 : -1;
 247
 248     POLY_DEB( printf("marking right line %d as %s(%d)\n", r->n,
 249                      r->updown ?  r->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", r->updown, r->updown)
 250               );
 251   }
 252 }
 253
 254
 255
 256 static
 257 unsigned char
 258 saturate(int in) {
 259   if (in>255) { return 255; }
 260   else if (in>0) return in;
 261   return 0;
 262 }
 263
 264
 265 /* This function must be modified later to do proper blending */
 266
 267 void
 268 scanline_flush(i_img *im, ss_scanline *ss, int y, i_color *val) {
 269   int x, ch, tv;
 270   i_color t;
 271   for(x=0; x<im->xsize; x++) {
 272     tv = saturate(ss->line[x]);
 273     i_gpix(im, x, y, &t);
 274     for(ch=0; ch<im->channels; ch++)
 275       t.channel[ch] = tv/255.0 * val->channel[ch] + (1.0-tv/255.0) * t.channel[ch];
 276     i_ppix(im, x, y, &t);
 277   }
 278 }
 279
 280
 281
 282 static
 283 int
 284 trap_square(pcord xlen, pcord ylen, double xl, double yl) {
 285   POLY_DEB( printf("trap_square: %d %d %.2f %.2f\n", xlen, ylen, xl, yl) );
 286   return xlen*ylen-(xl*yl)/2.0;
 287 }
 288
 289
 290 /*
 291    pixel_coverage calculates the 'left side' pixel coverage of a pixel that is
 292    within the min/max ranges.  The shape always corresponds to a square with some
 293    sort of a triangle cut from it (which can also yield a triangle).
 294 */
 295
 296
 297 static
 298 int
 299 pixel_coverage(p_line *line, pcord minx, pcord maxx, pcord  miny, pcord maxy) {
 300   double lycross, rycross;
 301   int l, r;
 302
 303   double xs, ys;
 304
 305   if (!line->updown) {
 306     l = r = 0;
 307   } else {
 308     lycross = p_eval_atx(line, minx);
 309     rycross = p_eval_atx(line, maxx);
 310     l = lycross <= maxy && lycross >= miny; /* true if it enters through left side */
 311     r = rycross <= maxy && rycross >= miny; /* true if it enters through left side */
 312   }
 313   POLY_DEB(
 314            printf("%4s(%+d): ", line->updown ?  line->updown == 1 ? "up" : "down" : "vert", line->updown);
 315            printf("(%2d,%2d) [%3d-%3d, %3d-%3d] lycross=%.2f rycross=%.2f", coarse(minx), coarse(miny), minx, maxx, miny, maxy, lycross, rycross);
 316            printf("    l=%d r=%d\n", l, r)
 317            );
 318
 319   if (l && r)
 320     return line->updown == 1 ?
 321       (double)(maxx-minx) * (2.0*maxy-lycross-rycross)/2.0  /* up case */
 322       :
 323       (double)(maxx-minx) * (lycross+rycross-2*miny)/2.0;  /* down case */
 324
 325   if (!l && !r) return (maxy-miny)*(maxx*2-p_eval_aty(line, miny)-p_eval_aty(line, maxy))/2.0;
 326
 327   if (l && !r)
 328     return line->updown == 1 ?
 329       trap_square(maxx-minx, maxy-miny, p_eval_aty(line, miny)-minx, p_eval_atx(line, minx)-miny) :
 330       trap_square(maxx-minx, maxy-miny, p_eval_aty(line, maxy)-minx, maxy-p_eval_atx(line, minx));
 331
 332
 333   if (!l && r) {
 334     int r = line->updown == 1 ?
