git.mutantstargoat.com Git - dosdemo/blob - src/metasurf.c

   1 /*
   2 metasurf - a library for implicit surface polygonization
   3 Copyright (C) 2011-2015  John Tsiombikas <nuclear@member.fsf.org>
   4
   5 This program is free software: you can redistribute it and/or modify
   6 it under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by
   7 the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
   8 (at your option) any later version.
   9
  10 This program is distributed in the hope that it will be useful,
  11 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  13 GNU Lesser General Public License for more details.
  14
  15 You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License
  16 along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  17 */
  18 #include <stdio.h>
  19 #include <stdlib.h>
  20 #include "metasurf.h"
  21 #include "mcubes.h"
  22
  23 #undef USE_MTETRA
  24 #define USE_MCUBES
  25
  26 #if (defined(USE_MTETRA) && defined(USE_MCUBES)) || (!defined(USE_MTETRA) && !defined(USE_MCUBES))
  27 #error "pick either USE_MTETRA or USE_MCUBES, not both..."
  28 #endif
  29
  30 typedef float vec3[3];
  31
  32 struct metasurface {
  33         vec3 min, max;
  34         int res[3];
  35         float thres;
  36
  37         msurf_eval_func_t eval;
  38         msurf_vertex_func_t vertex;
  39         msurf_normal_func_t normal;
  40         void *udata;
  41
  42         float dx, dy, dz;
  43         int flip;
  44
  45         vec3 vbuf[3];
  46         int nverts;
  47 };
  48
  49 static int msurf_init(struct metasurface *ms);
  50 static void process_cell(struct metasurface *ms, vec3 pos, vec3 sz);
  51 #ifdef USE_MTETRA
  52 static void process_tetra(struct metasurface *ms, int *idx, vec3 *pos, float *val);
  53 #endif
  54 #ifdef USE_MCUBES
  55 static void process_cube(struct metasurface *ms, vec3 *pos, float *val);
  56 #endif
  57
  58
  59 struct metasurface *msurf_create(void)
  60 {
  61         struct metasurface *ms;
  62
  63         if(!(ms = malloc(sizeof *ms))) {
  64                 return 0;
  65         }
  66         if(msurf_init(ms) == -1) {
  67                 free(ms);
  68         }
  69         return ms;
  70 }
  71
  72 void msurf_free(struct metasurface *ms)
  73 {
  74         free(ms);
  75 }
  76
  77 static int msurf_init(struct metasurface *ms)
  78 {
  79         ms->thres = 0.0;
  80         ms->eval = 0;
  81         ms->vertex = 0;
  82         ms->normal = 0;
  83         ms->udata = 0;
  84         ms->min[0] = ms->min[1] = ms->min[2] = -1.0;
  85         ms->max[0] = ms->max[1] = ms->max[2] = 1.0;
  86         ms->res[0] = ms->res[1] = ms->res[2] = 40;
  87         ms->nverts = 0;
  88
  89         ms->dx = ms->dy = ms->dz = 0.001;
  90         ms->flip = 0;
  91
  92         return 0;
  93 }
  94
  95 void msurf_set_user_data(struct metasurface *ms, void *udata)
  96 {
  97         ms->udata = udata;
  98 }
  99
 100 void *msurf_get_user_data(struct metasurface *ms)
 101 {
 102         return ms->udata;
 103 }
 104
 105 void msurf_set_inside(struct metasurface *ms, int inside)
 106 {
 107         switch(inside) {
 108         case MSURF_GREATER:
 109                 ms->flip = 0;
 110                 break;
 111
 112         case MSURF_LESS:
 113                 ms->flip = 1;
 114                 break;
 115
 116         default:
 117                 fprintf(stderr, "msurf_inside expects MSURF_GREATER or MSURF_LESS\n");
 118         }
 119 }
 120
 121 int msurf_get_inside(struct metasurface *ms)
