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_VBUF_SIZE   256
  18 #define MAX_LIGHTS              4
  19
  20 struct light {
  21         float x, y, z;
  22         float r, g, b;
  23 };
  24
  25 struct material {
  26         float kd[3];
  27         float ks[3];
  28         float shin;
  29 };
  30
  31 struct g3d_state {
  32         unsigned int opt;
  33         int frontface;
  34         int fill_mode;
  35
  36         g3d_matrix mat[G3D_NUM_MATRICES][STACK_SIZE];
  37         int mtop[G3D_NUM_MATRICES];
  38         int mmode;
  39
  40         g3d_matrix norm_mat;
  41
  42         float ambient[3];
  43         struct light lt[MAX_LIGHTS];
  44         struct material mtl;
  45
  46         int width, height;
  47         uint16_t *pixels;
  48
  49         int vport[4];
  50 };
  51
  52 static void xform4_vec3(const float *mat, float *vec);
  53 static void xform3_vec3(const float *mat, float *vec);
  54 static void shade(struct g3d_vertex *v);
  55
  56 static struct g3d_state *st;
  57 static const float idmat[] = {
  58         1, 0, 0, 0,
  59         0, 1, 0, 0,
  60         0, 0, 1, 0,
  61         0, 0, 0, 1
  62 };
  63
  64 int g3d_init(void)
  65 {
  66         int i;
  67
  68         if(!(st = calloc(1, sizeof *st))) {
  69                 fprintf(stderr, "failed to allocate G3D context\n");
  70                 return -1;
  71         }
  72         st->fill_mode = POLYFILL_FLAT;
  73
  74         for(i=0; i<G3D_NUM_MATRICES; i++) {
  75                 g3d_matrix_mode(i);
  76                 g3d_load_identity();
  77         }
  78
  79         for(i=0; i<MAX_LIGHTS; i++) {
  80                 g3d_light_color(i, 1, 1, 1);
  81         }
  82         g3d_light_ambient(0.1, 0.1, 0.1);
  83
  84         g3d_mtl_diffuse(1, 1, 1);
  85         return 0;
  86 }
  87
  88 void g3d_destroy(void)
  89 {
  90         free(st);
  91 }
  92
  93 void g3d_framebuffer(int width, int height, void *pixels)
  94 {
  95         st->width = width;
  96         st->height = height;
  97         st->pixels = pixels;
  98
  99         pfill_fb.pixels = pixels;
 100         pfill_fb.width = width;
 101         pfill_fb.height = height;
 102
 103         g3d_viewport(0, 0, width, height);
 104 }
 105
 106 void g3d_viewport(int x, int y, int w, int h)
 107 {
 108         st->vport[0] = x;
 109         st->vport[1] = y;
 110         st->vport[2] = w;
 111         st->vport[3] = h;
 112 }
 113
 114 void g3d_enable(unsigned int opt)
 115 {
 116         st->opt |= opt;
 117 }
 118
 119 void g3d_disable(unsigned int opt)
 120 {
 121         st->opt &= ~opt;
 122 }
 123
 124 void g3d_setopt(unsigned int opt, unsigned int mask)
 125 {
 126         st->opt = (st->opt & ~mask) | (opt & mask);
 127 }
 128
 129 unsigned int g3d_getopt(unsigned int mask)
 130 {
 131         return st->opt & mask;
 132 }
 133
 134 void g3d_front_face(unsigned int order)
 135 {
 136         st->frontface = order;
 137 }
 138
 139 void g3d_polygon_mode(int pmode)
 140 {
 141         st->fill_mode = pmode;
 142 }
 143
 144 void g3d_matrix_mode(int mmode)
 145 {
 146         st->mmode = mmode;
 147 }
 148
 149 void g3d_load_identity(void)
 150 {
 151         int top = st->mtop[st->mmode];
 152         memcpy(st->mat[st->mmode][top], idmat, 16 * sizeof(float));
 153 }
 154
 155 void g3d_load_matrix(const float *m)
 156 {
 157         int top = st->mtop[st->mmode];
 158         memcpy(st->mat[st->mmode][top], m, 16 * sizeof(float));
 159 }
 160
 161 #define M(i,j)  (((i) << 2) + (j))
 162 void g3d_mult_matrix(const float *m2)
 163 {
 164         int i, j, top = st->mtop[st->mmode];
