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root/radiance/ray/src/cv/bsdfmesh.c
(Generate patch)

Comparing ray/src/cv/bsdfmesh.c (file contents):
Revision 2.9 by greg, Fri Jun 28 23:18:51 2013 UTC vs.
Revision 2.33 by greg, Fri Aug 22 05:38:44 2014 UTC

# Line 18 | Line 18 | static const char RCSid[] = "$Id$";
18   #include <string.h>
19   #include <math.h>
20   #include "bsdfrep.h"
21 +
22 + #ifndef NEIGH_FACT2
23 + #define NEIGH_FACT2     0.1     /* empirical neighborhood distance weight */
24 + #endif
25                                  /* number of processes to run */
26   int                     nprocs = 1;
27                                  /* number of children (-1 in child) */
28   static int              nchild = 0;
29  
30 < typedef struct {
31 <        int             nrows, ncols;   /* array size (matches migration) */
32 <        float           *price;         /* migration prices */
33 <        short           *sord;          /* sort for each row, low to high */
34 < } PRICEMAT;                     /* sorted pricing matrix */
30 > /* Compute average DSF value at the given radius from central vector */
31 > static double
32 > eval_DSFsurround(const RBFNODE *rbf, const FVECT outvec, const double rad)
33 > {
34 >        const int       ninc = 12;
35 >        const double    phinc = 2.*M_PI/ninc;
36 >        double          sum = 0;
37 >        int             n = 0;
38 >        FVECT           tvec;
39 >        int             i;
40 >                                                /* compute initial vector */
41 >        if (output_orient*outvec[2] >= 1.-FTINY) {
42 >                tvec[0] = tvec[2] = 0;
43 >                tvec[1] = 1;
44 >        } else {
45 >                tvec[0] = tvec[1] = 0;
46 >                tvec[2] = 1;
47 >        }
48 >        geodesic(tvec, outvec, tvec, rad, GEOD_RAD);
49 >                                                /* average surrounding DSF */
50 >        for (i = 0; i < ninc; i++) {
51 >                if (i) spinvector(tvec, tvec, outvec, phinc);
52 >                if (tvec[2] > 0 ^ output_orient > 0)
53 >                        continue;
54 >                sum += eval_rbfrep(rbf, tvec) * COSF(tvec[2]);
55 >                ++n;
56 >        }
57 >        if (n < 2)                              /* should never happen! */
58 >                return(sum);
59 >        return(sum/(double)n);
60 > }
61  
62 < #define pricerow(p,i)   ((p)->price + (i)*(p)->ncols)
63 < #define psortrow(p,i)   ((p)->sord + (i)*(p)->ncols)
62 > /* Estimate single-lobe radius for DSF at the given outgoing angle */
63 > static double
64 > est_DSFrad(const RBFNODE *rbf, const FVECT outvec)
65 > {
66 >        const double    rad_epsilon = 0.03;
67 >        const double    DSFtarget = 0.60653066 * eval_rbfrep(rbf,outvec) *
68 >                                                        COSF(outvec[2]);
69 >        double          inside_rad = rad_epsilon;
70 >        double          outside_rad = 0.5;
71 >        double          DSFinside = eval_DSFsurround(rbf, outvec, inside_rad);
72 >        double          DSFoutside = eval_DSFsurround(rbf, outvec, outside_rad);
73 > #define interp_rad      inside_rad + (outside_rad-inside_rad) * \
74 >                                (DSFtarget-DSFinside) / (DSFoutside-DSFinside)
75 >                                                /* Newton's method (sort of) */
76 >        do {
77 >                double  test_rad = interp_rad;
78 >                double  DSFtest;
79 >                if (test_rad >= outside_rad)
80 >                        return(test_rad);
81 >                if (test_rad <= inside_rad)
82 >                        return(test_rad*(test_rad>0));
83 >                DSFtest = eval_DSFsurround(rbf, outvec, test_rad);
84 >                if (DSFtest > DSFtarget) {
85 >                        inside_rad = test_rad;
86 >                        DSFinside = DSFtest;
87 >                } else {
88 >                        outside_rad = test_rad;
89 >                        DSFoutside = DSFtest;
90 >                }
91 >                if (DSFoutside >= DSFinside)
92 >                        return(test_rad);