 122 {
 123         return ms->flip ? MSURF_LESS : MSURF_GREATER;
 124 }
 125
 126 void msurf_eval_func(struct metasurface *ms, msurf_eval_func_t func)
 127 {
 128         ms->eval = func;
 129 }
 130
 131 void msurf_vertex_func(struct metasurface *ms, msurf_vertex_func_t func)
 132 {
 133         ms->vertex = func;
 134 }
 135
 136 void msurf_normal_func(struct metasurface *ms, msurf_normal_func_t func)
 137 {
 138         ms->normal = func;
 139 }
 140
 141 void msurf_set_bounds(struct metasurface *ms, float xmin, float ymin, float zmin, float xmax, float ymax, float zmax)
 142 {
 143         ms->min[0] = xmin;
 144         ms->min[1] = ymin;
 145         ms->min[2] = zmin;
 146         ms->max[0] = xmax;
 147         ms->max[1] = ymax;
 148         ms->max[2] = zmax;
 149 }
 150
 151 void msurf_get_bounds(struct metasurface *ms, float *xmin, float *ymin, float *zmin, float *xmax, float *ymax, float *zmax)
 152 {
 153         *xmin = ms->min[0];
 154         *ymin = ms->min[1];
 155         *zmin = ms->min[2];
 156         *xmax = ms->max[0];
 157         *ymax = ms->max[1];
 158         *zmax = ms->max[2];
 159 }
 160
 161 void msurf_set_resolution(struct metasurface *ms, int xres, int yres, int zres)
 162 {
 163         ms->res[0] = xres;
 164         ms->res[1] = yres;
 165         ms->res[2] = zres;
 166 }
 167
 168 void msurf_get_resolution(struct metasurface *ms, int *xres, int *yres, int *zres)
 169 {
 170         *xres = ms->res[0];
 171         *yres = ms->res[1];
 172         *zres = ms->res[2];
 173 }
 174
 175 void msurf_set_threshold(struct metasurface *ms, float thres)
 176 {
 177         ms->thres = thres;
 178 }
 179
 180 float msurf_get_threshold(struct metasurface *ms)
 181 {
 182         return ms->thres;
 183 }
 184
 185
 186 int msurf_polygonize(struct metasurface *ms)
 187 {
 188         int i, j, k;
 189         vec3 pos, delta;
 190
 191         if(!ms->eval || !ms->vertex) {
 192                 fprintf(stderr, "you need to set eval and vertex callbacks before calling msurf_polygonize\n");
 193                 return -1;
 194         }
 195
 196         for(i=0; i<3; i++) {
 197                 delta[i] = (ms->max[i] - ms->min[i]) / (float)ms->res[i];
 198         }
 199
 200         pos[0] = ms->min[0];
 201         for(i=0; i<ms->res[0] - 1; i++) {
 202                 pos[1] = ms->min[1];
 203                 for(j=0; j<ms->res[1] - 1; j++) {
 204
 205                         pos[2] = ms->min[2];
 206                         for(k=0; k<ms->res[2] - 1; k++) {
 207
 208                                 process_cell(ms, pos, delta);
 209
 210                                 pos[2] += delta[2];
 211                         }
 212                         pos[1] += delta[1];
 213                 }
 214                 pos[0] += delta[0];
 215         }
 216         return 0;
 217 }
 218
 219
 220 static void process_cell(struct metasurface *ms, vec3 pos, vec3 sz)
 221 {
 222         int i;
 223         vec3 p[8];
 224         float val[8];
 225
 226 #ifdef USE_MTETRA
 227         static int tetra[][4] = {
 228                 {0, 2, 3, 7},
 229                 {0, 2, 6, 7},
 230                 {0, 4, 6, 7},
 231                 {0, 6, 1, 2},
 232                 {0, 6, 1, 4},
 233                 {5, 6, 1, 4}
 234         };
 235 #endif
 236
 237         static const float offs[][3] = {
 238                 {0.0f, 0.0f, 0.0f},
 239                 {1.0f, 0.0f, 0.0f},
 240                 {1.0f, 1.0f, 0.0f},
 241                 {0.0f, 1.0f, 0.0f},
