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 "polyfill.h"
   8 #include "polyclip.h"
   9 #include "inttypes.h"
  10 #include "util.h"
  11
  12 #define STACK_SIZE      8
  13 typedef float g3d_matrix[16];
  14
  15 #define MAX_VBUF_SIZE   256
  16 #define MAX_LIGHTS              4
  17
  18 struct light {
  19         float x, y, z;
  20         float r, g, b;
  21 };
  22
  23 struct material {
  24         float kd[3];
  25         float ks[3];
  26         float shin;
  27 };
  28
  29 struct g3d_state {
  30         unsigned int opt;
  31         int frontface;
  32         int fill_mode;
  33
  34         g3d_matrix mat[G3D_NUM_MATRICES][STACK_SIZE];
  35         int mtop[G3D_NUM_MATRICES];
  36         int mmode;
  37
  38         g3d_matrix norm_mat;
  39
  40         float ambient[3];
  41         struct light lt[MAX_LIGHTS];
  42         struct material mtl;
  43
  44         int width, height;
  45         void *pixels;
  46
  47         int vport[4];
  48 };
  49
  50 static void xform4_vec3(const float *mat, float *vec);
  51 static void xform3_vec3(const float *mat, float *vec);
  52 static void shade(struct g3d_vertex *v);
  53
  54 static struct g3d_state *st;
  55 static const float idmat[] = {
  56         1, 0, 0, 0,
  57         0, 1, 0, 0,
  58         0, 0, 1, 0,
  59         0, 0, 0, 1
  60 };
  61
  62 int g3d_init(void)
  63 {
  64         int i;
  65
  66         if(!(st = calloc(1, sizeof *st))) {
  67                 fprintf(stderr, "failed to allocate G3D context\n");
  68                 return -1;
  69         }
  70         st->fill_mode = POLYFILL_FLAT;
  71
  72         for(i=0; i<G3D_NUM_MATRICES; i++) {
  73                 g3d_matrix_mode(i);
  74                 g3d_load_identity();
  75         }
  76
  77         for(i=0; i<MAX_LIGHTS; i++) {
  78                 g3d_light_color(i, 1, 1, 1);
  79         }
  80         g3d_light_ambient(0.1, 0.1, 0.1);
  81
  82         g3d_mtl_diffuse(1, 1, 1);
  83         return 0;
  84 }
  85
  86 void g3d_destroy(void)
  87 {
  88         free(st);
  89 }
  90
  91 void g3d_framebuffer(int width, int height, void *pixels)
  92 {
  93         st->width = width;
  94         st->height = height;
  95         st->pixels = pixels;
  96
  97         pfill_fb.pixels = pixels;
  98         pfill_fb.width = width;
  99         pfill_fb.height = height;
 100
 101         g3d_viewport(0, 0, width, height);
 102 }
 103
 104 void g3d_viewport(int x, int y, int w, int h)
 105 {
 106         st->vport[0] = x;
 107         st->vport[1] = y;
 108         st->vport[2] = w;
 109         st->vport[3] = h;
 110 }
 111
 112 void g3d_enable(unsigned int opt)
 113 {
 114         st->opt |= opt;
 115 }
 116
 117 void g3d_disable(unsigned int opt)
 118 {
 119         st->opt &= ~opt;
 120 }
 121
 122 void g3d_setopt(unsigned int opt, unsigned int mask)
 123 {
 124         st->opt = (st->opt & ~mask) | (opt & mask);
 125 }
 126
 127 unsigned int g3d_getopt(unsigned int mask)
 128 {
 129         return st->opt & mask;
 130 }
 131
 132 void g3d_front_face(unsigned int order)
 133 {
 134         st->frontface = order;
 135 }
 136
 137 void g3d_polygon_mode(int pmode)
 138 {
 139         st->fill_mode = pmode;
 140 }
 141
 142 void g3d_matrix_mode(int mmode)
 143 {
 144         st->mmode = mmode;
 145 }
 146
 147 void g3d_load_identity(void)
 148 {
 149         int top = st->mtop[st->mmode];
 150         memcpy(st->mat[st->mmode][top], idmat, 16 * sizeof(float));
 151 }
 152
 153 void g3d_load_matrix(const float *m)
 154 {
 155         int top = st->mtop[st->mmode];
 156         memcpy(st->mat[st->mmode][top], m, 16 * sizeof(float));
 157 }
 158
 159 #define M(i,j)  (((i) << 2) + (j))
 160 void g3d_mult_matrix(const float *m2)
 161 {
 162         int i, j, top = st->mtop[st->mmode];
 163         float m1[16];
 164         float *dest = st->mat[st->mmode][top];
 165
 166         memcpy(m1, dest, sizeof m1);
 167
 168         for(i=0; i<4; i++) {
 169                 for(j=0; j<4; j++) {
 170                         *dest++ = m1[M(0,j)] * m2[M(i,0)] +
 171                                 m1[M(1,j)] * m2[M(i,1)] +
 172                                 m1[M(2,j)] * m2[M(i,2)] +
 173                                 m1[M(3,j)] * m2[M(i,3)];
 174                 }
