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root/radiance/ray/src/rt/ambcomp.c
(Generate patch)

Comparing ray/src/rt/ambcomp.c (file contents):
Revision 1.1 by greg, Fri Jun 7 10:03:52 1991 UTC vs.
Revision 2.85 by greg, Tue May 14 17:39:10 2019 UTC

# Line 1 | Line 1
1 /* Copyright (c) 1991 Regents of the University of California */
2
1   #ifndef lint
2 < static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
2 > static const char       RCSid[] = "$Id$";
3   #endif
6
4   /*
5   * Routines to compute "ambient" values using Monte Carlo
6 + *
7 + *  Hessian calculations based on "Practical Hessian-Based Error Control
8 + *      for Irradiance Caching" by Schwarzhaupt, Wann Jensen, & Jarosz
9 + *      from ACM SIGGRAPH Asia 2012 conference proceedings.
10 + *
11 + *  Added book-keeping optimization to avoid calculations that would
12 + *      cancel due to traversal both directions on edges that are adjacent
13 + *      to same-valued triangles.  This cuts about half of Hessian math.
14 + *
15 + *  Declarations of external symbols in ambient.h
16   */
17  
18 < #include  "ray.h"
18 > #include "copyright.h"
19  
20 + #include  "ray.h"
21   #include  "ambient.h"
14
22   #include  "random.h"
23  
24 + extern void             SDsquare2disk(double ds[2], double seedx, double seedy);
25 +
26   typedef struct {
27 <        short  t, p;            /* theta, phi indices */
28 <        COLOR  v;               /* value sum */
29 <        float  k;               /* error contribution for this division */
30 <        int  n;                 /* number of subsamples */
22 < }  AMBSAMP;             /* ambient division sample */
27 >        COLOR   v;              /* hemisphere sample value */
28 >        float   d;              /* reciprocal distance */
29 >        FVECT   p;              /* intersection point */
30 > } AMBSAMP;              /* sample value */
31  
32   typedef struct {
33 <        FVECT  ux, uy, uz;      /* x, y and z axis directions */
34 <        short  nt, np;          /* number of theta and phi directions */
33 >        RAY     *rp;            /* originating ray sample */
34 >        int     ns;             /* number of samples per axis */
35 >        int     sampOK;         /* acquired full sample set? */
36 >        COLOR   acoef;          /* division contribution coefficient */
37 >        double  acol[3];        /* accumulated color */
38 >        FVECT   ux, uy;         /* tangent axis unit vectors */
39 >        AMBSAMP sa[1];          /* sample array (extends struct) */
40   }  AMBHEMI;             /* ambient sample hemisphere */
41  
42 < extern double  sin(), cos(), sqrt();
42 > #define AI(h,i,j)       ((i)*(h)->ns + (j))
43 > #define ambsam(h,i,j)   (h)->sa[AI(h,i,j)]
44  
45 + typedef struct {
46 +        FVECT   r_i, r_i1, e_i, rcp, rI2_eJ2;
47 +        double  I1, I2;
48 + } FFTRI;                /* vectors and coefficients for Hessian calculation */
49  
50 +
51   static int
52 < ambcmp(d1, d2)                          /* decreasing order */
53 < AMBSAMP  *d1, *d2;
52 > ambcollision(                           /* proposed direciton collides? */
53 >        AMBHEMI *hp,
54 >        int     i,
55 >        int     j,
56 >        FVECT   dv
57 > )
58   {
59 <        if (d1->k < d2->k)
60 <                return(1);
61 <        if (d1->k > d2->k)
62 <                return(-1);
63 <        return(0);
59 >        double  cos_thresh;
60 >        int     ii, jj;
61 >                                        /* min. spacing = 1/4th division */
62 >        cos_thresh = (PI/4.)/(double)hp->ns;
63 >        cos_thresh = 1. - .5*cos_thresh*cos_thresh;
64 >                                        /* check existing neighbors */
65 >        for (ii = i-1; ii <= i+1; ii++) {
66 >                if (ii < 0) continue;
67 >                if (ii >= hp->ns) break;
68 >                for (jj = j-1; jj <= j+1; jj++) {
69 >                        AMBSAMP *ap;
70 >                        FVECT   avec;
71 >                        double  dprod;
72 >                        if (jj < 0) continue;
73 >                        if (jj >= hp->ns) break;
74 >                        if ((ii==i) & (jj==j)) continue;
75 >                        ap = &ambsam(hp,ii,jj);
76 >                        if (ap->d <= .5/FHUGE)
77 >                                continue;       /* no one home */
78 >                        VSUB(avec, ap->p, hp->rp->rop);
79 >                        dprod = DOT(avec, dv);
80 >                        if (dprod >= cos_thresh*VLEN(avec))
81 >                                return(1);      /* collision */
82 >                }
83 >        }
84 >        return(0);                      /* nothing to worry about */
85   }
86  
87  
88   static int
89 < ambnorm(d1, d2)                         /* standard order */
90 < AMBSAMP  *d1, *d2;
89 > ambsample(                              /* initial ambient division sample */
90 >        AMBHEMI *hp,
91 >        int     i,