 242                 {0.0f, 0.0f, 1.0f},
 243                 {1.0f, 0.0f, 1.0f},
 244                 {1.0f, 1.0f, 1.0f},
 245                 {0.0f, 1.0f, 1.0f}
 246         };
 247
 248         for(i=0; i<8; i++) {
 249                 p[i][0] = pos[0] + sz[0] * offs[i][2];
 250                 p[i][1] = pos[1] + sz[1] * offs[i][1];
 251                 p[i][2] = pos[2] + sz[2] * offs[i][0];
 252
 253                 val[i] = ms->eval(ms, p[i][0], p[i][1], p[i][2]);
 254         }
 255
 256 #ifdef USE_MTETRA
 257         for(i=0; i<6; i++) {
 258                 process_tetra(ms, tetra[i], p, val);
 259         }
 260 #endif
 261 #ifdef USE_MCUBES
 262         process_cube(ms, p, val);
 263 #endif
 264 }
 265
 266
 267 /* ---- marching cubes implementation ---- */
 268 #ifdef USE_MCUBES
 269
 270 static unsigned int mc_bitcode(float *val, float thres);
 271
 272 static void process_cube(struct metasurface *ms, vec3 *pos, float *val)
 273 {
 274         static const int pidx[12][2] = {
 275                 {0, 1}, {1, 2}, {2, 3}, {3, 0}, {4, 5}, {5, 6},
 276                 {6, 7}, {7, 4}, {0, 4}, {1, 5}, {2, 6}, {3, 7}
 277         };
 278         int i, j;
 279         vec3 vert[12];
 280         unsigned int code = mc_bitcode(val, ms->thres);
 281
 282         if(ms->flip) {
 283                 code = ~code & 0xff;
 284         }
 285
 286         if(mc_edge_table[code] == 0) {
 287                 return;
 288         }
 289
 290         for(i=0; i<12; i++) {
 291                 if(mc_edge_table[code] & (1 << i)) {
 292                         int p0 = pidx[i][0];
 293                         int p1 = pidx[i][1];
 294
 295                         float t = (ms->thres - val[p0]) / (val[p1] - val[p0]);
 296                         vert[i][0] = pos[p0][0] + (pos[p1][0] - pos[p0][0]) * t;
 297                         vert[i][1] = pos[p0][1] + (pos[p1][1] - pos[p0][1]) * t;
 298                         vert[i][2] = pos[p0][2] + (pos[p1][2] - pos[p0][2]) * t;
 299                 }
 300         }
 301
 302         for(i=0; mc_tri_table[code][i] != -1; i+=3) {
 303                 for(j=0; j<3; j++) {
 304                         float *v = vert[mc_tri_table[code][i + j]];
 305
 306                         if(ms->normal) {
 307                                 float dfdx, dfdy, dfdz;
 308                                 dfdx = ms->eval(ms, v[0] - ms->dx, v[1], v[2]) - ms->eval(ms, v[0] + ms->dx, v[1], v[2]);
 309                                 dfdy = ms->eval(ms, v[0], v[1] - ms->dy, v[2]) - ms->eval(ms, v[0], v[1] + ms->dy, v[2]);
 310                                 dfdz = ms->eval(ms, v[0], v[1], v[2] - ms->dz) - ms->eval(ms, v[0], v[1], v[2] + ms->dz);
 311
 312                                 if(ms->flip) {
 313                                         dfdx = -dfdx;
 314                                         dfdy = -dfdy;
 315                                         dfdz = -dfdz;
 316                                 }
 317                                 ms->normal(ms, dfdx, dfdy, dfdz);
 318                         }
 319
 320                         /* TODO multithreadied polygon emmit */
 321                         ms->vertex(ms, v[0], v[1], v[2]);
 322                 }
 323         }
 324 }
 325
 326 static unsigned int mc_bitcode(float *val, float thres)
 327 {
 328         unsigned int i, res = 0;
 329
 330         for(i=0; i<8; i++) {
 331                 if(val[i] > thres) {
 332                         res |= 1 << i;
 333                 }
