almost there
authorJohn Tsiombikas <nuclear@member.fsf.org>
Tue, 27 Mar 2018 11:25:18 +0000 (14:25 +0300)
committerJohn Tsiombikas <nuclear@member.fsf.org>
Tue, 27 Mar 2018 11:25:18 +0000 (14:25 +0300)
.gitignore
src/csgimpl.h [new file with mode: 0644]
src/csgray.c
src/csgray.h
src/geom.c [new file with mode: 0644]
src/geom.h [new file with mode: 0644]
src/main.c

index 9c71b18..2b603fd 100644 (file)
@@ -2,3 +2,4 @@
 *.d
 *.swp
 csgray
+*.ppm
diff --git a/src/csgimpl.h b/src/csgimpl.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..d6cb7a4
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,67 @@
+#ifndef CSGIMPL_H_
+#define CSGIMPL_H_
+
+#include "csgray.h"
+
+enum {
+       OB_NULL,
+       OB_SPHERE,
+       OB_CYLINDER,
+       OB_PLANE,
+       OB_BOX,
+       OB_UNION,
+       OB_INTERSECTION,
+       OB_SUBTRACTION
+};
+
+struct object {
+       int type;
+
+       float r, g, b;
+       float emr, emg, emb;
+       float roughness;
+       float opacity;
+
+       float xform[16], inv_xform[16];
+
+       csg_object *next;
+
+       void (*destroy)(csg_object*);
+};
+
+struct sphere {
+       struct object ob;
+       float rad;
+};
+
+struct cylinder {
+       struct object ob;
+       float rad;
+};
+
+struct plane {
+       struct object ob;
+       float nx, ny, nz;
+       float d;
+};
+
+struct csgop {
+       struct object ob;
+       csg_object *a, *b;
+};
+
+union csg_object {
+       struct object ob;
+       struct sphere sph;
+       struct cylinder cyl;
+       struct plane plane;
+       struct csgop un, isect, sub;
+};
+
+struct camera {
+       float x, y, z;
+       float tx, ty, tz;
+       float fov;
+};
+
+#endif /* CSGIMPL_H_ */
index 0713c06..47f2a8b 100644 (file)
@@ -2,67 +2,22 @@
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <math.h>
-#include "csgray.h"
+#include "csgimpl.h"
 #include "matrix.h"
+#include "geom.h"
 
-enum {
-       OB_NULL,
-       OB_SPHERE,
-       OB_CYLINDER,
-       OB_PLANE,
-       OB_BOX,
-       OB_UNION,
-       OB_INTERSECTION,
-       OB_SUBTRACTION
-};
-
-struct object {
-       int type;
-
-       float r, g, b;
-       float emr, emg, emb;
-       float roughness;
-       float opacity;
-
-       float xform[16];
-
-       struct object *next;
-       struct object *clist, *ctail;
-       struct object *parent;
-};
-
-struct sphere {
-       struct object ob;
-       float rad;
-};
-
-struct plane {
-       struct object ob;
-       float nx, ny, nz;
-       float d;
-};
-
-union csg_object {
-       struct object ob;
-       struct sphere sph;
-       struct plane plane;
-};
-
-struct camera {
-       float x, y, z;
-       float tx, ty, tz;
-       float fov;
-};
+static void calc_primary_ray(struct ray *ray, int x, int y, int w, int h, float aspect);
+static int ray_trace(struct ray *ray, float *col);
+static void shade(float *col, struct ray *ray, struct hit *hit);
+static void background(float *col, struct ray *ray);
+static int find_intersection(struct ray *ray, struct hit *best);
 
 static struct camera cam;
-static csg_object *root;
+static csg_object *oblist;
 
 int csg_init(void)
 {
-       if(!(root = csg_null(0, 0, 0))) {
-               return -1;
-       }
-
+       oblist = 0;
        csg_view(0, 0, 5, 0, 0, 0);
        csg_fov(50);
 
@@ -71,8 +26,12 @@ int csg_init(void)
 
 void csg_destroy(void)
 {
-       csg_free_object(root);
-       root = 0;
+       while(oblist) {
+               csg_object *o = oblist;
+               oblist = oblist->ob.next;
+               csg_free_object(o);
+       }
+       oblist = 0;
 }
 
 void csg_view(float x, float y, float z, float tx, float ty, float tz)
@@ -101,63 +60,47 @@ int csg_save(const char *fname)
        return 0;       /* TODO */
 }
 