93 >        } while (outside_rad-inside_rad > rad_epsilon);
94 >        return(interp_rad);
95 > #undef interp_rad
96 > }
97  
98 + /* Compute average BSDF peak from current DSF's */
99 + static void
100 + comp_bsdf_spec(void)
101 + {
102 +        double          peak_sum = 0;
103 +        double          rad_sum = 0;
104 +        int             n = 0;
105 +        RBFNODE         *rbf;
106 +        FVECT           sdv;
107 +
108 +        if (dsf_list == NULL) {
109 +                bsdf_spec_peak = 0;
110 +                bsdf_spec_rad = 0;
111 +                return;
112 +        }
113 +        for (rbf = dsf_list; rbf != NULL; rbf = rbf->next) {
114 +                sdv[0] = -rbf->invec[0];
115 +                sdv[1] = -rbf->invec[1];
116 +                sdv[2] = rbf->invec[2]*(2*(input_orient==output_orient) - 1);
117 +                peak_sum += eval_rbfrep(rbf, sdv);
118 +                rad_sum += est_DSFrad(rbf, sdv);
119 +                ++n;
120 +        }
121 +        bsdf_spec_peak = peak_sum/(double)n;
122 +        bsdf_spec_rad = rad_sum/(double)n;
123 + }
124 +
125   /* Create a new migration holder (sharing memory for multiprocessing) */
126   static MIGRATION *
127   new_migration(RBFNODE *from_rbf, RBFNODE *to_rbf)
# Line 134 | Line 224 | run_subprocess(void)
224  
225   #endif  /* ! _WIN32 */
226  
227 < /* Comparison routine needed for sorting price row */
138 < static int
139 < msrt_cmp(void *b, const void *p1, const void *p2)
140 < {
141 <        PRICEMAT        *pm = (PRICEMAT *)b;
142 <        int             ri = ((const short *)p1 - pm->sord) / pm->ncols;
143 <        float           c1 = pricerow(pm,ri)[*(const short *)p1];
144 <        float           c2 = pricerow(pm,ri)[*(const short *)p2];
145 <
146 <        if (c1 > c2) return(1);
147 <        if (c1 < c2) return(-1);
148 <        return(0);
149 < }
150 <
151 < /* Compute (and allocate) migration price matrix for optimization */
227 > /* Compute normalized distribution scattering functions for comparison */
228   static void
229 < price_routes(PRICEMAT *pm, const RBFNODE *from_rbf, const RBFNODE *to_rbf)
229 > compute_nDSFs(const RBFNODE *rbf0, const RBFNODE *rbf1)
230   {
231 <        FVECT   *vto = (FVECT *)malloc(sizeof(FVECT) * to_rbf->nrbf);
232 <        int     i, j;
231 >        const double    nf0 = (GRIDRES*GRIDRES) / rbf0->vtotal;
232 >        const double    nf1 = (GRIDRES*GRIDRES) / rbf1->vtotal;
233 >        int             x, y;
234 >        FVECT           dv;
235  
236 <        pm->nrows = from_rbf->nrbf;
237 <        pm->ncols = to_rbf->nrbf;
238 <        pm->price = (float *)malloc(sizeof(float) * pm->nrows*pm->ncols);
239 <        pm->sord = (short *)malloc(sizeof(short) * pm->nrows*pm->ncols);
240 <        
163 <        if ((pm->price == NULL) | (pm->sord == NULL) | (vto == NULL)) {
164 <                fprintf(stderr, "%s: Out of memory in migration_costs()\n",
165 <                                progname);
166 <                exit(1);
167 <        }
168 <        for (j = to_rbf->nrbf; j--; )           /* save repetitive ops. */
169 <                ovec_from_pos(vto[j], to_rbf->rbfa[j].gx, to_rbf->rbfa[j].gy);
170 <
171 <        for (i = from_rbf->nrbf; i--; ) {
172 <            const double        from_ang = R2ANG(from_rbf->rbfa[i].crad);
173 <            FVECT               vfrom;
174 <            ovec_from_pos(vfrom, from_rbf->rbfa[i].gx, from_rbf->rbfa[i].gy);
175 <            for (j = to_rbf->nrbf; j--; ) {
176 <                double          dprod = DOT(vfrom, vto[j]);
177 <                pricerow(pm,i)[j] = ((dprod >= 1.) ? .0 : acos(dprod)) +
178 <                                fabs(R2ANG(to_rbf->rbfa[j].crad) - from_ang);
179 <                psortrow(pm,i)[j] = j;
236 >        for (x = GRIDRES; x--; )
237 >            for (y = GRIDRES; y--; ) {
238 >                ovec_from_pos(dv, x, y);        /* cube root (brightness) */
239 >                dsf_grid[x][y].val[0] = pow(nf0*eval_rbfrep(rbf0, dv), .3333);
240 >                dsf_grid[x][y].val[1] = pow(nf1*eval_rbfrep(rbf1, dv), .3333);
241              }