 334         }
 335         return res;
 336 }
 337 #endif  /* USE_MCUBES */
 338
 339
 340 /* ---- marching tetrahedra implementation (incomplete) ---- */
 341 #ifdef USE_MTETRA
 342
 343 static unsigned int mt_bitcode(float v0, float v1, float v2, float v3, float thres);
 344 static void emmit(struct metasurface *ms, float v0, float v1, vec3 p0, vec3 p1, int rev)
 345
 346
 347 #define REVBIT(x)       ((x) & 8)
 348 #define INV(x)          (~(x) & 0xf)
 349 #define EDGE(a, b)      emmit(ms, val[idx[a]], val[idx[b]], pos[idx[a]], pos[idx[b]], REVBIT(code))
 350 static void process_tetra(struct metasurface *ms, int *idx, vec3 *pos, float *val)
 351 {
 352         unsigned int code = mt_bitcode(val[idx[0]], val[idx[1]], val[idx[2]], val[idx[3]], ms->thres);
 353
 354         switch(code) {
 355         case 1:
 356         case INV(1):
 357                 EDGE(0, 1);
 358                 EDGE(0, 2);
 359                 EDGE(0, 3);
 360                 break;
 361
 362         case 2:
 363         case INV(2):
 364                 EDGE(1, 0);
 365                 EDGE(1, 3);
 366                 EDGE(1, 2);
 367                 break;
 368
 369         case 3:
 370         case INV(3):
 371                 EDGE(0, 3);
 372                 EDGE(0, 2);
 373                 EDGE(1, 3);
 374
 375                 EDGE(1, 3);
 376                 EDGE(1, 2);
 377                 EDGE(0, 2);
 378                 break;
 379
 380         case 4:
 381         case INV(4):
 382                 EDGE(2, 0);
 383                 EDGE(2, 1);
 384                 EDGE(2, 3);
 385                 break;
 386
 387         case 5:
 388         case INV(5):
 389                 EDGE(0, 1);
 390                 EDGE(2, 3);
 391                 EDGE(0, 3);
 392
 393                 EDGE(0, 1);
 394                 EDGE(1, 2);
 395                 EDGE(2, 3);
 396                 break;
 397
 398         case 6:
 399         case INV(6):
 400                 EDGE(0, 1);
 401                 EDGE(1, 3);
 402                 EDGE(2, 3);
 403
 404                 EDGE(0, 1);
 405                 EDGE(0, 2);
 406                 EDGE(2, 3);
 407                 break;
 408
 409         case 7:
 410         case INV(7):
 411                 EDGE(3, 0);
 412                 EDGE(3, 2);
 413                 EDGE(3, 1);
 414                 break;
 415
 416         default:
 417                 break;  /* cases 0 and 15 */
 418         }
 419 }
 420
 421 #define BIT(i)  ((v##i > thres) ? (1 << i) : 0)
 422 static unsigned int mt_bitcode(float v0, float v1, float v2, float v3, float thres)
 423 {
 424         return BIT(0) | BIT(1) | BIT(2) | BIT(3);
 425 }
 426
 427 static void emmit(struct metasurface *ms, float v0, float v1, vec3 p0, vec3 p1, int rev)
 428 {
 429         int i;
 430         float t = (ms->thres - v0) / (v1 - v0);
 431
 432         vec3 p;
 433         for(i=0; i<3; i++) {
 434                 p[i] = p0[i] + (p1[i] - p0[i]) * t;
 435         }
 436         ms->vertex(ms, p[0], p[1], p[2]);
 437
 438         /*for(i=0; i<3; i++) {
 439                 ms->vbuf[ms->nverts][i] = p0[i] + (p1[i] - p0[i]) * t;
 440         }
 441
 442         if(++ms->nverts >= 3) {
 443                 ms->nverts = 0;
 444
 445                 for(i=0; i<3; i++) {
 446                         int idx = rev ? (2 - i) : i;
 447                         ms->vertex(ms, ms->vbuf[idx][0], ms->vbuf[idx][1], ms->vbuf[idx][2]);
 448                 }
 449         }*/
 450 }
 451 #endif  /* USE_MTETRA */