92 >        int     j,
93 >        int     n
94 > )
95   {
96 <        register int  c;
96 >        AMBSAMP *ap = &ambsam(hp,i,j);
97 >        RAY     ar;
98 >        int     hlist[3], ii;
99 >        double  spt[2], zd;
100 >                                        /* generate hemispherical sample */
101 >                                        /* ambient coefficient for weight */
102 >        if (ambacc > FTINY)
103 >                setcolor(ar.rcoef, AVGREFL, AVGREFL, AVGREFL);
104 >        else
105 >                copycolor(ar.rcoef, hp->acoef);
106 >        if (rayorigin(&ar, AMBIENT, hp->rp, ar.rcoef) < 0)
107 >                return(0);
108 >        if (ambacc > FTINY) {
109 >                multcolor(ar.rcoef, hp->acoef);
110 >                scalecolor(ar.rcoef, 1./AVGREFL);
111 >        }
112 >        hlist[0] = hp->rp->rno;
113 >        hlist[1] = j;
114 >        hlist[2] = i;
115 >        multisamp(spt, 2, urand(ilhash(hlist,3)+n));
116 > resample:
117 >        SDsquare2disk(spt, (j+spt[1])/hp->ns, (i+spt[0])/hp->ns);
118 >        zd = sqrt(1. - spt[0]*spt[0] - spt[1]*spt[1]);
119 >        for (ii = 3; ii--; )
120 >                ar.rdir[ii] =   spt[0]*hp->ux[ii] +
121 >                                spt[1]*hp->uy[ii] +
122 >                                zd*hp->rp->ron[ii];
123 >        checknorm(ar.rdir);
124 >                                        /* avoid coincident samples */
125 >        if (!n && ambcollision(hp, i, j, ar.rdir)) {
126 >                spt[0] = frandom(); spt[1] = frandom();
127 >                goto resample;          /* reject this sample */
128 >        }
129 >        dimlist[ndims++] = AI(hp,i,j) + 90171;
130 >        rayvalue(&ar);                  /* evaluate ray */
131 >        ndims--;
132 >        zd = raydistance(&ar);
133 >        if (zd <= FTINY)
134 >                return(0);              /* should never happen */
135 >        multcolor(ar.rcol, ar.rcoef);   /* apply coefficient */
136 >        if (zd*ap->d < 1.0)             /* new/closer distance? */
137 >                ap->d = 1.0/zd;
138 >        if (!n) {                       /* record first vertex & value */
139 >                if (zd > 10.0*thescene.cusize + 1000.)
140 >                        zd = 10.0*thescene.cusize + 1000.;
141 >                VSUM(ap->p, ar.rorg, ar.rdir, zd);
142 >                copycolor(ap->v, ar.rcol);
143 >        } else {                        /* else update recorded value */
144 >                hp->acol[RED] -= colval(ap->v,RED);
145 >                hp->acol[GRN] -= colval(ap->v,GRN);
146 >                hp->acol[BLU] -= colval(ap->v,BLU);
147 >                zd = 1.0/(double)(n+1);
148 >                scalecolor(ar.rcol, zd);
149 >                zd *= (double)n;
150 >                scalecolor(ap->v, zd);
151 >                addcolor(ap->v, ar.rcol);
152 >        }
153 >        addcolor(hp->acol, ap->v);      /* add to our sum */
154 >        return(1);
155 > }
156  
157 <        if (c = d1->t - d2->t)
158 <                return(c);
159 <        return(d1->p - d2->p);
157 >
158 > /* Estimate variance based on ambient division differences */
159 > static float *
160 > getambdiffs(AMBHEMI *hp)
161 > {
162 >        const double    normf = 1./bright(hp->acoef);
163 >        float   *earr = (float *)calloc(hp->ns*hp->ns, sizeof(float));
164 >        float   *ep;
165 >        AMBSAMP *ap;
166 >        double  b, b1, d2;
167 >        int     i, j;
168 >
169 >        if (earr == NULL)               /* out of memory? */
170 >                return(NULL);
171 >                                        /* sum squared neighbor diffs */
172 >        for (ap = hp->sa, ep = earr, i = 0; i < hp->ns; i++)
173 >            for (j = 0; j < hp->ns; j++, ap++, ep++) {
174 >                b = bright(ap[0].v);
175 >                if (i) {                /* from above */
176 >                        b1 = bright(ap[-hp->ns].v);
177 >                        d2 = b - b1;
178 >                        d2 *= d2*normf/(b + b1);
179 >                        ep[0] += d2;
180 >                        ep[-hp->ns] += d2;
181 >                }
182 >                if (!j) continue;
183 >                                        /* from behind */
184 >                b1 = bright(ap[-1].v);
185 >                d2 = b - b1;
186 >                d2 *= d2*normf/(b + b1);
187 >                ep[0] += d2;
188 >                ep[-1] += d2;
189 >                if (!i) continue;
190 >                                        /* diagonal */
191 >                b1 = bright(ap[-hp->ns-1].v);
192 >                d2 = b - b1;
193 >                d2 *= d2*normf/(b + b1);
194 >                ep[0] += d2;
195 >                ep[-hp->ns-1] += d2;
196 >            }
197 >                                        /* correct for number of neighbors */
198 >        earr[0] *= 8./3.;
199 >        earr[hp->ns-1] *= 8./3.;
200 >        earr[(hp->ns-1)*hp->ns] *= 8./3.;
