x86ベアメタル三角形描画

目的

将来x86上でOSを介さずに動く簡単な3Dエンジンを開発したいと思っています。
今回はポリゴンを理解する為にVGAに直接三角形を描画する検証を行います。

参考にした筆者の過去記事

ブートローダや、32ビットへ移行する方法及びC言語でのベアメタル開発の手順は以下に纏めています。
DVDから直接起動してC言語を動かす手順
x86ベアメタル直線描画

boot.asm,swtc.asm,linker.ldは前記事中のものを流用しています。

動作検証

QEMU

dynabook SS M10 11L/2

コード

kernel.c

#define VGA_MEM 0xA0000
#define SCREEN_W 320
#define SCREEN_H 200

typedef unsigned char  u8;

/* 点 */
typedef struct {
    int x, y;
} Point;

/* 三角形 */
typedef struct {
    Point p0, p1, p2;
    u8 color;
} Triangle;

/* (x,y)座標にcで指定した色の点を打つ
  メモリは線形。(X,Y)の位置に対応するアドレスを求める公式 = 
  VRAM開始アドレス + Y*画面の解像度横 + X
*/
void put_pixel(int x, int y, u8 c)
{
    // 描画範囲外（負値は unsigned 変換で弾く）
    if ((unsigned)x >= SCREEN_W || (unsigned)y >= SCREEN_H)
        return;
    ((volatile u8 *)VGA_MEM)[y * SCREEN_W + x] = c;
}

/* (x0, y)から (x1, y)まで横1本の線を引く */
void draw_hline(int x0, int x1, int y, u8 c)
{
    if ((unsigned)y >= SCREEN_H)return; //画面外なら即終了
    
    if (x0 > x1) { int t = x0; x0 = x1; x1 = t; }//左 → 右になるよう入れ替え
    
    for (int x = x0; x <= x1; x++)
        put_pixel(x, y, c);
}

/* 三角形塗りつぶし（底辺を揃えない・汎用版） */
void fill_triangle(const Triangle *t)
{
    // 元の頂点
    int x0 = t->p0.x, y0 = t->p0.y;
    int x1 = t->p1.x, y1 = t->p1.y;
    int x2 = t->p2.x, y2 = t->p2.y;

    // 上下ソート用
    //     top
    //        *
    //       / \
    //      /   \
    //     /     \
    //    *-------* 実際は斜め
    //  mid       bot　
    int top_x, top_y;
    int mid_x, mid_y;
    int bot_x, bot_y;

    // 上（Yが最小）
    if (y0 <= y1 && y0 <= y2) { top_x = x0; top_y = y0; }
    else if (y1 <= y0 && y1 <= y2) { top_x = x1; top_y = y1; }
    else { top_x = x2; top_y = y2; }

    // 下（Yが最大）
    if (y0 >= y1 && y0 >= y2) { bot_x = x0; bot_y = y0; }
    else if (y1 >= y0 && y1 >= y2) { bot_x = x1; bot_y = y1; }
    else { bot_x = x2; bot_y = y2; }

    // 残りが真ん中
    if ((top_x == x0 && bot_x == x1) || (top_x == x1 && bot_x == x0))
        { mid_x = x2; mid_y = y2; }
    else if ((top_x == x0 && bot_x == x2) || (top_x == x2 && bot_x == x0))
        { mid_x = x1; mid_y = y1; }
    else
        { mid_x = x0; mid_y = y0; }

    // 分割描画に必要な差分(Yの差 ΔY)
    // 上半分と下半分に分けて描画する
    int dy_top_mid = mid_y - top_y;
    int dy_top_bot = bot_y - top_y;
    int dy_mid_bot = bot_y - mid_y;

    // 上部（top ～ mid）
    // 上現在のY座標 yにおいて、三角形の左端 xaと右端 xbを計算して、その間を横線で塗る
    for (int y = top_y; y <= mid_y; y++) { // 行ループ（Y方向）
    
        if ((unsigned)y >= SCREEN_H) continue; // 画面端を越えたら何もしない

        int xa = top_x;
        int xb = top_x;

        // 今のY位置における、top→midの辺のX座標を求める
        if (dy_top_mid != 0) // 0除算防止
        // 現在の行が全体の何割進んだか（相似比）を求め、
        // その割合だけXを加算（或いは減算）して位置を補間する
            xa += (mid_x - top_x) * (y - top_y) / dy_top_mid; // 短辺
        if (dy_top_bot != 0)
            xb += (bot_x - top_x) * (y - top_y) / dy_top_bot; // 長編

        if (xa > xb) { int tmp = xa; xa = xb; xb = tmp; } // 常に xa ≤ xbにする (xa→xbへ描写する)
        draw_hline(xa, xb, y, t->color);
    }

    // 下部（mid ～ bot）
    for (int y = mid_y + 1; y <= bot_y; y++) {
        if ((unsigned)y >= SCREEN_H) continue;

        int xa = mid_x;
        int xb = top_x;

        if (dy_mid_bot != 0)
            xa += (bot_x - mid_x) * (y - mid_y) / dy_mid_bot;
        if (dy_top_bot != 0)
            xb += (bot_x - top_x) * (y - top_y) / dy_top_bot;

        if (xa > xb) { int tmp = xa; xa = xb; xb = tmp; }
        draw_hline(xa, xb, y, t->color);
    }
}

/* 無限待機(省電力) */
static void idle_loop(void)
{
    while (1)
        __asm__ volatile ("hlt");
}

void kernel_main(void)
{
    Triangle tri = {
        .p0 = {70, 170},
        .p1 = {180, 40},
        .p2 = {260, 140},
        .color = 12
    };

    fill_triangle(&tri);

    idle_loop();
}