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