201 >        earr[(hp->ns-1)*hp->ns + hp->ns-1] *= 8./3.;
202 >        for (i = 1; i < hp->ns-1; i++) {
203 >                earr[i*hp->ns] *= 8./5.;
204 >                earr[i*hp->ns + hp->ns-1] *= 8./5.;
205 >        }
206 >        for (j = 1; j < hp->ns-1; j++) {
207 >                earr[j] *= 8./5.;
208 >                earr[(hp->ns-1)*hp->ns + j] *= 8./5.;
209 >        }
210 >        return(earr);
211   }
212  
213  
214 + /* Perform super-sampling on hemisphere (introduces bias) */
215 + static void
216 + ambsupersamp(AMBHEMI *hp, int cnt)
217 + {
218 +        float   *earr = getambdiffs(hp);
219 +        double  e2rem = 0;
220 +        float   *ep;
221 +        int     i, j, n, nss;
222 +
223 +        if (earr == NULL)               /* just skip calc. if no memory */
224 +                return;
225 +                                        /* accumulate estimated variances */
226 +        for (ep = earr + hp->ns*hp->ns; ep > earr; )
227 +                e2rem += *--ep;
228 +        ep = earr;                      /* perform super-sampling */
229 +        for (i = 0; i < hp->ns; i++)
230 +            for (j = 0; j < hp->ns; j++) {
231 +                if (e2rem <= FTINY)
232 +                        goto done;      /* nothing left to do */
233 +                nss = *ep/e2rem*cnt + frandom();
234 +                for (n = 1; n <= nss && ambsample(hp,i,j,n); n++)
235 +                        if (!--cnt) goto done;
236 +                e2rem -= *ep++;         /* update remainder */
237 +        }
238 + done:
239 +        free(earr);
240 + }
241 +
242 +
243 + static AMBHEMI *
244 + samp_hemi(                              /* sample indirect hemisphere */
245 +        COLOR   rcol,
246 +        RAY     *r,
247 +        double  wt
248 + )
249 + {
250 +        AMBHEMI *hp;
251 +        double  d;
252 +        int     n, i, j;
253 +                                        /* insignificance check */
254 +        if (bright(rcol) <= FTINY)
255 +                return(NULL);
256 +                                        /* set number of divisions */
257 +        if (ambacc <= FTINY &&
258 +                        wt > (d = 0.8*intens(rcol)*r->rweight/(ambdiv*minweight)))
259 +                wt = d;                 /* avoid ray termination */
260 +        n = sqrt(ambdiv * wt) + 0.5;
261 +        i = 1 + 5*(ambacc > FTINY);     /* minimum number of samples */
262 +        if (n < i)
263 +                n = i;
264 +                                        /* allocate sampling array */
265 +        hp = (AMBHEMI *)malloc(sizeof(AMBHEMI) + sizeof(AMBSAMP)*(n*n - 1));
266 +        if (hp == NULL)
267 +                error(SYSTEM, "out of memory in samp_hemi");
268 +        hp->rp = r;
269 +        hp->ns = n;
270 +        hp->acol[RED] = hp->acol[GRN] = hp->acol[BLU] = 0.0;
271 +        memset(hp->sa, 0, sizeof(AMBSAMP)*n*n);
272 +        hp->sampOK = 0;
273 +                                        /* assign coefficient */
274 +        copycolor(hp->acoef, rcol);
275 +        d = 1.0/(n*n);
276 +        scalecolor(hp->acoef, d);
277 +                                        /* make tangent plane axes */
278 +        if (!getperpendicular(hp->ux, r->ron, 1))
279 +                error(CONSISTENCY, "bad ray direction in samp_hemi");
280 +        VCROSS(hp->uy, r->ron, hp->ux);
281 +                                        /* sample divisions */
282 +        for (i = hp->ns; i--; )
283 +            for (j = hp->ns; j--; )
284 +                hp->sampOK += ambsample(hp, i, j, 0);
285 +        copycolor(rcol, hp->acol);
286 +        if (!hp->sampOK) {              /* utter failure? */
287 +                free(hp);
288 +                return(NULL);
289 +        }
290 +        if (hp->sampOK < hp->ns*hp->ns) {
291 +                hp->sampOK *= -1;       /* soft failure */
292 +                return(hp);
293 +        }
294 +        if (hp->sampOK < 64)
295 +                return(hp);             /* insufficient for super-sampling */
296 +        n = ambssamp*wt + 0.5;
297 +        if (n > 8) {                    /* perform super-sampling? */
298 +                ambsupersamp(hp, n);
299 +                copycolor(rcol, hp->acol);
300 +        }
301 +        return(hp);                     /* all is well */
302 + }
303 +
304 +
305 + /* Return brightness of farthest ambient sample */
306   static double
307 < divsample(dp, h, r)                     /* sample a division */
58 < register AMBSAMP  *dp;
59 < AMBHEMI  *h;
60 < RAY  *r;
307 > back_ambval(AMBHEMI *hp, const int n1, const int n2, const int n3)
308   {
309 <        RAY  ar;
310 <        int  hlist[4];
311 <        double  xd, yd, zd;
312 <        double  b2;
313 <        double  phi;
314 <        register int  k;
309 >        if (hp->sa[n1].d <= hp->sa[n2].d) {
310 >                if (hp->sa[n1].d <= hp->sa[n3].d)
311 >                        return(colval(hp->sa[n1].v,CIEY));