-#define OBPTR(o) ((struct object*)(o))
-
-void csg_add_object(csg_object *parent, csg_object *child)
+void csg_add_object(csg_object *o)
 {
-       if(!parent) {
-               parent = root;
-       }
-
-       if(parent->ob.clist) {
-               parent->ob.ctail->next = OBPTR(child);
-               parent->ob.ctail = OBPTR(child);
-       } else {
-               parent->ob.clist = parent->ob.ctail = OBPTR(child);
-       }
-       child->ob.parent = OBPTR(parent);
+       o->ob.next = oblist;
+       oblist = o;
 }
 
-void csg_remove_object(csg_object *parent, csg_object *child)
+int csg_remove_object(csg_object *o)
 {
-       csg_object *c;
+       csg_object dummy, *n;
 
-       if(!parent) {
-               parent = root;
-       }
+       dummy.ob.next = oblist;
+       n = &dummy;
 
-       c = (csg_object*)parent->ob.clist;
-       while(c->ob.next) {
-               if(c->ob.next == OBPTR(child)) {
-                       c->ob.next = child->ob.next;
-                       child->ob.next = 0;
-                       child->ob.parent = 0;
-                       return;
+       while(n->ob.next) {
+               if(n->ob.next == o) {
+                       n->ob.next = o->ob.next;
+                       return 1;
                }
-               c = (csg_object*)c->ob.next;
+               n = n->ob.next;
        }
+       return 0;
 }
 
 void csg_free_object(csg_object *o)
 {
-       csg_object *c = (csg_object*)o->ob.clist;
-       while(c) {
-               csg_object *tmp = c;
-               c = (csg_object*)c->ob.next;
-               csg_free_object(tmp);
+       if(o->ob.destroy) {
+               o->ob.destroy(o);
        }
        free(o);
 }
 
-static union csg_object *alloc_object(void)
+static union csg_object *alloc_object(int type)
 {
        csg_object *o;
 
        if(!(o = calloc(sizeof *o, 1))) {
                return 0;
        }
-       o->ob.type = OB_NULL;
+       o->ob.type = type;
        mat4_identity(o->ob.xform);
+       mat4_identity(o->ob.inv_xform);
 
        csg_emission(o, 0, 0, 0);
        csg_color(o, 1, 1, 1);
@@ -169,29 +112,74 @@ static union csg_object *alloc_object(void)
 
 csg_object *csg_null(float x, float y, float z)
 {
-       return alloc_object();
+       return alloc_object(OB_NULL);
 }
 
 csg_object *csg_sphere(float x, float y, float z, float r)
 {
        csg_object *o;
 
-       if(!(o = alloc_object())) {
+       if(!(o = alloc_object(OB_SPHERE))) {
                return 0;
        }
 
        o->sph.rad = r;
        mat4_translation(o->ob.xform, x, y, z);
+       mat4_copy(o->ob.inv_xform, o->ob.xform);
+       mat4_inverse(o->ob.inv_xform);
        return o;
 }
 
 csg_object *csg_cylinder(float x0, float y0, float z0, float x1, float y1, float z1, float r)
 {
-       return 0;
+       csg_object *o;
+       float dx, dy, dz;
+       int major;
+
+       if(!(o = alloc_object(OB_CYLINDER))) {
+               return 0;
+       }
+
+       dx = x1 - x0;
+       dy = y1 - y0;
+       dz = z1 - z0;
+
+       if(fabs(dx) > fabs(dy) && fabs(dx) > fabs(dz)) {
+               major = 0;
+       } else if(fabs(dy) > fabs(dz)) {
+               major = 1;
+       } else {
+               major = 2;
+       }
+
+       o->cyl.rad = r;
+       mat4_lookat(o->ob.xform, x0, y0, z0, x1, y1, z1, 0, major == 2 ? 1 : 0, major == 2 ? 0 : 1);
+       mat4_copy(o->ob.inv_xform, o->ob.xform);
+       mat4_inverse(o->ob.inv_xform);
+       return o;
 }
 
 csg_object *csg_plane(float x, float y, float z, float nx, float ny, float nz)
 {
+       csg_object *o;
+       float len;
+
+       if(!(o = alloc_object(OB_PLANE))) {
+               return 0;
+       }
+
+       len = sqrt(nx * nx + ny * ny + nz * nz);
+       if(len != 0.0f) {
+               float s = 1.0f / len;
+               nx *= s;
+               ny *= s;
+               nz *= s;
+       }
+
+       o->plane.nx = nx;
+       o->plane.ny = ny;
+       o->plane.nz = nz;
+       o->plane.d = x * nx + y * ny + z * nz;
        return 0;
 }
 