 175         }
 176 }
 177
 178 void g3d_push_matrix(void)
 179 {
 180         int top = st->mtop[st->mmode];
 181         if(top >= G3D_NUM_MATRICES) {
 182                 fprintf(stderr, "g3d_push_matrix overflow\n");
 183                 return;
 184         }
 185         memcpy(st->mat[st->mmode][top + 1], st->mat[st->mmode][top], 16 * sizeof(float));
 186         st->mtop[st->mmode] = top + 1;
 187 }
 188
 189 void g3d_pop_matrix(void)
 190 {
 191         if(st->mtop[st->mmode] <= 0) {
 192                 fprintf(stderr, "g3d_pop_matrix underflow\n");
 193                 return;
 194         }
 195         --st->mtop[st->mmode];
 196 }
 197
 198 void g3d_translate(float x, float y, float z)
 199 {
 200         float m[] = {1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1};
 201         m[12] = x;
 202         m[13] = y;
 203         m[14] = z;
 204         g3d_mult_matrix(m);
 205 }
 206
 207 void g3d_rotate(float deg, float x, float y, float z)
 208 {
 209         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 210
 211         float angle = M_PI * deg / 180.0f;
 212         float sina = sin(angle);
 213         float cosa = cos(angle);
 214         float one_minus_cosa = 1.0f - cosa;
 215         float nxsq = x * x;
 216         float nysq = y * y;
 217         float nzsq = z * z;
 218
 219         m[0] = nxsq + (1.0f - nxsq) * cosa;
 220         m[4] = x * y * one_minus_cosa - z * sina;
 221         m[8] = x * z * one_minus_cosa + y * sina;
 222         m[1] = x * y * one_minus_cosa + z * sina;
 223         m[5] = nysq + (1.0 - nysq) * cosa;
 224         m[9] = y * z * one_minus_cosa - x * sina;
 225         m[2] = x * z * one_minus_cosa - y * sina;
 226         m[6] = y * z * one_minus_cosa + x * sina;
 227         m[10] = nzsq + (1.0 - nzsq) * cosa;
 228         m[15] = 1.0f;
 229
 230         g3d_mult_matrix(m);
 231 }
 232
 233 void g3d_scale(float x, float y, float z)
 234 {
 235         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 236         m[0] = x;
 237         m[5] = y;
 238         m[10] = z;
 239         m[15] = 1.0f;
 240         g3d_mult_matrix(m);
 241 }
 242
 243 void g3d_ortho(float left, float right, float bottom, float top, float znear, float zfar)
 244 {
 245         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 246
 247         float dx = right - left;
 248         float dy = top - bottom;
 249         float dz = zfar - znear;
 250
 251         m[0] = 2.0 / dx;
 252         m[5] = 2.0 / dy;
 253         m[10] = -2.0 / dz;
 254         m[12] = -(right + left) / dx;
 255         m[13] = -(top + bottom) / dy;
 256         m[14] = -(zfar + znear) / dz;
 257
 258         g3d_mult_matrix(m);
 259 }
 260
 261 void g3d_frustum(float left, float right, float bottom, float top, float nr, float fr)
 262 {
 263         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 264
 265         float dx = right - left;
 266         float dy = top - bottom;
 267         float dz = fr - nr;
 268
 269         float a = (right + left) / dx;
 270         float b = (top + bottom) / dy;
 271         float c = -(fr + nr) / dz;
 272         float d = -2.0 * fr * nr / dz;
 273
 274         m[0] = 2.0 * nr / dx;
 275         m[5] = 2.0 * nr / dy;
 276         m[8] = a;
 277         m[9] = b;
 278         m[10] = c;
 279         m[11] = -1.0f;
 280         m[14] = d;
 281
 282         g3d_mult_matrix(m);
 283 }
 284
 285 void g3d_perspective(float vfov_deg, float aspect, float znear, float zfar)
 286 {
 287         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 288
 289         float vfov = M_PI * vfov_deg / 180.0f;
 290         float s = 1.0f / tan(vfov * 0.5f);
 291         float range = znear - zfar;
 292
 293         m[0] = s / aspect;
 294         m[5] = s;
 295         m[10] = (znear + zfar) / range;
 296         m[11] = -1.0f;
 297         m[14] = 2.0f * znear * zfar / range;
 298
 299         g3d_mult_matrix(m);
 300 }
 301
 302 const float *g3d_get_matrix(int which, float *m)
 303 {
 304         int top = st->mtop[which];
 305
 306         if(m) {
 307                 memcpy(m, st->mat[which][top], 16 * sizeof(float));
 308         }
 309         return st->mat[which][top];
 310 }
 311
 312 void g3d_light_pos(int idx, float x, float y, float z)
 313 {