312 >                return(colval(hp->sa[n3].v,CIEY));
313 >        }
314 >        if (hp->sa[n2].d <= hp->sa[n3].d)
315 >                return(colval(hp->sa[n2].v,CIEY));
316 >        return(colval(hp->sa[n3].v,CIEY));
317 > }
318  
319 <        if (rayorigin(&ar, r, AMBIENT, 0.5) < 0)
320 <                return(0.0);
321 <        hlist[0] = r->rno;
322 <        hlist[1] = dp->t;
323 <        hlist[2] = dp->p;
324 <        hlist[3] = 0;
325 <        zd = sqrt((dp->t+urand(ilhash(hlist,4)+dp->n))/h->nt);
326 <        hlist[3] = 1;
327 <        phi = 2.0*PI * (dp->p+urand(ilhash(hlist,4)+dp->n))/h->np;
328 <        xd = cos(phi) * zd;
329 <        yd = sin(phi) * zd;
330 <        zd = sqrt(1.0 - zd*zd);
331 <        for (k = 0; k < 3; k++)
332 <                ar.rdir[k] =    xd*h->ux[k] +
333 <                                yd*h->uy[k] +
334 <                                zd*h->uz[k];
335 <        dimlist[ndims++] = dp->t*h->np + dp->p + 38813;
336 <        rayvalue(&ar);
337 <        ndims--;
338 <        addcolor(dp->v, ar.rcol);
339 <                                        /* (re)initialize error */
340 <        if (dp->n++) {
341 <                b2 = bright(dp->v)/dp->n - bright(ar.rcol);
342 <                b2 = b2*b2 + dp->k*((dp->n-1)*(dp->n-1));
93 <                dp->k = b2/(dp->n*dp->n);
94 <        } else
95 <                dp->k = 0.0;
96 <        return(ar.rot);
319 >
320 > /* Compute vectors and coefficients for Hessian/gradient calcs */
321 > static void
322 > comp_fftri(FFTRI *ftp, AMBHEMI *hp, const int n0, const int n1)
323 > {
324 >        double  rdot_cp, dot_e, dot_er, rdot_r, rdot_r1, J2;
325 >        int     ii;
326 >
327 >        VSUB(ftp->r_i, hp->sa[n0].p, hp->rp->rop);
328 >        VSUB(ftp->r_i1, hp->sa[n1].p, hp->rp->rop);
329 >        VSUB(ftp->e_i, hp->sa[n1].p, hp->sa[n0].p);
330 >        VCROSS(ftp->rcp, ftp->r_i, ftp->r_i1);
331 >        rdot_cp = 1.0/DOT(ftp->rcp,ftp->rcp);
332 >        dot_e = DOT(ftp->e_i,ftp->e_i);
333 >        dot_er = DOT(ftp->e_i, ftp->r_i);
334 >        rdot_r = 1.0/DOT(ftp->r_i,ftp->r_i);
335 >        rdot_r1 = 1.0/DOT(ftp->r_i1,ftp->r_i1);
336 >        ftp->I1 = acos( DOT(ftp->r_i, ftp->r_i1) * sqrt(rdot_r*rdot_r1) ) *
337 >                        sqrt( rdot_cp );
338 >        ftp->I2 = ( DOT(ftp->e_i, ftp->r_i1)*rdot_r1 - dot_er*rdot_r +
339 >                        dot_e*ftp->I1 )*0.5*rdot_cp;
340 >        J2 =  ( 0.5*(rdot_r - rdot_r1) - dot_er*ftp->I2 ) / dot_e;
341 >        for (ii = 3; ii--; )
342 >                ftp->rI2_eJ2[ii] = ftp->I2*ftp->r_i[ii] + J2*ftp->e_i[ii];
343   }
344  
345  
346 < double
347 < doambient(acol, r, pg, dg)              /* compute ambient component */
348 < COLOR  acol;
103 < RAY  *r;
104 < FVECT  pg, dg;
346 > /* Compose 3x3 matrix from two vectors */
347 > static void
348 > compose_matrix(FVECT mat[3], FVECT va, FVECT vb)
349   {
350 <        double  b, d;
351 <        AMBHEMI  hemi;
352 <        AMBSAMP  *div;
353 <        AMBSAMP  dnew;
354 <        register AMBSAMP  *dp;
355 <        double  arad;
356 <        int  ndivs, ns;
357 <        register int  i, j;
358 <                                        /* initialize color */
359 <        setcolor(acol, 0.0, 0.0, 0.0);
360 <                                        /* initialize hemisphere */
361 <        inithemi(&hemi, r);
362 <        ndivs = hemi.nt * hemi.np;
363 <        if (ndivs == 0)
364 <                return(0.0);
365 <                                        /* set number of super-samples */
366 <        ns = ambssamp * r->rweight + 0.5;
367 <        if (ns > 0 || pg != NULL || dg != NULL) {
368 <                div = (AMBSAMP *)malloc(ndivs*sizeof(AMBSAMP));
369 <                if (div == NULL)
370 <                        error(SYSTEM, "out of memory in doambient");
371 <        } else
372 <                div = NULL;
373 <                                        /* sample the divisions */
374 <        arad = 0.0;
375 <        if ((dp = div) == NULL)
376 <                dp = &dnew;
377 <        for (i = 0; i < hemi.nt; i++)
378 <                for (j = 0; j < hemi.np; j++) {
379 <                        dp->t = i; dp->p = j;
380 <                        setcolor(dp->v, 0.0, 0.0, 0.0);
381 <                        dp->n = 0;
382 <                        if ((d = divsample(dp, &hemi, r)) == 0.0)
383 <                                goto oopsy;
384 <                        if (d < FHUGE)
385 <                                arad += 1.0 / d;
386 <                        if (div != NULL)
387 <                                dp++;
388 <                        else
389 <                                addcolor(acol, dp->v);
390 <                }
391 <        if (ns > 0) {                   /* perform super-sampling */
392 <                comperrs(div, hemi);                    /* compute errors */
393 <                qsort(div, ndivs, sizeof(AMBSAMP), ambcmp);     /* sort divs */