@@ -200,44 +188,144 @@ csg_object *csg_box(float x, float y, float z, float xsz, float ysz, float zsz)
        return 0;
 }
 
-
 csg_object *csg_union(csg_object *a, csg_object *b)
 {
-       return 0;
+       csg_object *o;
+
+       if(!(o = alloc_object(OB_UNION))) {
+               return 0;
+       }
+       o->un.a = a;
+       o->un.b = b;
+       return o;
 }
 
 csg_object *csg_intersection(csg_object *a, csg_object *b)
 {
-       return 0;
+       csg_object *o;
+
+       if(!(o = alloc_object(OB_INTERSECTION))) {
+               return 0;
+       }
+       o->isect.a = a;
+       o->isect.b = b;
+       return o;
 }
 
 csg_object *csg_subtraction(csg_object *a, csg_object *b)
 {
-       return 0;
+       csg_object *o;
+
+       if(!(o = alloc_object(OB_SUBTRACTION))) {
+               return 0;
+       }
+       o->sub.a = a;
+       o->sub.b = b;
+       return o;
 }
 
 
 void csg_emission(csg_object *o, float r, float g, float b)
 {
+       o->ob.emr = r;
+       o->ob.emg = g;
+       o->ob.emb = b;
 }
 
 void csg_color(csg_object *o, float r, float g, float b)
 {
+       o->ob.r = r;
+       o->ob.g = g;
+       o->ob.b = b;
 }
 
 void csg_roughness(csg_object *o, float r)
 {
+       o->ob.roughness = r;
 }
 
 void csg_opacity(csg_object *o, float p)
 {
+       o->ob.opacity = p;
 }
 
 
-void csg_render_pixel(int x, int y, float *color)
+void csg_render_pixel(int x, int y, int width, int height, float aspect, float *color)
 {
+       struct ray ray;
+
+       calc_primary_ray(&ray, x, y, width, height, aspect);
+       ray_trace(&ray, color);
 }
 
 void csg_render_image(float *pixels, int width, int height)
 {
+       int i, j;
+       float aspect = (float)width / (float)height;
+
+       for(i=0; i<height; i++) {
+               for(j=0; j<width; j++) {
+                       csg_render_pixel(j, i, width, height, aspect, pixels);
+                       pixels += 3;
+               }
+       }
+}
+
+static void calc_primary_ray(struct ray *ray, int x, int y, int w, int h, float aspect)
+{
+       float px, py;
+
+       px = aspect * ((float)x / (float)w * 2.0f - 1.0f);
+       py = 1.0f - (float)y / (float)h * 2.0f;
+
+       ray->x = px;
+       ray->y = py;
+       ray->z = cam.z;
+
+       ray->dx = ray->dy = 0.0f;
+       ray->dz = -1.0f;
+}
+
+static int ray_trace(struct ray *ray, float *col)
+{
+       struct hit hit;
+
+       if(!find_intersection(ray, &hit)) {
+               background(col, ray);
+               return 0;
+       }
+
+       shade(col, ray, &hit);
+       return 1;
+}
+
+static void shade(float *col, struct ray *ray, struct hit *hit)
+{
+       col[0] = 1.0f;
+       col[1] = col[2] = 0.0f;
+}
+
+static void background(float *col, struct ray *ray)
+{
+       col[0] = col[1] = col[2] = 0.0f;
+}
+
+static int find_intersection(struct ray *ray, struct hit *best)
+{
+       csg_object *o;
+       struct hit *hit;
+
+       best->t = 1e-6f;
+       best->o = 0;
+
+       o = oblist;
+       while(o) {
+               if((hit = ray_intersect(ray, o)) && hit->t < best->t) {
+                       *best = *hit;
+               }
+               free_hit(hit);
+               o = o->ob.next;
+       }
+
+       return best->o != 0;
 }
index 651b64e..196ecc2 100644 (file)
@@ -12,8 +12,8 @@ void csg_fov(float fov);
 int csg_load(const char *fname);
 int csg_save(const char *fname);
 