242 <            qsort_r(psortrow(pm,i), pm->ncols, sizeof(short), pm, &msrt_cmp);
182 <        }
183 <        free(vto);
184 < }
242 > }      
243  
244 < /* Free price matrix */
187 < static void
188 < free_routes(PRICEMAT *pm)
189 < {
190 <        free(pm->price); pm->price = NULL;
191 <        free(pm->sord); pm->sord = NULL;
192 < }
193 <
194 < /* Compute minimum (optimistic) cost for moving the given source material */
244 > /* Compute neighborhood distance-squared (dissimilarity) */
245   static double
246 < min_cost(double amt2move, const double *avail, const PRICEMAT *pm, int s)
246 > neighborhood_dist2(int x0, int y0, int x1, int y1)
247   {
248 <        double          total_cost = 0;
249 <        int             j;
250 <
251 <        if (amt2move <= FTINY)                  /* pre-emptive check */
252 <                return(.0);
253 <                                                /* move cheapest first */
254 <        for (j = 0; j < pm->ncols && amt2move > FTINY; j++) {
255 <                int     d = psortrow(pm,s)[j];
256 <                double  amt = (amt2move < avail[d]) ? amt2move : avail[d];
257 <
208 <                total_cost += amt * pricerow(pm,s)[d];
209 <                amt2move -= amt;
248 >        int     rad = GRIDRES>>5;
249 >        double  sum2 = 0.;
250 >        double  d;
251 >        int     p[4];
252 >        int     i, j;
253 >                                                /* check radius */
254 >        p[0] = x0; p[1] = y0; p[2] = x1; p[3] = y1;
255 >        for (i = 4; i--; ) {
256 >                if (p[i] < rad) rad = p[i];
257 >                if (GRIDRES-1-p[i] < rad) rad = GRIDRES-1-p[i];
258          }
259 <        return(total_cost);
259 >        for (i = -rad; i <= rad; i++)
260 >            for (j = -rad; j <= rad; j++) {
261 >                d = dsf_grid[x0+i][y0+j].val[0] -
262 >                        dsf_grid[x1+i][y1+j].val[1];
263 >                sum2 += d*d;
264 >            }
265 >        return(sum2 / (4*rad*(rad+1) + 1));
266   }
267  
268 < /* Take a step in migration by choosing optimal bucket to transfer */
269 < static double
270 < migration_step(MIGRATION *mig, double *src_rem, double *dst_rem, const PRICEMAT *pm)
268 > /* Compute distance between two RBF lobes */
269 > double
270 > lobe_distance(RBFVAL *rbf1, RBFVAL *rbf2)
271   {
272 <        const double    maxamt = 1./(double)pm->ncols;
273 <        const double    minamt = maxamt*5e-6;
274 <        double          *src_cost;
275 <        struct {
276 <                int     s, d;   /* source and destination */
277 <                double  price;  /* price estimate per amount moved */
278 <                double  amt;    /* amount we can move */
279 <        } cur, best;
280 <        int             i;
281 <                                                /* allocate cost array */
282 <        src_cost = (double *)malloc(sizeof(double)*pm->nrows);
283 <        if (src_cost == NULL) {
284 <                fprintf(stderr, "%s: Out of memory in migration_step()\n",
231 <                                progname);
232 <                exit(1);
233 <        }
234 <        for (i = pm->nrows; i--; )              /* starting costs for diff. */
235 <                src_cost[i] = min_cost(src_rem[i], dst_rem, pm, i);
236 <
237 <                                                /* find best source & dest. */
238 <        best.s = best.d = -1; best.price = FHUGE; best.amt = 0;
239 <        for (cur.s = pm->nrows; cur.s--; ) {
240 <            double      cost_others = 0;
241 <
242 <            if (src_rem[cur.s] <= minamt)
243 <                    continue;
244 <                                                /* examine cheapest dest. */
245 <            for (i = 0; i < pm->ncols; i++)
246 <                if (dst_rem[ cur.d = psortrow(pm,cur.s)[i] ] > minamt)
247 <                        break;
248 <            if (i >= pm->ncols)
249 <                break;
250 <            if ((cur.price = pricerow(pm,cur.s)[cur.d]) >= best.price)
251 <                continue;                       /* no point checking further */
252 <            cur.amt = (src_rem[cur.s] < dst_rem[cur.d]) ?