394 <                dp = div + ndivs;                       /* skim excess */
395 <                for (i = ndivs; i > ns; i--) {
396 <                        dp--;
397 <                        addcolor(acol, dp->v);
398 <                }
399 <                                                /* super-sample */
400 <                for (i = ns; i > 0; i--) {
401 <                        copystruct(&dnew, div);
402 <                        if ((d = divsample(&dnew, &hemi)) == 0.0)
403 <                                goto oopsy;
404 <                        if (d < FHUGE)
405 <                                arad += 1.0 / d;
162 <                                                        /* reinsert */
163 <                        dp = div;
164 <                        j = ndivs < i ? ndivs : i;
165 <                        while (--j > 0 && dnew.k < dp[1].k) {
166 <                                copystruct(dp, dp+1);
167 <                                dp++;
168 <                        }
169 <                        copystruct(dp, &dnew);
170 <                                                        /* extract darkest */
171 <                        if (i <= ndivs) {
172 <                                dp = div + i-1;
173 <                                if (dp->n > 1) {
174 <                                        b = 1.0/dp->n;
175 <                                        scalecolor(dp->v, b);
176 <                                        dp->n = 1;
177 <                                }
178 <                                addcolor(acol, dp->v);
179 <                        }
180 <                }
181 <                if (pg != NULL || dg != NULL)   /* reorder */
182 <                        qsort(div, ndivs, sizeof(AMBSAMP), ambnorm);
350 >        mat[0][0] = 2.0*va[0]*vb[0];
351 >        mat[1][1] = 2.0*va[1]*vb[1];
352 >        mat[2][2] = 2.0*va[2]*vb[2];
353 >        mat[0][1] = mat[1][0] = va[0]*vb[1] + va[1]*vb[0];
354 >        mat[0][2] = mat[2][0] = va[0]*vb[2] + va[2]*vb[0];
355 >        mat[1][2] = mat[2][1] = va[1]*vb[2] + va[2]*vb[1];
356 > }
357 >
358 >
359 > /* Compute partial 3x3 Hessian matrix for edge */
360 > static void
361 > comp_hessian(FVECT hess[3], FFTRI *ftp, FVECT nrm)
362 > {
363 >        FVECT   ncp;
364 >        FVECT   m1[3], m2[3], m3[3], m4[3];
365 >        double  d1, d2, d3, d4;
366 >        double  I3, J3, K3;
367 >        int     i, j;
368 >                                        /* compute intermediate coefficients */
369 >        d1 = 1.0/DOT(ftp->r_i,ftp->r_i);
370 >        d2 = 1.0/DOT(ftp->r_i1,ftp->r_i1);
371 >        d3 = 1.0/DOT(ftp->e_i,ftp->e_i);
372 >        d4 = DOT(ftp->e_i, ftp->r_i);
373 >        I3 = ( DOT(ftp->e_i, ftp->r_i1)*d2*d2 - d4*d1*d1 + 3.0/d3*ftp->I2 )
374 >                        / ( 4.0*DOT(ftp->rcp,ftp->rcp) );
375 >        J3 = 0.25*d3*(d1*d1 - d2*d2) - d4*d3*I3;
376 >        K3 = d3*(ftp->I2 - I3/d1 - 2.0*d4*J3);
377 >                                        /* intermediate matrices */
378 >        VCROSS(ncp, nrm, ftp->e_i);
379 >        compose_matrix(m1, ncp, ftp->rI2_eJ2);
380 >        compose_matrix(m2, ftp->r_i, ftp->r_i);
381 >        compose_matrix(m3, ftp->e_i, ftp->e_i);
382 >        compose_matrix(m4, ftp->r_i, ftp->e_i);
383 >        d1 = DOT(nrm, ftp->rcp);
384 >        d2 = -d1*ftp->I2;
385 >        d1 *= 2.0;
386 >        for (i = 3; i--; )              /* final matrix sum */
387 >            for (j = 3; j--; ) {
388 >                hess[i][j] = m1[i][j] + d1*( I3*m2[i][j] + K3*m3[i][j] +
389 >                                                2.0*J3*m4[i][j] );
390 >                hess[i][j] += d2*(i==j);
391 >                hess[i][j] *= -1.0/PI;
392 >            }
393 > }
394 >
395 >
396 > /* Reverse hessian calculation result for edge in other direction */
397 > static void
398 > rev_hessian(FVECT hess[3])
399 > {
400 >        int     i;
401 >
402 >        for (i = 3; i--; ) {
403 >                hess[i][0] = -hess[i][0];
404 >                hess[i][1] = -hess[i][1];
405 >                hess[i][2] = -hess[i][2];
406          }
184                                        /* compute returned values */
185        if (pg != NULL)
186                posgradient(pg, div, &hemi);
187        if (dg != NULL)
188                dirgradient(dg, div, &hemi);
189        if (div != NULL)
190                free((char *)div);
191        b = 1.0/ndivs;
192        scalecolor(acol, b);
193        if (arad <= FTINY)
194                arad = FHUGE;
195        else
196                arad = (ndivs+ns)/arad;
197        if (arad > maxarad)
198                arad = maxarad;
199        else if (arad < minarad)
200                arad = minarad;
201        arad /= sqrt(r->rweight);
202        return(arad);
203 oopsy:
204        if (div != NULL)
205                free((char *)div);
206        return(0.0);
407   }
408  
409  
410 < inithemi(hp, r)                 /* initialize sampling hemisphere */
411 < register AMBHEMI  *hp;