 335       (maxx-p_eval_aty(line, maxy))*(maxy-p_eval_atx(line, maxx))/2.0 :
 336       (maxx-p_eval_aty(line, miny))*(p_eval_atx(line, maxx)-miny)/2.0;
 337     return r;
 338   }
 339 }
 340
 341
 342
 343
 344
 345 /*
 346    handle the scanline slice in three steps
 347
 348    1.  Where only the left edge is inside a pixel
 349    2a. Where both left and right edge are inside a pixel
 350    2b. Where neither left or right edge are inside a pixel
 351    3.  Where only the right edge is inside a pixel
 352 */
 353
 354 static
 355 void
 356 render_slice_scanline(ss_scanline *ss, int y, p_line *l, p_line *r) {
 357
 358   pcord miny, maxy;     /* y bounds in fine coordinates */
 359   pcord lminx, lmaxx;   /* left line min/max within y bounds in fine coords */
 360   pcord rminx, rmaxx;   /* right line min/max within y bounds in fine coords */
 361   int cpix;             /* x-coordinate of current pixel */
 362   int thin;             /* boolean for thin/thick segment */
 363   int startpix;         /* temporary variable for "start of this interval" */
 364   int stoppix;          /* temporary variable for "end of this interval" */
 365   int step2end;         /* temporary variable to mark where step2 ends */
 366
 367   /* Find the y bounds of scanline_slice */
 368
 369   maxy = min( l->maxy, r->maxy );
 370   miny = max( l->miny, r->miny );
 371
 372   maxy = min( maxy, (y+1)*16 );
 373   miny = max( miny,  y*16 );
 374
 375   lminx = min( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 376   lmaxx = max( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 377
 378   rminx = min( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 379   rmaxx = max( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 380
 381   thin = coarse(lmaxx) >= coarse(rminx);
 382
 383   startpix = max( coarse(lminx), 0 );
 384   stoppix  = min( coarse(rmaxx-1), ss->linelen-1 );
 385
 386   for(cpix=startpix; cpix<=stoppix; cpix++) {
 387     int lt = coarse(lmaxx-1) >= cpix;
 388     int rt = coarse(rminx) <= cpix;
 389
 390     int A, B, C;
 391
 392     POLY_DEB( printf("(%d,%d) lt=%d rt=%d\n", cpix, y, lt, rt) );
 393
 394     A = lt ? pixel_coverage(l, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy) : 0;
 395     B = lt ? 0 : 16*(maxy-miny);
 396     C = rt ? pixel_coverage(r, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy) : 0;
 397
 398     POLY_DEB( printf("A=%d B=%d C=%d\n", A, B, C) );
 399
 400     ss->line[cpix] += A+B-C;
 401
 402   }
 403
 404 }
 405
 406
 407
 408 static
 409 void
 410 render_slice_scanline_old(ss_scanline *ss, int y, p_line *l, p_line *r) {
 411
 412   pcord miny, maxy;     /* y bounds in fine coordinates */
 413   pcord lminx, lmaxx;   /* left line min/max within y bounds in fine coords */
 414   pcord rminx, rmaxx;   /* right line min/max within y bounds in fine coords */
 415   int cpix;             /* x-coordinate of current pixel */
 416   int thin;             /* boolean for thin/thick segment */
 417   int startpix;         /* temporary variable for "start of this interval" */
 418   int stoppix;          /* temporary variable for "end of this interval" */
 419   int step2end;         /* temporary variable to mark where step2 ends */
 420
 421   /* Find the y bounds of scanline_slice */
 422
 423   maxy = min( l->maxy, r->maxy );
 424   miny = max( l->miny, r->miny );
 425
 426   maxy = min( maxy, (y+1)*16 );
 427   miny = max( miny,  y*16 );
 428
 429   lminx = min( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 430   lmaxx = max( p_eval_aty(l, maxy), p_eval_aty(l, miny) );
 431
 432   rminx = min( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 433   rmaxx = max( p_eval_aty(r, maxy), p_eval_aty(r, miny) );
 434
 435   thin = coarse(lmaxx) >= coarse(rminx);
 436
 437
 438   /* First step */
 439   startpix = coarse(lminx);                             /* includes tricky starting pixel */
 440   stoppix  = min(coarse(lmaxx), coarse(rminx) );        /* last pixel is tricky */
 441
 442   /* handle start pixel */
 443
 444   cpix = startpix;
 445   if (cpix < stoppix) {
 446     ss->line[cpix] += pixel_coverage(l, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy);
 447     printf("%2d: step1 - start pixel\n", cpix);
 448   }
 449
 450   for(cpix=startpix+1; cpix<stoppix; cpix++) {
 451     printf("%2d: step1 pixel\n", cpix);
 452     ss->line[cpix] += l->updown == 1 ?
