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

Comparing ray/src/cv/bsdfrbf.c (file contents):
Revision 2.1 by greg, Fri Oct 19 04:14:29 2012 UTC vs.
Revision 2.20 by greg, Sat Mar 8 18:16:49 2014 UTC

# Line 7 | Line 7 | static const char RCSid[] = "$Id$";
7   *      G. Ward
8   */
9  
10 + /****************************************************************
11 + 1) Collect samples into a grid using the Shirley-Chiu
12 +        angular mapping from a hemisphere to a square.
13 +
14 + 2) Compute an adaptive quadtree by subdividing the grid so that
15 +        each leaf node has at least one sample up to as many
16 +        samples as fit nicely on a plane to within a certain
17 +        MSE tolerance.
18 +
19 + 3) Place one Gaussian lobe at each leaf node in the quadtree,
20 +        sizing it to have a radius equal to the leaf size and
21 +        a volume equal to the energy in that node.
22 + *****************************************************************/
23 +
24   #define _USE_MATH_DEFINES
25   #include <stdio.h>
26   #include <stdlib.h>
# Line 15 | Line 29 | static const char RCSid[] = "$Id$";
29   #include "bsdfrep.h"
30  
31   #ifndef RSCA
32 < #define RSCA            2.7             /* radius scaling factor (empirical) */
32 > #define RSCA            2.2             /* radius scaling factor (empirical) */
33   #endif
34 <                                /* our loaded grid for this incident angle */
34 > #ifndef SMOOTH_MSE
35 > #define SMOOTH_MSE      5e-5            /* acceptable mean squared error */
36 > #endif
37 > #ifndef SMOOTH_MSER
38 > #define SMOOTH_MSER     0.03            /* acceptable relative MSE */
39 > #endif
40 > #define MAX_RAD         (GRIDRES/8)     /* maximum lobe radius */
41 >
42 > #define RBFALLOCB       10              /* RBF allocation block size */
43 >
44 >                                /* our loaded grid or comparison DSFs */
45   GRIDVAL                 dsf_grid[GRIDRES][GRIDRES];
46  
47   /* Start new DSF input grid */
# Line 48 | Line 72 | add_bsdf_data(double theta_out, double phi_out, double
72          ovec[1] = sin((M_PI/180.)*phi_out) * ovec[2];
73          ovec[2] = sqrt(1. - ovec[2]*ovec[2]);
74  
75 <        if (!isDSF)
75 >        if (val <= 0)                   /* truncate to zero */
76 >                val = 0;
77 >        else if (!isDSF)
78                  val *= ovec[2];         /* convert from BSDF to DSF */
79  
80 +                                        /* update BSDF histogram */
81 +        if (val < BSDF2BIG*ovec[2] && val > BSDF2SML*ovec[2])
82 +                ++bsdf_hist[histndx(val/ovec[2])];
83 +
84          pos_from_vec(pos, ovec);
85  
86 <        dsf_grid[pos[0]][pos[1]].vsum += val;
87 <        dsf_grid[pos[0]][pos[1]].nval++;
86 >        dsf_grid[pos[0]][pos[1]].sum.v += val;
87 >        dsf_grid[pos[0]][pos[1]].sum.n++;
88   }
89  
90 < /* Compute radii for non-empty bins */
61 < /* (distance to furthest empty bin for which non-empty bin is the closest) */
90 > /* Compute minimum BSDF from histogram (does not clear) */
91   static void
92 < compute_radii(void)
92 > comp_bsdf_min()
93   {
94 <        unsigned int    fill_grid[GRIDRES][GRIDRES];
95 <        unsigned short  fill_cnt[GRIDRES][GRIDRES];
67 <        FVECT           ovec0, ovec1;
68 <        double          ang2, lastang2;
69 <        int             r, i, j, jn, ii, jj, inear, jnear;
94 >        unsigned long   cnt, target;
95 >        int             i;
96  
97 <        r = GRIDRES/2;                          /* proceed in zig-zag */
98 <        for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
99 <            for (jn = 0; jn < GRIDRES; jn++) {
100 <                j = (i&1) ? jn : GRIDRES-1-jn;
101 <                if (dsf_grid[i][j].nval)        /* find empty grid pos. */
102 <                        continue;
103 <                ovec_from_pos(ovec0, i, j);
104 <                inear = jnear = -1;             /* find nearest non-empty */
105 <                lastang2 = M_PI*M_PI;
106 <                for (ii = i-r; ii <= i+r; ii++) {
107 <                    if (ii < 0) continue;
108 <                    if (ii >= GRIDRES) break;
109 <                    for (jj = j-r; jj <= j+r; jj++) {
110 <                        if (jj < 0) continue;
