git.mutantstargoat.com Git - dosdemo/blob - src/3dgfx.c

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <stdlib.h>
   3 #include <string.h>
   4 #include <math.h>
   5 #include <assert.h>
   6 #include "3dgfx.h"
   7 #include "gfxutil.h"
   8 #include "polyfill.h"
   9 #include "polyclip.h"
  10 #include "inttypes.h"
  11 #include "demo.h"
  12 #include "util.h"
  13
  14 #define STACK_SIZE      8
  15 typedef float g3d_matrix[16];
  16
  17 #define MAX_LIGHTS              4
  18
  19 #define IMM_VBUF_SIZE   256
  20
  21 struct light {
  22         float x, y, z;
  23         float r, g, b;
  24 };
  25
  26 struct material {
  27         float kd[3];
  28         float ks[3];
  29         float shin;
  30 };
  31
  32 struct g3d_state {
  33         unsigned int opt;
  34         int frontface;
  35         int fill_mode;
  36
  37         g3d_matrix mat[G3D_NUM_MATRICES][STACK_SIZE];
  38         int mtop[G3D_NUM_MATRICES];
  39         int mmode;
  40
  41         g3d_matrix norm_mat;
  42
  43         float ambient[3];
  44         struct light lt[MAX_LIGHTS];
  45         struct material mtl;
  46
  47         int width, height;
  48         uint16_t *pixels;
  49
  50         int vport[4];
  51
  52         /* immediate mode */
  53         int imm_prim;
  54         int imm_numv, imm_pcount;
  55         struct g3d_vertex imm_curv;
  56         struct g3d_vertex imm_vbuf[IMM_VBUF_SIZE];
  57 };
  58
  59 static void imm_flush(void);
  60 static void xform4_vec3(const float *mat, float *vec);
  61 static void xform3_vec3(const float *mat, float *vec);
  62 static void shade(struct g3d_vertex *v);
  63
  64 static struct g3d_state *st;
  65 static const float idmat[] = {
  66         1, 0, 0, 0,
  67         0, 1, 0, 0,
  68         0, 0, 1, 0,
  69         0, 0, 0, 1
  70 };
  71
  72 int g3d_init(void)
  73 {
  74         int i;
  75
  76         if(!(st = calloc(1, sizeof *st))) {
  77                 fprintf(stderr, "failed to allocate G3D context\n");
  78                 return -1;
  79         }
  80         st->fill_mode = POLYFILL_FLAT;
  81
  82         for(i=0; i<G3D_NUM_MATRICES; i++) {
  83                 g3d_matrix_mode(i);
  84                 g3d_load_identity();
  85         }
  86
  87         for(i=0; i<MAX_LIGHTS; i++) {
  88                 g3d_light_color(i, 1, 1, 1);
  89         }
  90         g3d_light_ambient(0.1, 0.1, 0.1);
  91
  92         g3d_mtl_diffuse(1, 1, 1);
  93         return 0;
  94 }
  95
  96 void g3d_destroy(void)
  97 {
  98         free(st);
  99 }
 100
 101 void g3d_framebuffer(int width, int height, void *pixels)
 102 {
 103         st->width = width;
 104         st->height = height;
 105         st->pixels = pixels;
 106
 107         pfill_fb.pixels = pixels;
 108         pfill_fb.width = width;
 109         pfill_fb.height = height;
 110
 111         g3d_viewport(0, 0, width, height);
 112 }
 113
 114 void g3d_viewport(int x, int y, int w, int h)
 115 {
 116         st->vport[0] = x;
 117         st->vport[1] = y;
 118         st->vport[2] = w;
 119         st->vport[3] = h;
 120 }
 121
 122 void g3d_enable(unsigned int opt)
 123 {
 124         st->opt |= opt;
 125 }
 126
 127 void g3d_disable(unsigned int opt)
 128 {
 129         st->opt &= ~opt;
 130 }
 131
 132 void g3d_setopt(unsigned int opt, unsigned int mask)
 133 {
 134         st->opt = (st->opt & ~mask) | (opt & mask);
 135 }
 136
 137 unsigned int g3d_getopt(unsigned int mask)
 138 {
 139         return st->opt & mask;
 140 }
 141
 142 void g3d_front_face(unsigned int order)
 143 {
 144         st->frontface = order;
 145 }