253 <                                src_rem[cur.s] : dst_rem[cur.d];
254 <            if (cur.amt > maxamt) cur.amt = maxamt;
255 <            dst_rem[cur.d] -= cur.amt;          /* add up differential costs */
256 <            for (i = pm->nrows; i--; )
257 <                if (i != cur.s)
258 <                        cost_others += min_cost(src_rem[i], dst_rem, pm, i)
259 <                                        - src_cost[i];
260 <            dst_rem[cur.d] += cur.amt;          /* undo trial move */
261 <            cur.price += cost_others/cur.amt;   /* adjust effective price */
262 <            if (cur.price < best.price)         /* are we better than best? */
263 <                    best = cur;
264 <        }
265 <        free(src_cost);                         /* finish up */
266 <
267 <        if ((best.s < 0) | (best.d < 0))        /* nothing left to move? */
268 <                return(.0);
269 <                                                /* else make the actual move */
270 <        mtx_coef(mig,best.s,best.d) += best.amt;
271 <        src_rem[best.s] -= best.amt;
272 <        dst_rem[best.d] -= best.amt;
273 <        return(best.amt);
272 >        FVECT   vfrom, vto;
273 >        double  d, res;
274 >                                        /* quadratic cost function */
275 >        ovec_from_pos(vfrom, rbf1->gx, rbf1->gy);
276 >        ovec_from_pos(vto, rbf2->gx, rbf2->gy);
277 >        d = Acos(DOT(vfrom, vto));
278 >        res = d*d;
279 >        d = R2ANG(rbf2->crad) - R2ANG(rbf1->crad);
280 >        res += d*d;
281 >                                        /* neighborhood difference */
282 >        res += NEIGH_FACT2 * neighborhood_dist2( rbf1->gx, rbf1->gy,
283 >                                                rbf2->gx, rbf2->gy );
284 >        return(res);
285   }
286  
287 +
288   /* Compute and insert migration along directed edge (may fork child) */
289   static MIGRATION *
290   create_migration(RBFNODE *from_rbf, RBFNODE *to_rbf)
291   {
280        const double    end_thresh = 5e-6;
281        PRICEMAT        pmtx;
292          MIGRATION       *newmig;
283        double          *src_rem, *dst_rem;
284        double          total_rem = 1., move_amt;
293          int             i, j;
294                                                  /* check if exists already */
295          for (newmig = from_rbf->ejl; newmig != NULL;
# Line 290 | Line 298 | create_migration(RBFNODE *from_rbf, RBFNODE *to_rbf)
298                          return(NULL);
299                                                  /* else allocate */
300   #ifdef DEBUG
301 <        fprintf(stderr, "Building path from (theta,phi) (%.0f,%.0f) ",
301 >        fprintf(stderr, "Building path from (theta,phi) (%.1f,%.1f) ",
302                          get_theta180(from_rbf->invec),
303                          get_phi360(from_rbf->invec));
304 <        fprintf(stderr, "to (%.0f,%.0f) with %d x %d matrix\n",
304 >        fprintf(stderr, "to (%.1f,%.1f) with %d x %d matrix\n",
305                          get_theta180(to_rbf->invec),
306                          get_phi360(to_rbf->invec),
307                          from_rbf->nrbf, to_rbf->nrbf);
# Line 301 | Line 309 | create_migration(RBFNODE *from_rbf, RBFNODE *to_rbf)
309          newmig = new_migration(from_rbf, to_rbf);
310          if (run_subprocess())
311                  return(newmig);                 /* child continues */
304        price_routes(&pmtx, from_rbf, to_rbf);
305        src_rem = (double *)malloc(sizeof(double)*from_rbf->nrbf);
306        dst_rem = (double *)malloc(sizeof(double)*to_rbf->nrbf);
307        if ((src_rem == NULL) | (dst_rem == NULL)) {
308                fprintf(stderr, "%s: Out of memory in create_migration()\n",