111 <                        if (jj >= GRIDRES) break;
112 <                        if (!dsf_grid[ii][jj].nval)
113 <                                continue;
114 <                        ovec_from_pos(ovec1, ii, jj);
115 <                        ang2 = 2. - 2.*DOT(ovec0,ovec1);
116 <                        if (ang2 >= lastang2)
117 <                                continue;
118 <                        lastang2 = ang2;
119 <                        inear = ii; jnear = jj;
120 <                    }
97 >        cnt = 0;
98 >        for (i = HISTLEN; i--; )
99 >                cnt += bsdf_hist[i];
100 >        if (!cnt) {                             /* shouldn't happen */
101 >                bsdf_min = 0;
102 >                return;
103 >        }
104 >        target = cnt/100;                       /* ignore bottom 1% */
105 >        cnt = 0;
106 >        for (i = 0; cnt <= target; i++)
107 >                cnt += bsdf_hist[i];
108 >        bsdf_min = histval(i-1);
109 > }
110 >
111 > /* Determine if the given region is empty of grid samples */
112 > static int
113 > empty_region(int x0, int x1, int y0, int y1)
114 > {
115 >        int     x, y;
116 >
117 >        for (x = x0; x < x1; x++)
118 >            for (y = y0; y < y1; y++)
119 >                if (dsf_grid[x][y].sum.n)
120 >                        return(0);
121 >        return(1);
122 > }
123 >
124 > /* Determine if the given region is smooth enough to be a single lobe */
125 > static int
126 > smooth_region(int x0, int x1, int y0, int y1)
127 > {
128 >        RREAL   rMtx[3][3];
129 >        FVECT   xvec;
130 >        double  A, B, C, nvs, sqerr;
131 >        int     x, y, n;
132 >                                        /* compute planar regression */
133 >        memset(rMtx, 0, sizeof(rMtx));
134 >        memset(xvec, 0, sizeof(xvec));
135 >        for (x = x0; x < x1; x++)
136 >            for (y = y0; y < y1; y++)
137 >                if ((n = dsf_grid[x][y].sum.n) > 0) {
138 >                        double  z = dsf_grid[x][y].sum.v;
139 >                        rMtx[0][0] += x*x*(double)n;
140 >                        rMtx[0][1] += x*y*(double)n;
141 >                        rMtx[0][2] += x*(double)n;
142 >                        rMtx[1][1] += y*y*(double)n;
143 >                        rMtx[1][2] += y*(double)n;
144 >                        rMtx[2][2] += (double)n;
145 >                        xvec[0] += x*z;
146 >                        xvec[1] += y*z;
147 >                        xvec[2] += z;
148                  }
149 <                if (inear < 0) {
150 <                        fprintf(stderr,
151 <                                "%s: Could not find non-empty neighbor!\n",
152 <                                        progname);
153 <                        exit(1);
149 >        rMtx[1][0] = rMtx[0][1];
150 >        rMtx[2][0] = rMtx[0][2];
151 >        rMtx[2][1] = rMtx[1][2];
152 >        nvs = rMtx[2][2];
153 >        if (SDinvXform(rMtx, rMtx) != SDEnone)
154 >                return(1);              /* colinear values */
155 >        A = DOT(rMtx[0], xvec);
156 >        B = DOT(rMtx[1], xvec);
157 >        C = DOT(rMtx[2], xvec);
158 >        sqerr = 0.0;                    /* compute mean squared error */
159 >        for (x = x0; x < x1; x++)
160 >            for (y = y0; y < y1; y++)
161 >                if ((n = dsf_grid[x][y].sum.n) > 0) {
162 >                        double  d = A*x + B*y + C - dsf_grid[x][y].sum.v/n;
163 >                        sqerr += n*d*d;
164                  }
165 <                ang2 = sqrt(lastang2);
166 <                r = ANG2R(ang2);                /* record if > previous */
167 <                if (r > dsf_grid[inear][jnear].crad)
168 <                        dsf_grid[inear][jnear].crad = r;
106 <                                                /* next search radius */
107 <                r = ang2*(2.*GRIDRES/M_PI) + 3;
108 <            }
109 <                                                /* blur radii over hemisphere */
110 <        memset(fill_grid, 0, sizeof(fill_grid));
111 <        memset(fill_cnt, 0, sizeof(fill_cnt));
112 <        for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
113 <            for (j = 0; j < GRIDRES; j++) {
114 <                if (!dsf_grid[i][j].crad)