 146
 147 void g3d_polygon_mode(int pmode)
 148 {
 149         st->fill_mode = pmode;
 150 }
 151
 152 void g3d_matrix_mode(int mmode)
 153 {
 154         st->mmode = mmode;
 155 }
 156
 157 void g3d_load_identity(void)
 158 {
 159         int top = st->mtop[st->mmode];
 160         memcpy(st->mat[st->mmode][top], idmat, 16 * sizeof(float));
 161 }
 162
 163 void g3d_load_matrix(const float *m)
 164 {
 165         int top = st->mtop[st->mmode];
 166         memcpy(st->mat[st->mmode][top], m, 16 * sizeof(float));
 167 }
 168
 169 #define M(i,j)  (((i) << 2) + (j))
 170 void g3d_mult_matrix(const float *m2)
 171 {
 172         int i, j, top = st->mtop[st->mmode];
 173         float m1[16];
 174         float *dest = st->mat[st->mmode][top];
 175
 176         memcpy(m1, dest, sizeof m1);
 177
 178         for(i=0; i<4; i++) {
 179                 for(j=0; j<4; j++) {
 180                         *dest++ = m1[M(0,j)] * m2[M(i,0)] +
 181                                 m1[M(1,j)] * m2[M(i,1)] +
 182                                 m1[M(2,j)] * m2[M(i,2)] +
 183                                 m1[M(3,j)] * m2[M(i,3)];
 184                 }
 185         }
 186 }
 187
 188 void g3d_push_matrix(void)
 189 {
 190         int top = st->mtop[st->mmode];
 191         if(top >= G3D_NUM_MATRICES) {
 192                 fprintf(stderr, "g3d_push_matrix overflow\n");
 193                 return;
 194         }
 195         memcpy(st->mat[st->mmode][top + 1], st->mat[st->mmode][top], 16 * sizeof(float));
 196         st->mtop[st->mmode] = top + 1;
 197 }
 198
 199 void g3d_pop_matrix(void)
 200 {
 201         if(st->mtop[st->mmode] <= 0) {
 202                 fprintf(stderr, "g3d_pop_matrix underflow\n");
 203                 return;
 204         }
 205         --st->mtop[st->mmode];
 206 }
 207
 208 void g3d_translate(float x, float y, float z)
 209 {
 210         float m[] = {1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1};
 211         m[12] = x;
 212         m[13] = y;
 213         m[14] = z;
 214         g3d_mult_matrix(m);
 215 }
 216
 217 void g3d_rotate(float deg, float x, float y, float z)
 218 {
 219         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 220
 221         float angle = M_PI * deg / 180.0f;
 222         float sina = sin(angle);
 223         float cosa = cos(angle);
 224         float one_minus_cosa = 1.0f - cosa;
 225         float nxsq = x * x;
 226         float nysq = y * y;
 227         float nzsq = z * z;
 228
 229         m[0] = nxsq + (1.0f - nxsq) * cosa;
 230         m[4] = x * y * one_minus_cosa - z * sina;
 231         m[8] = x * z * one_minus_cosa + y * sina;
 232         m[1] = x * y * one_minus_cosa + z * sina;
 233         m[5] = nysq + (1.0 - nysq) * cosa;
 234         m[9] = y * z * one_minus_cosa - x * sina;
 235         m[2] = x * z * one_minus_cosa - y * sina;
 236         m[6] = y * z * one_minus_cosa + x * sina;
 237         m[10] = nzsq + (1.0 - nzsq) * cosa;
 238         m[15] = 1.0f;
 239
 240         g3d_mult_matrix(m);
 241 }
 242
 243 void g3d_scale(float x, float y, float z)
 244 {
 245         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 246         m[0] = x;
 247         m[5] = y;
 248         m[10] = z;
 249         m[15] = 1.0f;
 250         g3d_mult_matrix(m);
 251 }
 252
 253 void g3d_ortho(float left, float right, float bottom, float top, float znear, float zfar)
 254 {
 255         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 256
 257         float dx = right - left;
 258         float dy = top - bottom;
 259         float dz = zfar - znear;
 260