412 < RAY  *r;
410 > /* Add to radiometric Hessian from the given triangle */
411 > static void
412 > add2hessian(FVECT hess[3], FVECT ehess1[3],
413 >                FVECT ehess2[3], FVECT ehess3[3], double v)
414   {
415 <        register int  k;
416 <                                        /* set number of divisions */
417 <        hp->nt = sqrt(ambdiv * r->rweight * 0.5) + 0.5;
418 <        hp->np = 2 * hp->nt;
419 <                                        /* make axes */
219 <        VCOPY(hp->uz, r->ron);
220 <        hp->uy[0] = hp->uy[1] = hp->uy[2] = 0.0;
221 <        for (k = 0; k < 3; k++)
222 <                if (hp->uz[k] < 0.6 && hp->uz[k] > -0.6)
223 <                        break;
224 <        if (k >= 3)
225 <                error(CONSISTENCY, "bad ray direction in inithemi");
226 <        hp->uy[k] = 1.0;
227 <        fcross(hp->ux, hp->uz, hp->uy);
228 <        normalize(hp->ux);
229 <        fcross(hp->uy, hp->ux, hp->uz);
415 >        int     i, j;
416 >
417 >        for (i = 3; i--; )
418 >            for (j = 3; j--; )
419 >                hess[i][j] += v*( ehess1[i][j] + ehess2[i][j] + ehess3[i][j] );
420   }
421  
422  
423 < comperrs(da, hp)                /* compute initial error estimates */
424 < AMBSAMP  *da;
425 < register AMBHEMI  *hp;
423 > /* Compute partial displacement form factor gradient for edge */
424 > static void
425 > comp_gradient(FVECT grad, FFTRI *ftp, FVECT nrm)
426   {
427 <        double  b, b2;
428 <        int  i, j;
429 <        register AMBSAMP  *dp;
430 <                                /* sum differences from neighbors */
431 <        dp = da;
432 <        for (i = 0; i < hp->nt; i++)
433 <                for (j = 0; j < hp->np; j++) {
434 <                        b = bright(dp[0].v);
435 <                        if (i > 0) {            /* from above */
436 <                                b2 = bright(dp[-hp->np].v) - b;
437 <                                b2 *= b2 * 0.25;
438 <                                dp[0].k += b2;
439 <                                dp[-hp->np].k += b2;
440 <                        }
441 <                        if (j > 0) {            /* from behind */
442 <                                b2 = bright(dp[-1].v) - b;
443 <                                b2 *= b2 * 0.25;
444 <                                dp[0].k += b2;
445 <                                dp[-1].k += b2;
446 <                        }
447 <                        if (j == hp->np-1) {    /* around */
448 <                                b2 = bright(dp[-(hp->np-1)].v) - b;
449 <                                b2 *= b2 * 0.25;
450 <                                dp[0].k += b2;
451 <                                dp[-(hp->np-1)].k += b2;
452 <                        }
453 <                        dp++;
454 <                }
455 <                                /* divide by number of neighbors */
456 <        dp = da;
457 <        for (j = 0; j < hp->np; j++)            /* top row */
458 <                (dp++)->k *= 1.0/3.0;
459 <        if (hp->nt < 2)
427 >        FVECT   ncp;
428 >        double  f1;
429 >        int     i;
430 >
431 >        f1 = 2.0*DOT(nrm, ftp->rcp);
432 >        VCROSS(ncp, nrm, ftp->e_i);
433 >        for (i = 3; i--; )
434 >                grad[i] = (0.5/PI)*( ftp->I1*ncp[i] + f1*ftp->rI2_eJ2[i] );
435 > }
436 >
437 >
438 > /* Reverse gradient calculation result for edge in other direction */
439 > static void
440 > rev_gradient(FVECT grad)
441 > {
442 >        grad[0] = -grad[0];
443 >        grad[1] = -grad[1];
444 >        grad[2] = -grad[2];
445 > }
446 >
447 >
448 > /* Add to displacement gradient from the given triangle */
449 > static void
450 > add2gradient(FVECT grad, FVECT egrad1, FVECT egrad2, FVECT egrad3, double v)
451 > {
452 >        int     i;
453 >
454 >        for (i = 3; i--; )
455 >                grad[i] += v*( egrad1[i] + egrad2[i] + egrad3[i] );
456 > }
457 >
458 >
459 > /* Compute anisotropic radii and eigenvector directions */
460 > static void
461 > eigenvectors(FVECT uv[2], float ra[2], FVECT hessian[3])
462 > {
463 >        double  hess2[2][2];
464 >        FVECT   a, b;
465 >        double  evalue[2], slope1, xmag1;
466 >        int     i;
467 >                                        /* project Hessian to sample plane */
468 >        for (i = 3; i--; ) {
469 >                a[i] = DOT(hessian[i], uv[0]);
470 >                b[i] = DOT(hessian[i], uv[1]);
471 >        }
472 >        hess2[0][0] = DOT(uv[0], a);
473 >        hess2[0][1] = DOT(uv[0], b);
474 >        hess2[1][0] = DOT(uv[1], a);
475 >        hess2[1][1] = DOT(uv[1], b);
476 >                                        /* compute eigenvalue(s) */
477 >        i = quadratic(evalue, 1.0, -hess2[0][0]-hess2[1][1],
478 >                        hess2[0][0]*hess2[1][1]-hess2[0][1]*hess2[1][0]);
479 >        if (i == 1)                     /* double-root (circle) */
480 >                evalue[1] = evalue[0];