115 <                        continue;               /* missing distance */
116 <                r = R2ANG(dsf_grid[i][j].crad)*(2.*RSCA*GRIDRES/M_PI);
117 <                for (ii = i-r; ii <= i+r; ii++) {
118 <                    if (ii < 0) continue;
119 <                    if (ii >= GRIDRES) break;
120 <                    for (jj = j-r; jj <= j+r; jj++) {
121 <                        if (jj < 0) continue;
122 <                        if (jj >= GRIDRES) break;
123 <                        if ((ii-i)*(ii-i) + (jj-j)*(jj-j) > r*r)
124 <                                continue;
125 <                        fill_grid[ii][jj] += dsf_grid[i][j].crad;
126 <                        fill_cnt[ii][jj]++;
127 <                    }
128 <                }
129 <            }
130 <                                                /* copy back blurred radii */
131 <        for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
132 <            for (j = 0; j < GRIDRES; j++)
133 <                if (fill_cnt[i][j])
134 <                        dsf_grid[i][j].crad = fill_grid[i][j]/fill_cnt[i][j];
165 >        if (sqerr <= nvs*SMOOTH_MSE)    /* below absolute MSE threshold? */
166 >                return(1);
167 >                                        /* OR below relative MSE threshold? */
168 >        return(sqerr*nvs <= xvec[2]*xvec[2]*SMOOTH_MSER);
169   }
170  
171 < /* Cull points for more uniform distribution, leave all nval 0 or 1 */
171 > /* Create new lobe based on integrated samples in region */
172   static void
173 < cull_values(void)
173 > create_lobe(RBFVAL *rvp, int x0, int x1, int y0, int y1)
174   {
175 <        FVECT   ovec0, ovec1;
176 <        double  maxang, maxang2;
177 <        int     i, j, ii, jj, r;
178 <                                                /* simple greedy algorithm */
179 <        for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
180 <            for (j = 0; j < GRIDRES; j++) {
181 <                if (!dsf_grid[i][j].nval)
182 <                        continue;
183 <                if (!dsf_grid[i][j].crad)
150 <                        continue;               /* shouldn't happen */
151 <                ovec_from_pos(ovec0, i, j);
152 <                maxang = 2.*R2ANG(dsf_grid[i][j].crad);
153 <                if (maxang > ovec0[2])          /* clamp near horizon */
154 <                        maxang = ovec0[2];
155 <                r = maxang*(2.*GRIDRES/M_PI) + 1;
156 <                maxang2 = maxang*maxang;
157 <                for (ii = i-r; ii <= i+r; ii++) {
158 <                    if (ii < 0) continue;
159 <                    if (ii >= GRIDRES) break;
160 <                    for (jj = j-r; jj <= j+r; jj++) {
161 <                        if (jj < 0) continue;
162 <                        if (jj >= GRIDRES) break;
163 <                        if (!dsf_grid[ii][jj].nval)
164 <                                continue;
165 <                        if ((ii == i) & (jj == j))
166 <                                continue;       /* don't get self-absorbed */
167 <                        ovec_from_pos(ovec1, ii, jj);
168 <                        if (2. - 2.*DOT(ovec0,ovec1) >= maxang2)
169 <                                continue;
170 <                                                /* absorb sum */
171 <                        dsf_grid[i][j].vsum += dsf_grid[ii][jj].vsum;
172 <                        dsf_grid[i][j].nval += dsf_grid[ii][jj].nval;
173 <                                                /* keep value, though */
174 <                        dsf_grid[ii][jj].vsum /= (float)dsf_grid[ii][jj].nval;
175 <                        dsf_grid[ii][jj].nval = 0;
176 <                    }
177 <                }
175 >        double  vtot = 0.0;
176 >        int     nv = 0;
177 >        double  rad;
178 >        int     x, y;
179 >                                        /* compute average for region */
180 >        for (x = x0; x < x1; x++)
181 >            for (y = y0; y < y1; y++) {
182 >                vtot += dsf_grid[x][y].sum.v;
183 >                nv += dsf_grid[x][y].sum.n;
184              }
185 <                                                /* final averaging pass */
186 <        for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