 261         m[0] = 2.0 / dx;
 262         m[5] = 2.0 / dy;
 263         m[10] = -2.0 / dz;
 264         m[12] = -(right + left) / dx;
 265         m[13] = -(top + bottom) / dy;
 266         m[14] = -(zfar + znear) / dz;
 267
 268         g3d_mult_matrix(m);
 269 }
 270
 271 void g3d_frustum(float left, float right, float bottom, float top, float nr, float fr)
 272 {
 273         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 274
 275         float dx = right - left;
 276         float dy = top - bottom;
 277         float dz = fr - nr;
 278
 279         float a = (right + left) / dx;
 280         float b = (top + bottom) / dy;
 281         float c = -(fr + nr) / dz;
 282         float d = -2.0 * fr * nr / dz;
 283
 284         m[0] = 2.0 * nr / dx;
 285         m[5] = 2.0 * nr / dy;
 286         m[8] = a;
 287         m[9] = b;
 288         m[10] = c;
 289         m[11] = -1.0f;
 290         m[14] = d;
 291
 292         g3d_mult_matrix(m);
 293 }
 294
 295 void g3d_perspective(float vfov_deg, float aspect, float znear, float zfar)
 296 {
 297         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 298
 299         float vfov = M_PI * vfov_deg / 180.0f;
 300         float s = 1.0f / tan(vfov * 0.5f);
 301         float range = znear - zfar;
 302
 303         m[0] = s / aspect;
 304         m[5] = s;
 305         m[10] = (znear + zfar) / range;
 306         m[11] = -1.0f;
 307         m[14] = 2.0f * znear * zfar / range;
 308
 309         g3d_mult_matrix(m);
 310 }
 311
 312 const float *g3d_get_matrix(int which, float *m)
 313 {
 314         int top = st->mtop[which];
 315
 316         if(m) {
 317                 memcpy(m, st->mat[which][top], 16 * sizeof(float));
 318         }
 319         return st->mat[which][top];
 320 }
 321
 322 void g3d_light_pos(int idx, float x, float y, float z)
 323 {
 324         int mvtop = st->mtop[G3D_MODELVIEW];
 325
 326         st->lt[idx].x = x;
 327         st->lt[idx].y = y;
 328         st->lt[idx].z = z;
 329
 330         xform4_vec3(st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], &st->lt[idx].x);
 331 }
 332
 333 void g3d_light_color(int idx, float r, float g, float b)
 334 {
 335         st->lt[idx].r = r;
 336         st->lt[idx].g = g;
 337         st->lt[idx].b = b;
 338 }
 339
 340 void g3d_light_ambient(float r, float g, float b)
 341 {
 342         st->ambient[0] = r;
 343         st->ambient[1] = g;
 344         st->ambient[2] = b;
 345 }
 346
 347 void g3d_mtl_diffuse(float r, float g, float b)
 348 {
 349         st->mtl.kd[0] = r;
 350         st->mtl.kd[1] = g;
 351         st->mtl.kd[2] = b;
 352 }
 353
 354 void g3d_mtl_specular(float r, float g, float b)
 355 {
 356         st->mtl.ks[0] = r;
 357         st->mtl.ks[1] = g;
 358         st->mtl.ks[2] = b;
 359 }
 360
 361 void g3d_mtl_shininess(float shin)
 362 {
 363         st->mtl.shin = shin;
 364 }
 365
 366 static INLINE int calc_shift(unsigned int x)
 367 {
 368         int res = -1;
 369         while(x) {
 370                 x >>= 1;
 371                 ++res;
 372         }
 373         return res;
 374 }
 375
 376 static INLINE int calc_mask(unsigned int x)
 377 {
 378         return x - 1;
 379 }
 380
 381 void g3d_set_texture(int xsz, int ysz, void *pixels)
 382 {
 383         pfill_tex.pixels = pixels;
 384         pfill_tex.width = xsz;
 385         pfill_tex.height = ysz;
 386
 387         pfill_tex.xshift = calc_shift(xsz);
 388         pfill_tex.yshift = calc_shift(ysz);
 389         pfill_tex.xmask = calc_mask(xsz);
 390         pfill_tex.ymask = calc_mask(ysz);
 391 }
 392