 314         int mvtop = st->mtop[G3D_MODELVIEW];
 315
 316         st->lt[idx].x = x;
 317         st->lt[idx].y = y;
 318         st->lt[idx].z = z;
 319
 320         xform4_vec3(st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], &st->lt[idx].x);
 321 }
 322
 323 void g3d_light_color(int idx, float r, float g, float b)
 324 {
 325         st->lt[idx].r = r;
 326         st->lt[idx].g = g;
 327         st->lt[idx].b = b;
 328 }
 329
 330 void g3d_light_ambient(float r, float g, float b)
 331 {
 332         st->ambient[0] = r;
 333         st->ambient[1] = g;
 334         st->ambient[2] = b;
 335 }
 336
 337 void g3d_mtl_diffuse(float r, float g, float b)
 338 {
 339         st->mtl.kd[0] = r;
 340         st->mtl.kd[1] = g;
 341         st->mtl.kd[2] = b;
 342 }
 343
 344 void g3d_mtl_specular(float r, float g, float b)
 345 {
 346         st->mtl.ks[0] = r;
 347         st->mtl.ks[1] = g;
 348         st->mtl.ks[2] = b;
 349 }
 350
 351 void g3d_mtl_shininess(float shin)
 352 {
 353         st->mtl.shin = shin;
 354 }
 355
 356 static INLINE int calc_shift(unsigned int x)
 357 {
 358         int res = -1;
 359         while(x) {
 360                 x >>= 1;
 361                 ++res;
 362         }
 363         return res;
 364 }
 365
 366 static INLINE int calc_mask(unsigned int x)
 367 {
 368         return x - 1;
 369 }
 370
 371 void g3d_set_texture(int xsz, int ysz, void *pixels)
 372 {
 373         pfill_tex.pixels = pixels;
 374         pfill_tex.width = xsz;
 375         pfill_tex.height = ysz;
 376
 377         pfill_tex.xshift = calc_shift(xsz);
 378         pfill_tex.yshift = calc_shift(ysz);
 379         pfill_tex.xmask = calc_mask(xsz);
 380         pfill_tex.ymask = calc_mask(ysz);
 381 }
 382
 383 void g3d_draw(int prim, const struct g3d_vertex *varr, int varr_size)
 384 {
 385         g3d_draw_indexed(prim, varr, varr_size, 0, 0);
 386 }
 387
 388 void g3d_draw_indexed(int prim, const struct g3d_vertex *varr, int varr_size,
 389                 const int16_t *iarr, int iarr_size)
 390 {
 391         int i, j, nfaces;
 392         struct pvertex pv[16];
 393         struct g3d_vertex v[16];
 394         int vnum = prim; /* primitive vertex counts correspond to enum values */
 395         int mvtop = st->mtop[G3D_MODELVIEW];
 396         int ptop = st->mtop[G3D_PROJECTION];
 397
 398         /* calc the normal matrix */
 399         memcpy(st->norm_mat, st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], 16 * sizeof(float));
 400         st->norm_mat[12] = st->norm_mat[13] = st->norm_mat[14] = 0.0f;
 401
 402         nfaces = (iarr ? iarr_size : varr_size) / vnum;
 403
 404         for(j=0; j<nfaces; j++) {
 405                 vnum = prim;    /* reset vnum for each iteration */
 406
 407                 for(i=0; i<vnum; i++) {
 408                         v[i] = iarr ? varr[*iarr++] : *varr++;
 409
 410                         xform4_vec3(st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], &v[i].x);
 411                         xform3_vec3(st->norm_mat, &v[i].nx);
 412
 413                         if(st->opt & G3D_LIGHTING) {
 414                                 shade(v + i);
 415                         }
 416                         xform4_vec3(st->mat[G3D_PROJECTION][ptop], &v[i].x);
 417                 }
 418
 419                 /* clipping */
 420                 for(i=0; i<6; i++) {
 421                         struct g3d_vertex tmpv[16];
 422                         memcpy(tmpv, v, vnum * sizeof *v);
 423
 424                         if(clip_frustum(v, &vnum, tmpv, vnum, i) < 0) {
 425                                 /* polygon completely outside of view volume. discard */
 426                                 vnum = 0;
 427                                 break;
 428                         }
 429                 }
 430
 431                 if(!vnum) continue;
 432
 433                 for(i=0; i<vnum; i++) {
 434                         if(v[i].w != 0.0f) {
 435                                 v[i].x /= v[i].w;
 436                                 v[i].y /= v[i].w;
 437                                 /*v[i].z /= v[i].w;*/
 438                         }
 439
 440                         /* viewport transformation */