187 <            for (j = 0; j < GRIDRES; j++)
188 <                if (dsf_grid[i][j].nval > 1) {
189 <                        dsf_grid[i][j].vsum /= (float)dsf_grid[i][j].nval;
190 <                        dsf_grid[i][j].nval = 1;
191 <                }
185 >        if (!nv) {
186 >                fprintf(stderr, "%s: internal - missing samples in create_lobe\n",
187 >                                progname);
188 >                exit(1);
189 >        }
190 >                                        /* peak value based on integral */
191 >        vtot *= (x1-x0)*(y1-y0)*(2.*M_PI/GRIDRES/GRIDRES)/(double)nv;
192 >        rad = (RSCA/(double)GRIDRES)*(x1-x0);
193 >        rvp->peak =  vtot / ((2.*M_PI) * rad*rad);
194 >        rvp->crad = ANG2R(rad);
195 >        rvp->gx = (x0+x1)>>1;
196 >        rvp->gy = (y0+y1)>>1;
197   }
198  
199 + /* Recursive function to build radial basis function representation */
200 + static int
201 + build_rbfrep(RBFVAL **arp, int *np, int x0, int x1, int y0, int y1)
202 + {
203 +        int     xmid = (x0+x1)>>1;
204 +        int     ymid = (y0+y1)>>1;
205 +        int     branched[4];
206 +        int     nadded, nleaves;
207 +                                        /* need to make this a leaf? */
208 +        if (empty_region(x0, xmid, y0, ymid) ||
209 +                        empty_region(xmid, x1, y0, ymid) ||
210 +                        empty_region(x0, xmid, ymid, y1) ||
211 +                        empty_region(xmid, x1, ymid, y1))
212 +                return(0);
213 +                                        /* add children (branches+leaves) */
214 +        if ((branched[0] = build_rbfrep(arp, np, x0, xmid, y0, ymid)) < 0)
215 +                return(-1);
216 +        if ((branched[1] = build_rbfrep(arp, np, xmid, x1, y0, ymid)) < 0)
217 +                return(-1);
218 +        if ((branched[2] = build_rbfrep(arp, np, x0, xmid, ymid, y1)) < 0)
219 +                return(-1);
220 +        if ((branched[3] = build_rbfrep(arp, np, xmid, x1, ymid, y1)) < 0)
221 +                return(-1);
222 +        nadded = branched[0] + branched[1] + branched[2] + branched[3];
223 +        nleaves = !branched[0] + !branched[1] + !branched[2] + !branched[3];
224 +        if (!nleaves)                   /* nothing but branches? */
225 +                return(nadded);
226 +                                        /* combine 4 leaves into 1? */
227 +        if ((nleaves == 4) & (x1-x0 <= MAX_RAD) &&
228 +                        smooth_region(x0, x1, y0, y1))
229 +                return(0);
230 +                                        /* need more array space? */
231 +        if ((*np+nleaves-1)>>RBFALLOCB != (*np-1)>>RBFALLOCB) {
232 +                *arp = (RBFVAL *)realloc(*arp,
233 +                                sizeof(RBFVAL)*(*np+nleaves-1+(1<<RBFALLOCB)));
234 +                if (*arp == NULL)
235 +                        return(-1);
236 +        }
237 +                                        /* create lobes for leaves */
238 +        if (!branched[0])
239 +                create_lobe(*arp+(*np)++, x0, xmid, y0, ymid);
240 +        if (!branched[1])
241 +                create_lobe(*arp+(*np)++, xmid, x1, y0, ymid);
242 +        if (!branched[2])
243 +                create_lobe(*arp+(*np)++, x0, xmid, ymid, y1);
244 +        if (!branched[3])
245 +                create_lobe(*arp+(*np)++, xmid, x1, ymid, y1);
246 +        nadded += nleaves;
247 +        return(nadded);
248 + }
249 +
250   /* Count up filled nodes and build RBF representation from current grid */
251   RBFNODE *
252 < make_rbfrep(void)
252 > make_rbfrep()
253   {
192        int     niter = 16;
193        double  lastVar, thisVar = 100.;
194        int     nn;
254          RBFNODE *newnode;
255 <        int     i, j;
256 <                                /* compute RBF radii */
257 <        compute_radii();
258 <                                /* coagulate lobes */
259 <        cull_values();
260 <        nn = 0;                 /* count selected bins */
261 <        for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
262 <            for (j = 0; j < GRIDRES; j++)
263 <                nn += dsf_grid[i][j].nval;
264 <                                /* allocate RBF array */