 393 void g3d_draw(int prim, const struct g3d_vertex *varr, int varr_size)
 394 {
 395         g3d_draw_indexed(prim, varr, varr_size, 0, 0);
 396 }
 397
 398 void g3d_draw_indexed(int prim, const struct g3d_vertex *varr, int varr_size,
 399                 const uint16_t *iarr, int iarr_size)
 400 {
 401         int i, j, nfaces;
 402         struct pvertex pv[16];
 403         struct g3d_vertex v[16];
 404         int vnum = prim; /* primitive vertex counts correspond to enum values */
 405         int mvtop = st->mtop[G3D_MODELVIEW];
 406         int ptop = st->mtop[G3D_PROJECTION];
 407         struct g3d_vertex *tmpv;
 408
 409         tmpv = alloca(prim * 6 * sizeof *tmpv);
 410
 411         /* calc the normal matrix */
 412         memcpy(st->norm_mat, st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], 16 * sizeof(float));
 413         st->norm_mat[12] = st->norm_mat[13] = st->norm_mat[14] = 0.0f;
 414
 415         nfaces = (iarr ? iarr_size : varr_size) / vnum;
 416
 417         for(j=0; j<nfaces; j++) {
 418                 vnum = prim;    /* reset vnum for each iteration */
 419
 420                 for(i=0; i<vnum; i++) {
 421                         v[i] = iarr ? varr[*iarr++] : *varr++;
 422
 423                         xform4_vec3(st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], &v[i].x);
 424                         xform3_vec3(st->norm_mat, &v[i].nx);
 425
 426                         if(st->opt & G3D_LIGHTING) {
 427                                 shade(v + i);
 428                         }
 429                         if(st->opt & G3D_TEXTURE_GEN) {
 430                                 v[i].u = v[i].nx * 0.5 + 0.5;
 431                                 v[i].v = v[i].ny * 0.5 + 0.5;
 432                         }
 433                         xform4_vec3(st->mat[G3D_PROJECTION][ptop], &v[i].x);
 434                 }
 435
 436                 /* clipping */
 437                 for(i=0; i<6; i++) {
 438                         memcpy(tmpv, v, vnum * sizeof *v);
 439
 440                         if(clip_frustum(v, &vnum, tmpv, vnum, i) < 0) {
 441                                 /* polygon completely outside of view volume. discard */
 442                                 vnum = 0;
 443                                 break;
 444                         }
 445                 }
 446
 447                 if(!vnum) continue;
 448
 449                 for(i=0; i<vnum; i++) {
 450                         if(v[i].w != 0.0f) {
 451                                 v[i].x /= v[i].w;
 452                                 v[i].y /= v[i].w;
 453                                 /*v[i].z /= v[i].w;*/
 454                         }
 455
 456                         /* viewport transformation */
 457                         v[i].x = (v[i].x * 0.5f + 0.5f) * (float)st->vport[2] + st->vport[0];
 458                         v[i].y = (0.5f - v[i].y * 0.5f) * (float)st->vport[3] + st->vport[1];
 459
 460                         /* convert pos to 24.8 fixed point */
 461                         pv[i].x = cround64(v[i].x * 256.0f);
 462                         pv[i].y = cround64(v[i].y * 256.0f);
 463                         /* convert tex coords to 16.16 fixed point */
 464                         pv[i].u = cround64(v[i].u * 65536.0f);
 465                         pv[i].v = cround64(v[i].v * 65536.0f);
 466                         /* pass the color through as is */
 467                         pv[i].r = v[i].r;
 468                         pv[i].g = v[i].g;
 469                         pv[i].b = v[i].b;
 470                         pv[i].a = v[i].a;
 471                 }