 441                         v[i].x = (v[i].x * 0.5f + 0.5f) * (float)st->vport[2] + st->vport[0];
 442                         v[i].y = (0.5f - v[i].y * 0.5f) * (float)st->vport[3] + st->vport[1];
 443
 444                         /* convert pos to 24.8 fixed point */
 445                         pv[i].x = cround64(v[i].x * 256.0f);
 446                         pv[i].y = cround64(v[i].y * 256.0f);
 447                         /* convert tex coords to 16.16 fixed point */
 448                         pv[i].u = cround64(v[i].u * 65536.0f);
 449                         pv[i].v = cround64(v[i].v * 65536.0f);
 450                         /* pass the color through as is */
 451                         pv[i].r = v[i].r;
 452                         pv[i].g = v[i].g;
 453                         pv[i].b = v[i].b;
 454                 }
 455
 456                 /* backface culling */
 457                 if(vnum > 2 && st->opt & G3D_CULL_FACE) {
 458                         int32_t ax = pv[1].x - pv[0].x;
 459                         int32_t ay = pv[1].y - pv[0].y;
 460                         int32_t bx = pv[2].x - pv[0].x;
 461                         int32_t by = pv[2].y - pv[0].y;
 462                         int32_t cross_z = ax * (by >> 8) - ay * (bx >> 8);
 463                         int sign = (cross_z >> 31) & 1;
 464
 465                         if(!(sign ^ st->frontface)) {
 466                                 continue;       /* back-facing */
 467                         }
 468                 }
 469
 470                 polyfill(st->fill_mode, pv, vnum);
 471         }
 472 }
 473
 474 static void xform4_vec3(const float *mat, float *vec)
 475 {
 476         float x = mat[0] * vec[0] + mat[4] * vec[1] + mat[8] * vec[2] + mat[12];
 477         float y = mat[1] * vec[0] + mat[5] * vec[1] + mat[9] * vec[2] + mat[13];
 478         float z = mat[2] * vec[0] + mat[6] * vec[1] + mat[10] * vec[2] + mat[14];
 479         float w = mat[3] * vec[0] + mat[7] * vec[1] + mat[11] * vec[2] + mat[15];
 480
 481         vec[0] = x;
 482         vec[1] = y;
 483         vec[2] = z;
 484         vec[3] = w;
 485 }
 486
 487 static void xform3_vec3(const float *mat, float *vec)
 488 {
 489         float x = mat[0] * vec[0] + mat[4] * vec[1] + mat[8] * vec[2];
 490         float y = mat[1] * vec[0] + mat[5] * vec[1] + mat[9] * vec[2];
 491         float z = mat[2] * vec[0] + mat[6] * vec[1] + mat[10] * vec[2];
 492
 493         vec[0] = x;
 494         vec[1] = y;
 495         vec[2] = z;
 496 }
 497
 498 #define NORMALIZE(v) \
 499         do { \
 500                 float len = sqrt(v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2]); \
 501                 if(len != 0.0) { \
 502                         float s = 1.0 / len; \
 503                         v[0] *= s; \
 504                         v[1] *= s; \
 505                         v[2] *= s; \
 506                 } \
 507         } while(0)
 508
 509 static void shade(struct g3d_vertex *v)
 510 {
 511         int i, r, g, b;
 512         float color[3];
 513
 514         color[0] = st->ambient[0] * st->mtl.kd[0];
 515         color[1] = st->ambient[1] * st->mtl.kd[1];
 516         color[2] = st->ambient[2] * st->mtl.kd[2];
 517
 518         for(i=0; i<MAX_LIGHTS; i++) {
 519                 float ldir[3];
 520                 float ndotl;
 521
 522                 if(!(st->opt & (G3D_LIGHT0 << i))) {
 523                         continue;
 524                 }
 525
 526                 ldir[0] = st->lt[i].x - v->x;
 527                 ldir[1] = st->lt[i].y - v->y;
 528                 ldir[2] = st->lt[i].z - v->z;
 529                 NORMALIZE(ldir);
 530
 531                 if((ndotl = v->nx * ldir[0] + v->ny * ldir[1] + v->nz * ldir[2]) < 0.0f) {
 532                         ndotl = 0.0f;
 533                 }
 534
 535                 color[0] += st->mtl.kd[0] * st->lt[i].r * ndotl;
 536                 color[1] += st->mtl.kd[1] * st->lt[i].g * ndotl;
 537                 color[2] += st->mtl.kd[2] * st->lt[i].b * ndotl;
 538         }
 539
 540         r = cround64(color[0] * 255.0);
 541         g = cround64(color[1] * 255.0);
 542         b = cround64(color[2] * 255.0);
 543
 544         v->r = r > 255 ? 255 : r;
 545         v->g = g > 255 ? 255 : g;
 546         v->b = b > 255 ? 255 : b;
 547 }