 165         float m1[16];
 166         float *dest = st->mat[st->mmode][top];
 167
 168         memcpy(m1, dest, sizeof m1);
 169
 170         for(i=0; i<4; i++) {
 171                 for(j=0; j<4; j++) {
 172                         *dest++ = m1[M(0,j)] * m2[M(i,0)] +
 173                                 m1[M(1,j)] * m2[M(i,1)] +
 174                                 m1[M(2,j)] * m2[M(i,2)] +
 175                                 m1[M(3,j)] * m2[M(i,3)];
 176                 }
 177         }
 178 }
 179
 180 void g3d_push_matrix(void)
 181 {
 182         int top = st->mtop[st->mmode];
 183         if(top >= G3D_NUM_MATRICES) {
 184                 fprintf(stderr, "g3d_push_matrix overflow\n");
 185                 return;
 186         }
 187         memcpy(st->mat[st->mmode][top + 1], st->mat[st->mmode][top], 16 * sizeof(float));
 188         st->mtop[st->mmode] = top + 1;
 189 }
 190
 191 void g3d_pop_matrix(void)
 192 {
 193         if(st->mtop[st->mmode] <= 0) {
 194                 fprintf(stderr, "g3d_pop_matrix underflow\n");
 195                 return;
 196         }
 197         --st->mtop[st->mmode];
 198 }
 199
 200 void g3d_translate(float x, float y, float z)
 201 {
 202         float m[] = {1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1};
 203         m[12] = x;
 204         m[13] = y;
 205         m[14] = z;
 206         g3d_mult_matrix(m);
 207 }
 208
 209 void g3d_rotate(float deg, float x, float y, float z)
 210 {
 211         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 212
 213         float angle = M_PI * deg / 180.0f;
 214         float sina = sin(angle);
 215         float cosa = cos(angle);
 216         float one_minus_cosa = 1.0f - cosa;
 217         float nxsq = x * x;
 218         float nysq = y * y;
 219         float nzsq = z * z;
 220
 221         m[0] = nxsq + (1.0f - nxsq) * cosa;
 222         m[4] = x * y * one_minus_cosa - z * sina;
 223         m[8] = x * z * one_minus_cosa + y * sina;
 224         m[1] = x * y * one_minus_cosa + z * sina;
 225         m[5] = nysq + (1.0 - nysq) * cosa;
 226         m[9] = y * z * one_minus_cosa - x * sina;
 227         m[2] = x * z * one_minus_cosa - y * sina;
 228         m[6] = y * z * one_minus_cosa + x * sina;
 229         m[10] = nzsq + (1.0 - nzsq) * cosa;
 230         m[15] = 1.0f;
 231
 232         g3d_mult_matrix(m);
 233 }
 234
 235 void g3d_scale(float x, float y, float z)
 236 {
 237         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 238         m[0] = x;
 239         m[5] = y;
 240         m[10] = z;
 241         m[15] = 1.0f;
 242         g3d_mult_matrix(m);
 243 }
 244
 245 void g3d_ortho(float left, float right, float bottom, float top, float znear, float zfar)
 246 {
 247         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 248
 249         float dx = right - left;
 250         float dy = top - bottom;
 251         float dz = zfar - znear;
 252
 253         m[0] = 2.0 / dx;
 254         m[5] = 2.0 / dy;
 255         m[10] = -2.0 / dz;
 256         m[12] = -(right + left) / dx;
 257         m[13] = -(top + bottom) / dy;
 258         m[14] = -(zfar + znear) / dz;
 259
 260         g3d_mult_matrix(m);
 261 }
 262
 263 void g3d_frustum(float left, float right, float bottom, float top, float nr, float fr)
 264 {
 265         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 266
 267         float dx = right - left;
 268         float dy = top - bottom;
 269         float dz = fr - nr;
 270
 271         float a = (right + left) / dx;
 272         float b = (top + bottom) / dy;
 273         float c = -(fr + nr) / dz;
 274         float d = -2.0 * fr * nr / dz;
 275