481 >        if (!i || ((evalue[0] = fabs(evalue[0])) <= FTINY*FTINY) |
482 >                        ((evalue[1] = fabs(evalue[1])) <= FTINY*FTINY) ) {
483 >                ra[0] = ra[1] = maxarad;
484                  return;
485 <        for (i = 1; i < hp->nt-1; i++)          /* central region */
486 <                for (j = 0; j < hp->np; j++)
487 <                        (dp++)->k *= 0.25;
488 <        for (j = 0; j < hp->np; j++)            /* bottom row */
489 <                (dp++)->k *= 1.0/3.0;
485 >        }
486 >        if (evalue[0] > evalue[1]) {
487 >                ra[0] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[0]));
488 >                ra[1] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[1]));
489 >                slope1 = evalue[1];
490 >        } else {
491 >                ra[0] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[1]));
492 >                ra[1] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[0]));
493 >                slope1 = evalue[0];
494 >        }
495 >                                        /* compute unit eigenvectors */
496 >        if (fabs(hess2[0][1]) <= FTINY)
497 >                return;                 /* uv OK as is */
498 >        slope1 = (slope1 - hess2[0][0]) / hess2[0][1];
499 >        xmag1 = sqrt(1.0/(1.0 + slope1*slope1));
500 >        for (i = 3; i--; ) {
501 >                b[i] = xmag1*uv[0][i] + slope1*xmag1*uv[1][i];
502 >                a[i] = slope1*xmag1*uv[0][i] - xmag1*uv[1][i];
503 >        }
504 >        VCOPY(uv[0], a);
505 >        VCOPY(uv[1], b);
506   }
507  
508  
509 < posgradient(gv, da, hp)                         /* compute position gradient */
510 < FVECT  gv;
511 < AMBSAMP  *da;
512 < AMBHEMI  *hp;
509 > static void
510 > ambHessian(                             /* anisotropic radii & pos. gradient */
511 >        AMBHEMI *hp,
512 >        FVECT   uv[2],                  /* returned */
513 >        float   ra[2],                  /* returned (optional) */
514 >        float   pg[2]                   /* returned (optional) */
515 > )
516   {
517 <        gv[0] = 0.0; gv[1] = 0.0; gv[2] = 0.0;
517 >        static char     memerrmsg[] = "out of memory in ambHessian()";
518 >        FVECT           (*hessrow)[3] = NULL;
519 >        FVECT           *gradrow = NULL;
520 >        FVECT           hessian[3];
521 >        FVECT           gradient;
522 >        FFTRI           fftr;
523 >        int             i, j;
524 >                                        /* be sure to assign unit vectors */
525 >        VCOPY(uv[0], hp->ux);
526 >        VCOPY(uv[1], hp->uy);
527 >                        /* clock-wise vertex traversal from sample POV */
528 >        if (ra != NULL) {               /* initialize Hessian row buffer */
529 >                hessrow = (FVECT (*)[3])malloc(sizeof(FVECT)*3*(hp->ns-1));
530 >                if (hessrow == NULL)
531 >                        error(SYSTEM, memerrmsg);
532 >                memset(hessian, 0, sizeof(hessian));
533 >        } else if (pg == NULL)          /* bogus call? */
534 >                return;
535 >        if (pg != NULL) {               /* initialize form factor row buffer */
536 >                gradrow = (FVECT *)malloc(sizeof(FVECT)*(hp->ns-1));
537 >                if (gradrow == NULL)
538 >                        error(SYSTEM, memerrmsg);
539 >                memset(gradient, 0, sizeof(gradient));
540 >        }
541 >                                        /* compute first row of edges */
542 >        for (j = 0; j < hp->ns-1; j++) {
543 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,0,j), AI(hp,0,j+1));
544 >                if (hessrow != NULL)
545 >                        comp_hessian(hessrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
546 >                if (gradrow != NULL)
547 >                        comp_gradient(gradrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
548 >        }
549 >                                        /* sum each row of triangles */
550 >        for (i = 0; i < hp->ns-1; i++) {
551 >            FVECT       hesscol[3];     /* compute first vertical edge */
552 >            FVECT       gradcol;
553 >            comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i,0), AI(hp,i+1,0));
554 >            if (hessrow != NULL)
555 >                comp_hessian(hesscol, &fftr, hp->rp->ron);
556 >            if (gradrow != NULL)
557 >                comp_gradient(gradcol, &fftr, hp->rp->ron);
558 >            for (j = 0; j < hp->ns-1; j++) {
559 >                FVECT   hessdia[3];     /* compute triangle contributions */
560 >                FVECT   graddia;
561 >                double  backg;
562 >                backg = back_ambval(hp, AI(hp,i,j),
563 >                                        AI(hp,i,j+1), AI(hp,i+1,j));
564 >                                        /* diagonal (inner) edge */
565 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i,j+1), AI(hp,i+1,j));