 453       8.0 * (2*maxy-p_eval_atx(l, 16*cpix)-p_eval_atx(l, 16*cpix+16))   /* up case */
 454       :
 455       8.0 * (p_eval_atx(l, 16*cpix)+p_eval_atx(l, 16*cpix+16)-2*miny);  /* down case */
 456   }
 457
 458
 459   /* handle stop pixel */
 460
 461   if (thin) { /* step 2a */
 462     startpix = coarse(rminx);
 463     stoppix = coarse(lmaxx+15); /* one more than needed */
 464
 465     for(cpix=startpix; cpix<stoppix; cpix++) {
 466       printf("%2d: step2a pixel\n", cpix);
 467       ss->line[cpix] +=
 468         pixel_coverage(l, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy)
 469         +(cpix*16+16-min(cpix*16+16, l->maxx))*(maxy-miny)
 470         -pixel_coverage(r, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy);
 471     }
 472   } else { /* step 2b */
 473     stoppix = coarse(rminx);
 474     for(/* cpix already correct */; cpix<stoppix; cpix++) {
 475       printf("%2d: step2b pixel\n", cpix);
 476       ss->line[cpix] += 16.0*(maxy-miny);
 477     }
 478   }
 479
 480   /* step 3 */
 481
 482   cpix = max(coarse(rminx), coarse(lmaxx+15));
 483   stoppix = coarse(rmaxx-15);
 484
 485   printf("step3 from %d to %d\n", cpix, stoppix);
 486
 487   for(; cpix<stoppix; cpix++) {
 488     printf("%2d: step3 pixel\n", cpix);
 489     ss->line[cpix] += 0+
 490       (l->updown == 1 ?
 491        8.0 * (2*maxy-p_eval_atx(r, 16*cpix)-p_eval_atx(r, 16*cpix+16))  /* up case */
 492        :
 493        8.0 * (p_eval_atx(r, 16*cpix)+p_eval_atx(r, 16*cpix+16)-2*miny));  /* down case */
 494   }
 495
 496   ss->line[cpix] += (16.0)*(maxy-miny) - pixel_coverage(r, cpix*16, cpix*16+16, miny, maxy);
 497 }
 498
 499
 500
 501
 502
 503
 504 /* Antialiasing polygon algorithm
 505    specs:
 506    1. only nice polygons - no crossovers
 507    2. 1/16 pixel resolution
 508    3. full antialiasing ( complete spectrum of blends )
 509    4. uses hardly any memory
 510    5. no subsampling phase
 511
 512
 513    Algorithm outline:
 514    1. Split into vertical intervals.
 515    2. handle each interval
 516
 517    For each interval we must:
 518    1. find which lines are in it
 519    2. order the lines from in increasing x order.
 520       since we are assuming no crossovers it is sufficent
 521       to check a single point on each line.
 522 */
 523
 524 /*
 525   Definitions:
 526
 527   1. Interval:  A vertical segment in which no lines cross nor end.
 528   2. Scanline:  A physical line, contains 16 subpixels in the horizontal direction
 529   3. Slice:     A start stop line pair.