 276         m[0] = 2.0 * nr / dx;
 277         m[5] = 2.0 * nr / dy;
 278         m[8] = a;
 279         m[9] = b;
 280         m[10] = c;
 281         m[11] = -1.0f;
 282         m[14] = d;
 283
 284         g3d_mult_matrix(m);
 285 }
 286
 287 void g3d_perspective(float vfov_deg, float aspect, float znear, float zfar)
 288 {
 289         float m[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
 290
 291         float vfov = M_PI * vfov_deg / 180.0f;
 292         float s = 1.0f / tan(vfov * 0.5f);
 293         float range = znear - zfar;
 294
 295         m[0] = s / aspect;
 296         m[5] = s;
 297         m[10] = (znear + zfar) / range;
 298         m[11] = -1.0f;
 299         m[14] = 2.0f * znear * zfar / range;
 300
 301         g3d_mult_matrix(m);
 302 }
 303
 304 const float *g3d_get_matrix(int which, float *m)
 305 {
 306         int top = st->mtop[which];
 307
 308         if(m) {
 309                 memcpy(m, st->mat[which][top], 16 * sizeof(float));
 310         }
 311         return st->mat[which][top];
 312 }
 313
 314 void g3d_light_pos(int idx, float x, float y, float z)
 315 {
 316         int mvtop = st->mtop[G3D_MODELVIEW];
 317
 318         st->lt[idx].x = x;
 319         st->lt[idx].y = y;
 320         st->lt[idx].z = z;
 321
 322         xform4_vec3(st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], &st->lt[idx].x);
 323 }
 324
 325 void g3d_light_color(int idx, float r, float g, float b)
 326 {
 327         st->lt[idx].r = r;
 328         st->lt[idx].g = g;
 329         st->lt[idx].b = b;
 330 }
 331
 332 void g3d_light_ambient(float r, float g, float b)
 333 {
 334         st->ambient[0] = r;
 335         st->ambient[1] = g;
 336         st->ambient[2] = b;
 337 }
 338
 339 void g3d_mtl_diffuse(float r, float g, float b)
 340 {
 341         st->mtl.kd[0] = r;
 342         st->mtl.kd[1] = g;
 343         st->mtl.kd[2] = b;
 344 }
 345
 346 void g3d_mtl_specular(float r, float g, float b)
 347 {
 348         st->mtl.ks[0] = r;
 349         st->mtl.ks[1] = g;
 350         st->mtl.ks[2] = b;
 351 }
 352
 353 void g3d_mtl_shininess(float shin)
 354 {
 355         st->mtl.shin = shin;
 356 }
 357
 358 static INLINE int calc_shift(unsigned int x)
 359 {
 360         int res = -1;
 361         while(x) {
 362                 x >>= 1;
 363                 ++res;
 364         }
 365         return res;
 366 }
 367
 368 static INLINE int calc_mask(unsigned int x)
 369 {
 370         return x - 1;
 371 }
 372
 373 void g3d_set_texture(int xsz, int ysz, void *pixels)
 374 {
 375         pfill_tex.pixels = pixels;
 376         pfill_tex.width = xsz;
 377         pfill_tex.height = ysz;
 378
 379         pfill_tex.xshift = calc_shift(xsz);
 380         pfill_tex.yshift = calc_shift(ysz);
 381         pfill_tex.xmask = calc_mask(xsz);
 382         pfill_tex.ymask = calc_mask(ysz);
 383 }
 384
 385 void g3d_draw(int prim, const struct g3d_vertex *varr, int varr_size)
 386 {
 387         g3d_draw_indexed(prim, varr, varr_size, 0, 0);
 388 }
 389
 390 void g3d_draw_indexed(int prim, const struct g3d_vertex *varr, int varr_size,
 391                 const int16_t *iarr, int iarr_size)
 392 {
 393         int i, j, nfaces;
 394         struct pvertex pv[16];
 395         struct g3d_vertex v[16];
 396         int vnum = prim; /* primitive vertex counts correspond to enum values */
 397         int mvtop = st->mtop[G3D_MODELVIEW];
 398         int ptop = st->mtop[G3D_PROJECTION];
 399
 400         /* calc the normal matrix */
 401         memcpy(st->norm_mat, st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], 16 * sizeof(float));