 472
 473                 /* backface culling */
 474                 if(vnum > 2 && st->opt & G3D_CULL_FACE) {
 475                         int32_t ax = pv[1].x - pv[0].x;
 476                         int32_t ay = pv[1].y - pv[0].y;
 477                         int32_t bx = pv[2].x - pv[0].x;
 478                         int32_t by = pv[2].y - pv[0].y;
 479                         int32_t cross_z = (ax >> 4) * (by >> 4) - (ay >> 4) * (bx >> 4);
 480                         int sign = (cross_z >> 31) & 1;
 481
 482                         if(!(sign ^ st->frontface)) {
 483                                 continue;       /* back-facing */
 484                         }
 485                 }
 486
 487                 switch(vnum) {
 488                 case 1:
 489                         if(st->opt & G3D_BLEND) {
 490                                 int r, g, b;
 491                                 int inv_alpha = 255 - pv[0].a;
 492                                 uint16_t *dest = st->pixels + (pv[0].y >> 8) * st->width + (pv[0].x >> 8);
 493                                 r = ((int)pv[0].r * pv[0].a + UNPACK_R16(*dest) * inv_alpha) >> 8;
 494                                 g = ((int)pv[0].g * pv[0].a + UNPACK_G16(*dest) * inv_alpha) >> 8;
 495                                 b = ((int)pv[0].b * pv[0].a + UNPACK_B16(*dest) * inv_alpha) >> 8;
 496                                 *dest++ = PACK_RGB16(r, g, b);
 497                         } else {
 498                                 uint16_t *dest = st->pixels + (pv[0].y >> 8) * st->width + (pv[0].x >> 8);
 499                                 *dest = PACK_RGB16(pv[0].r, pv[0].g, pv[0].b);
 500                         }
 501                         break;
 502
 503                 case 2:
 504                         /* TODO: draw line */
 505                         break;
 506
 507                 default:
 508                         polyfill(st->fill_mode, pv, vnum);
 509                 }
 510         }
 511 }
 512
 513 void g3d_begin(int prim)
 514 {
 515         st->imm_prim = prim;
 516         st->imm_pcount = prim;
 517         st->imm_numv = 0;
 518 }
 519
 520 void g3d_end(void)
 521 {
 522         imm_flush();
 523 }
 524
 525 static void imm_flush(void)
 526 {
 527         int numv = st->imm_numv;
 528         st->imm_numv = 0;
 529         g3d_draw_indexed(st->imm_prim, st->imm_vbuf, numv, 0, 0);
 530 }
 531
 532 void g3d_vertex(float x, float y, float z)
 533 {
 534         struct g3d_vertex *vptr = st->imm_vbuf + st->imm_numv++;
 535         *vptr = st->imm_curv;
 536         vptr->x = x;
 537         vptr->y = y;
 538         vptr->z = z;
 539         vptr->w = 1.0f;
 540
 541         if(!--st->imm_pcount) {
 542                 if(st->imm_numv >= IMM_VBUF_SIZE - st->imm_prim) {
 543                         imm_flush();
 544                 }
 545                 st->imm_pcount = st->imm_prim;
 546         }
 547 }
 548
 549 void g3d_normal(float x, float y, float z)
 550 {
 551         st->imm_curv.nx = x;
 552         st->imm_curv.ny = y;
 553         st->imm_curv.nz = z;
 554 }
 555
 556 void g3d_color3b(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b)
 557 {
 558         st->imm_curv.r = r;
 559         st->imm_curv.g = g;
 560         st->imm_curv.b = b;
 561         st->imm_curv.a = 255;
 562 }
 563
 564 void g3d_color4b(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b, unsigned char a)
 565 {
 566         st->imm_curv.r = r;
 567         st->imm_curv.g = g;
 568         st->imm_curv.b = b;
 569         st->imm_curv.a = a;
 570 }
 571
 572 void g3d_color3f(float r, float g, float b)
 573 {
 574         int ir = r * 255.0f;
 575         int ig = g * 255.0f;
 576         int ib = b * 255.0f;
 577         st->imm_curv.r = ir > 255 ? 255 : ir;
 578         st->imm_curv.g = ig > 255 ? 255 : ig;
 579         st->imm_curv.b = ib > 255 ? 255 : ib;
 580         st->imm_curv.a = 255;
 581 }
 582
 583 void g3d_color4f(float r, float g, float b, float a)
 584 {
 585         int ir = r * 255.0f;
 586         int ig = g * 255.0f;
 587         int ib = b * 255.0f;
 588         int ia = a * 255.0f;
 589         st->imm_curv.r = ir > 255 ? 255 : ir;
 590         st->imm_curv.g = ig > 255 ? 255 : ig;
 591         st->imm_curv.b = ib > 255 ? 255 : ib;
 592         st->imm_curv.a = ia > 255 ? 255 : ia;
 593 }
 594
 595 void g3d_texcoord(float u, float v)
 596 {
 597         st->imm_curv.u = u;
 598         st->imm_curv.v = v;
 599 }
 600
 601 static void xform4_vec3(const float *mat, float *vec)
 602 {
 603         float x = mat[0] * vec[0] + mat[4] * vec[1] + mat[8] * vec[2] + mat[12];
 604         float y = mat[1] * vec[0] + mat[5] * vec[1] + mat[9] * vec[2] + mat[13];
 605         float z = mat[2] * vec[0] + mat[6] * vec[1] + mat[10] * vec[2] + mat[14];
 606         float w = mat[3] * vec[0] + mat[7] * vec[1] + mat[11] * vec[2] + mat[15];
 607
 608         vec[0] = x;
 609         vec[1] = y;
 610         vec[2] = z;
 611         vec[3] = w;
 612 }
 613
 614 static void xform3_vec3(const float *mat, float *vec)
 615 {
 616         float x = mat[0] * vec[0] + mat[4] * vec[1] + mat[8] * vec[2];
 617         float y = mat[1] * vec[0] + mat[5] * vec[1] + mat[9] * vec[2];
 618         float z = mat[2] * vec[0] + mat[6] * vec[1] + mat[10] * vec[2];
 619
 620         vec[0] = x;
 621         vec[1] = y;
 622         vec[2] = z;
 623 }
 624
 625 #define NORMALIZE(v) \
 626         do { \
 627                 float len = sqrt(v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2]); \
 628                 if(len != 0.0) { \
 629                         float s = 1.0 / len; \
 630                         v[0] *= s; \
 631                         v[1] *= s; \
 632                         v[2] *= s; \
 633                 } \
 634         } while(0)
 635
 636 static void shade(struct g3d_vertex *v)
 637 {
 638         int i, r, g, b;
 639         float color[3];
 640
 641         color[0] = st->ambient[0] * st->mtl.kd[0];
 642         color[1] = st->ambient[1] * st->mtl.kd[1];
 643         color[2] = st->ambient[2] * st->mtl.kd[2];
 644
 645         for(i=0; i<MAX_LIGHTS; i++) {
 646                 float ldir[3];
 647                 float ndotl;
 648
 649                 if(!(st->opt & (G3D_LIGHT0 << i))) {
 650                         continue;
 651                 }
 652
 653                 ldir[0] = st->lt[i].x - v->x;
 654                 ldir[1] = st->lt[i].y - v->y;
 655                 ldir[2] = st->lt[i].z - v->z;
 656                 NORMALIZE(ldir);
 657
 658                 if((ndotl = v->nx * ldir[0] + v->ny * ldir[1] + v->nz * ldir[2]) < 0.0f) {
 659                         ndotl = 0.0f;
 660                 }
 661
 662                 color[0] += st->mtl.kd[0] * st->lt[i].r * ndotl;
 663                 color[1] += st->mtl.kd[1] * st->lt[i].g * ndotl;
 664                 color[2] += st->mtl.kd[2] * st->lt[i].b * ndotl;
 665         }
 666
 667         r = cround64(color[0] * 255.0);
 668         g = cround64(color[1] * 255.0);
 669         b = cround64(color[2] * 255.0);
 670
 671         v->r = r > 255 ? 255 : r;
 672         v->g = g > 255 ? 255 : g;
 673         v->b = b > 255 ? 255 : b;
 674 }