-void csg_add_object(csg_object *parent, csg_object *child);
-void csg_remove_object(csg_object *parent, csg_object *child);
+void csg_add_object(csg_object *o);
+int csg_remove_object(csg_object *o);
 void csg_free_object(csg_object *o);
 
 csg_object *csg_null(float x, float y, float z);
@@ -31,7 +31,7 @@ void csg_color(csg_object *o, float r, float g, float b);
 void csg_roughness(csg_object *o, float r);
 void csg_opacity(csg_object *o, float p);
 
-void csg_render_pixel(int x, int y, float *color);
+void csg_render_pixel(int x, int y, int width, int height, float aspect, float *color);
 void csg_render_image(float *pixels, int width, int height);
 
 #endif /* CSGRAY_H_ */
diff --git a/src/geom.c b/src/geom.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..ee7cb7d
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,172 @@
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <math.h>
+#include "geom.h"
+#include "matrix.h"
+
+/* TODO custom hit allocator */
+struct hit *alloc_hit(void)
+{
+       struct hit *hit = calloc(sizeof *hit, 1);
+       if(!hit) {
+               perror("failed to allocate ray hit node");
+               abort();
+       }
+       return hit;
+}
+
+void free_hit(struct hit *hit)
+{
+       free(hit);
+}
+
+void free_hit_list(struct hit *hit)
+{
+       while(hit) {
+               struct hit *tmp = hit;
+               hit = hit->next;
+               free_hit(tmp);
+       }
+}
+
+struct hit *ray_intersect(struct ray *ray, csg_object *o)
+{
+       switch(o->ob.type) {
+       case OB_SPHERE:
+               return ray_sphere(ray, o);
+       case OB_CYLINDER:
+               return ray_cylinder(ray, o);
+       case OB_PLANE:
+               return ray_plane(ray, o);
+       case OB_UNION:
+               return ray_csg_un(ray, o);
+       case OB_INTERSECTION:
+               return ray_csg_isect(ray, o);
+       case OB_SUBTRACTION:
+               return ray_csg_sub(ray, o);
+       default:
+               break;
+       }
+       return 0;
+}
+
+struct hit *ray_sphere(struct ray *ray, csg_object *o)
+{
+       float a, b, c, d, sqrt_d, t0, t1, t, sq_rad;
+       struct hit *hit;
+       struct ray locray = *ray;
+
+       if(o->sph.rad == 0.0f) {
+               return 0;
+       }
+       sq_rad = o->sph.rad * o->sph.rad;
+
+       xform_ray(&locray, o->ob.inv_xform);
+
+       a = locray.dx * locray.dx + locray.dy * locray.dy + locray.dz * locray.dz;
+       b = 2.0f * (locray.dx * locray.x + locray.dy * locray.y + locray.dz * locray.z);
+       c = (locray.x * locray.x + locray.y * locray.y + locray.z * locray.z) - sq_rad;
+
+       d = b * b - 4.0f * a * c;
+       if(d < 1e-6) return 0;
+
+       sqrt_d = sqrt(d);
+       t0 = (-b + sqrt_d) / (2.0f * a);
+       t1 = (-b - sqrt_d) / (2.0f * a);
+
+       if(t0 < 1e-6) t0 = t1;
+       if(t1 < 1e-6) t1 = t0;
+       t = t0 < t1 ? t0 : t1;
+       if(t < 1e-6) return 0;
+
+       hit = alloc_hit();
+       hit->t = t;
+       hit->x = ray->x + ray->dx * t;
+       hit->y = ray->y + ray->dy * t;
+       hit->z = ray->z + ray->dz * t;
+       hit->nx = hit->x / o->sph.rad;
+       hit->ny = hit->y / o->sph.rad;
+       hit->nz = hit->z / o->sph.rad;
+       hit->o = o;
+       return hit;
+}
+
+struct hit *ray_cylinder(struct ray *ray, csg_object *o)
+{
+       struct ray locray = *ray;
+
+       xform_ray(&locray, o->ob.inv_xform);
+       return 0;       /* TODO */
+}
+
+struct hit *ray_plane(struct ray *ray, csg_object *o)
+{
+       float vx, vy, vz, ndotv, ndotr, t;
+       struct hit *hit = 0;
+       struct ray locray = *ray;
+
+       xform_ray(&locray, o->ob.inv_xform);
+
+       vx = o->plane.nx * o->plane.d - locray.x;
+       vy = o->plane.ny * o->plane.d - locray.y;
+       vz = o->plane.nz * o->plane.d - locray.z;
+
+       ndotv = o->plane.nx * vx + o->plane.ny * vy + o->plane.nz * vz;
+       if(fabs(ndotv) < 1e-6) return 0;
+
+       ndotr = o->plane.nx * locray.dx + o->plane.ny * locray.dy + o->plane.nz * locray.dz;
+       t = ndotr / ndotv;
+
+       if(t > 1e-6) {
+               hit = alloc_hit();
+               hit->t = t;
+               hit->x = ray->x + ray->dx * t;
+               hit->y = ray->y + ray->dy * t;
+               hit->z = ray->z + ray->dz * t;
+               hit->nx = o->plane.nx;
+               hit->ny = o->plane.ny;
+               hit->nz = o->plane.nz;
+               hit->o = o;
+       }
+       return hit;
+}
+
+struct hit *ray_csg_un(struct ray *ray, csg_object *o)
+{
+       struct hit *hita, *hitb;
+
+       hita = ray_intersect(ray, o->un.a);
+       hitb = ray_intersect(ray, o->un.a);
+
+       if(!hita) return hitb;
+       if(!hitb) return hita;
+
+       if(hita->t < hitb->t) {
+               free_hit(hitb);
+               return hita;
+       }
+       free_hit(hita);
+       return hitb;
+}
+
+struct hit *ray_csg_isect(struct ray *ray, csg_object *o)
+{
+       return 0;
+}
+
+struct hit *ray_csg_sub(struct ray *ray, csg_object *o)
+{
+       return 0;
+}
+
+
+void xform_ray(struct ray *ray, float *mat)
+{
+       float m3x3[16];
+
+       mat4_copy(m3x3, mat);
+       mat4_upper3x3(m3x3);
+
+       mat4_xform3(&ray->x, mat, &ray->x);
+       mat4_xform3(&ray->dx, m3x3, &ray->dx);
+}
diff --git a/src/geom.h b/src/geom.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..7405fa3
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,36 @@
+#ifndef GEOM_H_
+#define GEOM_H_
+
+#include "csgray.h"
+#include "csgimpl.h"
+
+struct ray {
+       float x, y, z;
+       float dx, dy, dz;
+};
+
+struct hit {
+       float t;
+       float x, y, z;
+       float nx, ny, nz;
+       csg_object *o;
+
+       struct hit *next;
+};
+
+struct hit *alloc_hit(void);
+void free_hit(struct hit *hit);
+void free_hit_list(struct hit *hit);
+
+struct hit *ray_intersect(struct ray *ray, csg_object *o);
+
+struct hit *ray_sphere(struct ray *ray, csg_object *o);
+struct hit *ray_cylinder(struct ray *ray, csg_object *o);
+struct hit *ray_plane(struct ray *ray, csg_object *o);
+struct hit *ray_csg_un(struct ray *ray, csg_object *o);
+struct hit *ray_csg_isect(struct ray *ray, csg_object *o);
+struct hit *ray_csg_sub(struct ray *ray, csg_object *o);
+
+void xform_ray(struct ray *ray, float *mat);
+
+#endif /* GEOM_H_ */
index 9837073..7cff960 100644 (file)
@@ -30,9 +30,9 @@ int main(int argc, char **argv)
 
        oa = csg_sphere(0, 0, 0, 1);
        ob = csg_sphere(0, 1, 0, 0.8);
-       oc = csg_intersection(oa, ob);
+       oc = csg_union(oa, ob);
 
-       csg_add_object(0, oc);
+       csg_add_object(oc);
 
        csg_render_image(pixels, width, height);
        save_image(out_fname, pixels, width, height);