309                                progname);
310                exit(1);
311        }
312                                                /* starting quantities */
313        memset(newmig->mtx, 0, sizeof(float)*from_rbf->nrbf*to_rbf->nrbf);
314        for (i = from_rbf->nrbf; i--; )
315                src_rem[i] = rbf_volume(&from_rbf->rbfa[i]) / from_rbf->vtotal;
316        for (j = to_rbf->nrbf; j--; )
317                dst_rem[j] = rbf_volume(&to_rbf->rbfa[j]) / to_rbf->vtotal;
312  
313 <        do {                                    /* move a bit at a time */
314 <                move_amt = migration_step(newmig, src_rem, dst_rem, &pmtx);
315 <                total_rem -= move_amt;
322 <        } while ((total_rem > end_thresh) & (move_amt > 0));
313 >                                                /* compute transport plan */
314 >        compute_nDSFs(from_rbf, to_rbf);
315 >        plan_transport(newmig);
316  
317          for (i = from_rbf->nrbf; i--; ) {       /* normalize final matrix */
318              double      nf = rbf_volume(&from_rbf->rbfa[i]);
# Line 329 | Line 322 | create_migration(RBFNODE *from_rbf, RBFNODE *to_rbf)
322                  mtx_coef(newmig,i,j) *= nf;     /* row now sums to 1.0 */
323          }
324          end_subprocess();                       /* exit here if subprocess */
332        free_routes(&pmtx);                     /* free working arrays */
333        free(src_rem);
334        free(dst_rem);
325          return(newmig);
326   }
327  
# Line 361 | Line 351 | overlaps_tri(const RBFNODE *bv0, const RBFNODE *bv1, c
351          return(vother[im_rev] != NULL);
352   }
353  
354 < /* Find context hull vertex to complete triangle (oriented call) */
354 > /* Find convex hull vertex to complete triangle (oriented call) */
355   static RBFNODE *
356   find_chull_vert(const RBFNODE *rbf0, const RBFNODE *rbf1)
357   {
# Line 382 | Line 372 | find_chull_vert(const RBFNODE *rbf0, const RBFNODE *rb
372                  if (DOT(vp, vmid) <= FTINY)
373                          continue;               /* wrong orientation */
374                  area2 = .25*DOT(vp,vp);
375 <                VSUB(vp, rbf->invec, rbf0->invec);
375 >                VSUB(vp, rbf->invec, vmid);
376                  dprod = -DOT(vp, vejn);
377                  VSUM(vp, vp, vejn, dprod);      /* above guarantees non-zero */
378                  dprod = DOT(vp, vmid) / VLEN(vp);
# Line 421 | Line 411 | mesh_from_edge(MIGRATION *edge)
411                                  ej1 = create_migration(tvert[0], edge->rbfv[1]);
412                          mesh_from_edge(ej0);
413                          mesh_from_edge(ej1);
414 +                        return;
415                  }
416 <        } else if (tvert[1] == NULL) {          /* grow mesh on left */
416 >        }
417 >        if (tvert[1] == NULL) {                 /* grow mesh on left */
418                  tvert[1] = find_chull_vert(edge->rbfv[1], edge->rbfv[0]);
419                  if (tvert[1] != NULL) {
420                          if (tvert[1]->ord > edge->rbfv[0]->ord)
# Line 438 | Line 430 | mesh_from_edge(MIGRATION *edge)
430                  }
431          }
432   }
433 +
434 + /* Add normal direction if missing */
435 + static void
436 + check_normal_incidence(void)
437 + {
438 +        static FVECT            norm_vec = {.0, .0, 1.};
439 +        const int               saved_nprocs = nprocs;
440 +        RBFNODE                 *near_rbf, *mir_rbf, *rbf;
441 +        double                  bestd;
442 +        int                     n;
443 +
444 +        if (dsf_list == NULL)
445 +                return;                         /* XXX should be error? */
446 +        near_rbf = dsf_list;