 402         st->norm_mat[12] = st->norm_mat[13] = st->norm_mat[14] = 0.0f;
 403
 404         nfaces = (iarr ? iarr_size : varr_size) / vnum;
 405
 406         for(j=0; j<nfaces; j++) {
 407                 vnum = prim;    /* reset vnum for each iteration */
 408
 409                 for(i=0; i<vnum; i++) {
 410                         v[i] = iarr ? varr[*iarr++] : *varr++;
 411
 412                         xform4_vec3(st->mat[G3D_MODELVIEW][mvtop], &v[i].x);
 413                         xform3_vec3(st->norm_mat, &v[i].nx);
 414
 415                         if(st->opt & G3D_LIGHTING) {
 416                                 shade(v + i);
 417                         }
 418                         xform4_vec3(st->mat[G3D_PROJECTION][ptop], &v[i].x);
 419                 }
 420
 421                 /* clipping */
 422                 for(i=0; i<6; i++) {
 423                         struct g3d_vertex tmpv[16];
 424                         memcpy(tmpv, v, vnum * sizeof *v);
 425
 426                         if(clip_frustum(v, &vnum, tmpv, vnum, i) < 0) {
 427                                 /* polygon completely outside of view volume. discard */
 428                                 vnum = 0;
 429                                 break;
 430                         }
 431                 }
 432
 433                 if(!vnum) continue;
 434
 435                 for(i=0; i<vnum; i++) {
 436                         if(v[i].w != 0.0f) {
 437                                 v[i].x /= v[i].w;
 438                                 v[i].y /= v[i].w;
 439                                 /*v[i].z /= v[i].w;*/
 440                         }
 441
 442                         /* viewport transformation */
 443                         v[i].x = (v[i].x * 0.5f + 0.5f) * (float)st->vport[2] + st->vport[0];
 444                         v[i].y = (0.5f - v[i].y * 0.5f) * (float)st->vport[3] + st->vport[1];
 445
 446                         /* convert pos to 24.8 fixed point */
 447                         pv[i].x = cround64(v[i].x * 256.0f);
 448                         pv[i].y = cround64(v[i].y * 256.0f);
 449                         /* convert tex coords to 16.16 fixed point */
 450                         pv[i].u = cround64(v[i].u * 65536.0f);
 451                         pv[i].v = cround64(v[i].v * 65536.0f);
 452                         /* pass the color through as is */
 453                         pv[i].r = v[i].r;
 454                         pv[i].g = v[i].g;
 455                         pv[i].b = v[i].b;
 456                         pv[i].a = v[i].a;
 457                 }
 458
 459                 /* backface culling */
 460                 if(vnum > 2 && st->opt & G3D_CULL_FACE) {
 461                         int32_t ax = pv[1].x - pv[0].x;
 462                         int32_t ay = pv[1].y - pv[0].y;
 463                         int32_t bx = pv[2].x - pv[0].x;
 464                         int32_t by = pv[2].y - pv[0].y;
 465                         int32_t cross_z = ax * (by >> 8) - ay * (bx >> 8);
 466                         int sign = (cross_z >> 31) & 1;
 467
 468                         if(!(sign ^ st->frontface)) {
 469                                 continue;       /* back-facing */
 470                         }
 471                 }
 472
 473                 switch(vnum) {
 474                 case 1:
 475                         if(st->opt & G3D_BLEND) {
 476                                 int r, g, b;
 477                                 int inv_alpha = 255 - pv[0].a;
 478                                 uint16_t *dest = st->pixels + (pv[0].y >> 8) * st->width + (pv[0].x >> 8);
 479                                 r = ((int)pv[0].r * pv[0].a + UNPACK_R16(*dest) * inv_alpha) >> 8;
 480                                 g = ((int)pv[0].g * pv[0].a + UNPACK_G16(*dest) * inv_alpha) >> 8;
 481                                 b = ((int)pv[0].b * pv[0].a + UNPACK_B16(*dest) * inv_alpha) >> 8;
 482                                 *dest++ = PACK_RGB16(r, g, b);
 483                         } else {
 484                                 uint16_t *dest = st->pixels + (pv[0].y >> 8) * st->width + (pv[0].x >> 8);
 485                                 *dest = PACK_RGB16(pv[0].r, pv[0].g, pv[0].b);
 486                         }
 487                         break;
 488
 489                 case 2:
 490                         /* TODO: draw line */
 491                         break;
 492
 493                 default:
 494                         polyfill(st->fill_mode, pv, vnum);
 495                 }
 496         }
 497 }
 498
 499 static void xform4_vec3(const float *mat, float *vec)
 500 {
 501         float x = mat[0] * vec[0] + mat[4] * vec[1] + mat[8] * vec[2] + mat[12];
 502         float y = mat[1] * vec[0] + mat[5] * vec[1] + mat[9] * vec[2] + mat[13];
 503         float z = mat[2] * vec[0] + mat[6] * vec[1] + mat[10] * vec[2] + mat[14];
 504         float w = mat[3] * vec[0] + mat[7] * vec[1] + mat[11] * vec[2] + mat[15];
 505
 506         vec[0] = x;
 507         vec[1] = y;
 508         vec[2] = z;
 509         vec[3] = w;
 510 }
 511
 512 static void xform3_vec3(const float *mat, float *vec)
 513 {
 514         float x = mat[0] * vec[0] + mat[4] * vec[1] + mat[8] * vec[2];
 515         float y = mat[1] * vec[0] + mat[5] * vec[1] + mat[9] * vec[2];
 516         float z = mat[2] * vec[0] + mat[6] * vec[1] + mat[10] * vec[2];
 517
 518         vec[0] = x;
 519         vec[1] = y;
 520         vec[2] = z;
 521 }
 522
 523 #define NORMALIZE(v) \
 524         do { \
 525                 float len = sqrt(v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2]); \
 526                 if(len != 0.0) { \
 527                         float s = 1.0 / len; \
 528                         v[0] *= s; \
 529                         v[1] *= s; \
 530                         v[2] *= s; \
 531                 } \
 532         } while(0)
 533
 534 static void shade(struct g3d_vertex *v)
 535 {
 536         int i, r, g, b;
 537         float color[3];
 538
 539         color[0] = st->ambient[0] * st->mtl.kd[0];
 540         color[1] = st->ambient[1] * st->mtl.kd[1];
 541         color[2] = st->ambient[2] * st->mtl.kd[2];
 542
 543         for(i=0; i<MAX_LIGHTS; i++) {
 544                 float ldir[3];
 545                 float ndotl;
 546
 547                 if(!(st->opt & (G3D_LIGHT0 << i))) {
 548                         continue;
 549                 }
 550
 551                 ldir[0] = st->lt[i].x - v->x;
 552                 ldir[1] = st->lt[i].y - v->y;
 553                 ldir[2] = st->lt[i].z - v->z;
 554                 NORMALIZE(ldir);
 555
 556                 if((ndotl = v->nx * ldir[0] + v->ny * ldir[1] + v->nz * ldir[2]) < 0.0f) {
 557                         ndotl = 0.0f;
 558                 }
 559
 560                 color[0] += st->mtl.kd[0] * st->lt[i].r * ndotl;
 561                 color[1] += st->mtl.kd[1] * st->lt[i].g * ndotl;
 562                 color[2] += st->mtl.kd[2] * st->lt[i].b * ndotl;
 563         }
 564
 565         r = cround64(color[0] * 255.0);
 566         g = cround64(color[1] * 255.0);
 567         b = cround64(color[2] * 255.0);
 568
 569         v->r = r > 255 ? 255 : r;
 570         v->g = g > 255 ? 255 : g;
 571         v->b = b > 255 ? 255 : b;
 572 }