 530
 531  */
 532
 533
 534 void
 535 i_poly_aa(i_img *im, int l, double *x, double *y, i_color *val) {
 536   int i ,k;                     /* Index variables */
 537   int clc;                      /* Lines inside current interval */
 538   pcord miny ,maxy;             /* Min and max values of the current slice in the subcord system */
 539   pcord tempy;
 540   int cscl;                     /* Current scanline */
 541
 542   ss_scanline templine;         /* scanline accumulator */
 543   p_point *pset;                /* List of points in polygon */
 544   p_line  *lset;                /* List of lines in polygon */
 545   p_slice *tllist;              /* List of slices */
 546
 547   mm_log((1, "i_poly_aa(im %p, l %d, x %p, y %p, val %p)\n", im, l, x, y, val));
 548
 549   for(i=0; i<l; i++) {
 550     mm_log((2, "(%.2f, %.2f)\n", x[i], y[i]));
 551   }
 552
 553
 554   POLY_DEB(
 555            fflush(stdout);
 556            setbuf(stdout, NULL);
 557            );
 558
 559   tllist   = mymalloc(sizeof(p_slice)*l);
 560
 561   ss_scanline_init(&templine, im->xsize, l);
 562
 563   pset     = point_set_new(x, y, l);
 564   lset     = line_set_new(x, y, l);
 565
 566
 567   qsort(pset, l, sizeof(p_point), (int(*)(const void *,const void *))p_compy);
 568
 569   POLY_DEB(
 570            for(i=0;i<l;i++) {
 571              printf("%d [ %d ] (%d , %d) -> (%d , %d) yspan ( %d , %d )\n",
 572                     i, lset[i].n, lset[i].x1, lset[i].y1, lset[i].x2, lset[i].y2, lset[i].miny, lset[i].maxy);
 573            }
 574            printf("MAIN LOOP\n\n");
 575            );
 576
 577
 578   /* loop on intervals */
 579   for(i=0; i<l-1; i++) {
 580     int startscan = max( coarse(pset[i].y), 0);
 581     int stopscan = min( coarse(pset[i+1].y+15), im->ysize);
 582     pcord cc = (pset[i].y + pset[i+1].y)/2;
 583
 584     if (pset[i].y == pset[i+1].y) {
 585       POLY_DEB( printf("current slice thickness = 0 => skipping\n") );
 586       continue;
 587     }
 588
 589     POLY_DEB(
 590              printf("current slice is %d: %d to %d ( cpoint %d ) scanlines %d to %d\n",
 591                     i, pset[i].y, pset[i+1].y, cc, startscan, stopscan)
 592              );
 593
 594
 595     clc = lines_in_interval(lset, l, tllist, pset[i].y, pset[i+1].y);
 596     qsort(tllist, clc, sizeof(p_slice), (int(*)(const void *,const void *))p_compx);
 597
 598     mark_updown_slices(lset, tllist, clc);
 599
 600     POLY_DEB( printf("Interval contains %d lines\n", clc) );
 601
 602     for(k=0; k<clc; k++) {
 603       int lno = tllist[k].n;
 604       p_line *ln = lset+lno;
 605       POLY_DEB(
 606                printf("%d:  line #%2d: (%2d, %2d)->(%2d, %2d) (%2d/%2d, %2d/%2d) -> (%2d/%2d, %2d/%2d) alignment=%s\n",
 607                       k, lno, ln->x1, ln->y1, ln->x2, ln->y2,
 608                       coarse(ln->x1), fine(ln->x1),
 609                       coarse(ln->y1), fine(ln->y1),
 610                       coarse(ln->x2), fine(ln->x2),
 611                       coarse(ln->y2), fine(ln->y2),
 612                       ln->updown == 0 ? "vert" : ln->updown == 1 ? "up" : "down")
 613                );
 614     }
 615     for(cscl=startscan; cscl<stopscan; cscl++) {
 616       tempy = min(cscl*16+16, pset[i+1].y);
 617       POLY_DEB( printf("evaluating scan line %d \n", cscl) );
 618       for(k=0; k<clc-1; k+=2) {
 619         POLY_DEB( printf("evaluating slice %d\n", k) );
 620         render_slice_scanline(&templine, cscl, lset+tllist[k].n, lset+tllist[k+1].n);
 621       }
 622       if (16*coarse(tempy) == tempy) {
 623         POLY_DEB( printf("flushing scan line %d\n", cscl) );
 624         scanline_flush(im, &templine, cscl, val);
 625         ss_scanline_reset(&templine);
 626       }
 627       /*
 628         else {
 629         scanline_flush(im, &templine, cscl, val);
 630         ss_scanline_reset(&templine);
 631         return 0;
 632         }
 633       */
 634     }
 635   } /* Intervals */
 636   if (16*coarse(tempy) != tempy)
 637     scanline_flush(im, &templine, cscl-1, val);
 638
 639   ss_scanline_exorcise(&templine);
 640   myfree(pset);
 641   myfree(lset);
 642   myfree(tllist);
 643
 644 } /* Function */