447 +        bestd = input_orient*near_rbf->invec[2];
448 +        if (single_plane_incident) {            /* ordered plane incidence? */
449 +                if (bestd >= 1.-2.*FTINY)
450 +                        return;                 /* already have normal */
451 +        } else {
452 +                switch (inp_coverage) {
453 +                case INP_QUAD1:
454 +                case INP_QUAD2:
455 +                case INP_QUAD3:
456 +                case INP_QUAD4:
457 +                        break;                  /* quadrilateral symmetry? */
458 +                default:
459 +                        return;                 /* else we can interpolate */
460 +                }
461 +                for (rbf = near_rbf->next; rbf != NULL; rbf = rbf->next) {
462 +                        const double    d = input_orient*rbf->invec[2];
463 +                        if (d >= 1.-2.*FTINY)
464 +                                return;         /* seems we have normal */
465 +                        if (d > bestd) {
466 +                                near_rbf = rbf;
467 +                                bestd = d;
468 +                        }
469 +                }
470 +        }
471 +        if (mig_list != NULL) {                 /* need to be called first */
472 +                fprintf(stderr, "%s: Late call to check_normal_incidence()\n",
473 +                                progname);
474 +                exit(1);
475 +        }
476 + #ifdef DEBUG
477 +        fprintf(stderr, "Interpolating normal incidence by mirroring (%.1f,%.1f)\n",
478 +                        get_theta180(near_rbf->invec), get_phi360(near_rbf->invec));
479 + #endif
480 +                                                /* mirror nearest incidence */
481 +        n = sizeof(RBFNODE) + sizeof(RBFVAL)*(near_rbf->nrbf-1);
482 +        mir_rbf = (RBFNODE *)malloc(n);
483 +        if (mir_rbf == NULL)
484 +                goto memerr;
485 +        memcpy(mir_rbf, near_rbf, n);
486 +        mir_rbf->ord = near_rbf->ord - 1;       /* not used, I think */
487 +        mir_rbf->next = NULL;
488 +        mir_rbf->ejl = NULL;
489 +        rev_rbf_symmetry(mir_rbf, MIRROR_X|MIRROR_Y);
490 +        nprocs = 1;                             /* compute migration matrix */
491 +        if (create_migration(mir_rbf, near_rbf) == NULL)
492 +                exit(1);                        /* XXX should never happen! */
493 +        norm_vec[2] = input_orient;             /* interpolate normal dist. */
494 +        rbf = e_advect_rbf(mig_list, norm_vec, 0);
495 +        nprocs = saved_nprocs;                  /* final clean-up */
496 +        free(mir_rbf);
497 +        free(mig_list);
498 +        mig_list = near_rbf->ejl = NULL;
499 +        insert_dsf(rbf);                        /* insert interpolated normal */
500 +        return;
501 + memerr:
502 +        fprintf(stderr, "%s: Out of memory in check_normal_incidence()\n",
503 +                                progname);
504 +        exit(1);
505 + }
506          
507   /* Build our triangle mesh from recorded RBFs */
508   void
# Line 446 | Line 511 | build_mesh(void)
511          double          best2 = M_PI*M_PI;
512          RBFNODE         *shrt_edj[2];
513          RBFNODE         *rbf0, *rbf1;
514 +                                                /* average specular peak */
515 +        comp_bsdf_spec();
516 +                                                /* add normal if needed */
517 +        check_normal_incidence();
518                                                  /* check if isotropic */
519          if (single_plane_incident) {
520                  for (rbf0 = dsf_list; rbf0 != NULL; rbf0 = rbf0->next)

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