265 <        newnode = (RBFNODE *)malloc(sizeof(RBFNODE) + sizeof(RBFVAL)*(nn-1));
266 <        if (newnode == NULL) {
267 <                fprintf(stderr, "%s: Out of memory in make_rbfrep()\n", progname);
268 <                exit(1);
269 <        }
255 >        RBFVAL  *rbfarr;
256 >        int     nn;
257 >                                /* compute minimum BSDF */
258 >        comp_bsdf_min();
259 >                                /* create RBF node list */
260 >        rbfarr = NULL; nn = 0;
261 >        if (build_rbfrep(&rbfarr, &nn, 0, GRIDRES, 0, GRIDRES) <= 0)
262 >                goto memerr;
263 >                                /* (re)allocate RBF array */
264 >        newnode = (RBFNODE *)realloc(rbfarr,
265 >                        sizeof(RBFNODE) + sizeof(RBFVAL)*(nn-1));
266 >        if (newnode == NULL)
267 >                goto memerr;
268 >                                /* copy computed lobes into RBF node */
269 >        memmove(newnode->rbfa, newnode, sizeof(RBFVAL)*nn);
270          newnode->ord = -1;
271          newnode->next = NULL;
272          newnode->ejl = NULL;
# Line 215 | Line 274 | make_rbfrep(void)
274          newnode->invec[0] = cos((M_PI/180.)*phi_in_deg)*newnode->invec[2];
275          newnode->invec[1] = sin((M_PI/180.)*phi_in_deg)*newnode->invec[2];
276          newnode->invec[2] = input_orient*sqrt(1. - newnode->invec[2]*newnode->invec[2]);
277 <        newnode->vtotal = 0;
277 >        newnode->vtotal = .0;
278          newnode->nrbf = nn;
279 <        nn = 0;                 /* fill RBF array */
280 <        for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
281 <            for (j = 0; j < GRIDRES; j++)
223 <                if (dsf_grid[i][j].nval) {
224 <                        newnode->rbfa[nn].peak = dsf_grid[i][j].vsum;
225 <                        newnode->rbfa[nn].crad = RSCA*dsf_grid[i][j].crad + .5;
226 <                        newnode->rbfa[nn].gx = i;
227 <                        newnode->rbfa[nn].gy = j;
228 <                        ++nn;
229 <                }
230 <                                /* iterate to improve interpolation accuracy */
231 <        do {
232 <                double  dsum = 0, dsum2 = 0;
233 <                nn = 0;
234 <                for (i = 0; i < GRIDRES; i++)
235 <                    for (j = 0; j < GRIDRES; j++)
236 <                        if (dsf_grid[i][j].nval) {
237 <                                FVECT   odir;
238 <                                double  corr;
239 <                                ovec_from_pos(odir, i, j);
240 <                                newnode->rbfa[nn++].peak *= corr =
241 <                                        dsf_grid[i][j].vsum /
242 <                                                eval_rbfrep(newnode, odir);
243 <                                dsum += corr - 1.;
244 <                                dsum2 += (corr-1.)*(corr-1.);
245 <                        }
246 <                lastVar = thisVar;
247 <                thisVar = dsum2/(double)nn;
279 >                                /* compute sum for normalization */
280 >        while (nn-- > 0)
281 >                newnode->vtotal += rbf_volume(&newnode->rbfa[nn]);
282   #ifdef DEBUG
283 <                fprintf(stderr, "Avg., RMS error: %.1f%%  %.1f%%\n",
284 <                                        100.*dsum/(double)nn,
285 <                                        100.*sqrt(thisVar));
283 >        fprintf(stderr, "Built RBF with %d lobes\n", newnode->nrbf);
284 >        fprintf(stderr, "Integrated DSF at (%.1f,%.1f) deg. is %.2f\n",
285 >                        get_theta180(newnode->invec), get_phi360(newnode->invec),
286 >                        newnode->vtotal);
287   #endif
253        } while (--niter > 0 && lastVar-thisVar > 0.02*lastVar);
254
255        nn = 0;                 /* compute sum for normalization */
256        while (nn < newnode->nrbf)
257                newnode->vtotal += rbf_volume(&newnode->rbfa[nn++]);
258
288          insert_dsf(newnode);
289  
290          return(newnode);
291 + memerr:
292 +        fprintf(stderr, "%s: Out of memory in make_rbfrep()\n", progname);
293 +        exit(1);
294   }

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+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines