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