566 >                if (hessrow != NULL) {
567 >                    comp_hessian(hessdia, &fftr, hp->rp->ron);
568 >                    rev_hessian(hesscol);
569 >                    add2hessian(hessian, hessrow[j], hessdia, hesscol, backg);
570 >                }
571 >                if (gradrow != NULL) {
572 >                    comp_gradient(graddia, &fftr, hp->rp->ron);
573 >                    rev_gradient(gradcol);
574 >                    add2gradient(gradient, gradrow[j], graddia, gradcol, backg);
575 >                }
576 >                                        /* initialize edge in next row */
577 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i+1,j+1), AI(hp,i+1,j));
578 >                if (hessrow != NULL)
579 >                    comp_hessian(hessrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
580 >                if (gradrow != NULL)
581 >                    comp_gradient(gradrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
582 >                                        /* new column edge & paired triangle */
583 >                backg = back_ambval(hp, AI(hp,i+1,j+1),
584 >                                        AI(hp,i+1,j), AI(hp,i,j+1));
585 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i,j+1), AI(hp,i+1,j+1));
586 >                if (hessrow != NULL) {
587 >                    comp_hessian(hesscol, &fftr, hp->rp->ron);
588 >                    rev_hessian(hessdia);
589 >                    add2hessian(hessian, hessrow[j], hessdia, hesscol, backg);
590 >                    if (i < hp->ns-2)
591 >                        rev_hessian(hessrow[j]);
592 >                }
593 >                if (gradrow != NULL) {
594 >                    comp_gradient(gradcol, &fftr, hp->rp->ron);
595 >                    rev_gradient(graddia);
596 >                    add2gradient(gradient, gradrow[j], graddia, gradcol, backg);
597 >                    if (i < hp->ns-2)
598 >                        rev_gradient(gradrow[j]);
599 >                }
600 >            }
601 >        }
602 >                                        /* release row buffers */
603 >        if (hessrow != NULL) free(hessrow);
604 >        if (gradrow != NULL) free(gradrow);
605 >        
606 >        if (ra != NULL)                 /* extract eigenvectors & radii */
607 >                eigenvectors(uv, ra, hessian);
608 >        if (pg != NULL) {               /* tangential position gradient */
609 >                pg[0] = DOT(gradient, uv[0]);
610 >                pg[1] = DOT(gradient, uv[1]);
611 >        }
612   }
613  
614  
615 < dirgradient(gv, da, hp)                         /* compute direction gradient */
616 < FVECT  gv;
617 < AMBSAMP  *da;
291 < AMBHEMI  *hp;
615 > /* Compute direction gradient from a hemispherical sampling */
616 > static void
617 > ambdirgrad(AMBHEMI *hp, FVECT uv[2], float dg[2])
618   {
619 <        gv[0] = 0.0; gv[1] = 0.0; gv[2] = 0.0;
619 >        AMBSAMP *ap;
620 >        double  dgsum[2];
621 >        int     n;
622 >        FVECT   vd;
623 >        double  gfact;
624 >
625 >        dgsum[0] = dgsum[1] = 0.0;      /* sum values times -tan(theta) */
626 >        for (ap = hp->sa, n = hp->ns*hp->ns; n--; ap++) {
627 >                                        /* use vector for azimuth + 90deg */
628 >                VSUB(vd, ap->p, hp->rp->rop);
629 >                                        /* brightness over cosine factor */
630 >                gfact = colval(ap->v,CIEY) / DOT(hp->rp->ron, vd);
631 >                                        /* sine = proj_radius/vd_length */
632 >                dgsum[0] -= DOT(uv[1], vd) * gfact;
633 >                dgsum[1] += DOT(uv[0], vd) * gfact;
634 >        }
635 >        dg[0] = dgsum[0] / (hp->ns*hp->ns);
636 >        dg[1] = dgsum[1] / (hp->ns*hp->ns);
637   }
638 +
639 +
640 + /* Compute potential light leak direction flags for cache value */
641 + static uint32
642 + ambcorral(AMBHEMI *hp, FVECT uv[2], const double r0, const double r1)
643 + {
644 +        const double    max_d = 1.0/(minarad*ambacc + 0.001);
645 +        const double    ang_res = 0.5*PI/hp->ns;
646 +        const double    ang_step = ang_res/((int)(16/PI*ang_res) + 1.01);
647 +        double          avg_d = 0;
648 +        uint32          flgs = 0;
649 +        FVECT           vec;
650 +        double          u, v;
651 +        double          ang, a1;
652 +        int             i, j;
653 +                                        /* don't bother for a few samples */
654 +        if (hp->ns < 8)
655 +                return(0);
656 +                                        /* check distances overhead */
657 +        for (i = hp->ns*3/4; i-- > hp->ns>>2; )
658 +            for (j = hp->ns*3/4; j-- > hp->ns>>2; )
659 +                avg_d += ambsam(hp,i,j).d;
660 +        avg_d *= 4.0/(hp->ns*hp->ns);
661 +        if (avg_d*r0 >= 1.0)            /* ceiling too low for corral? */
662 +                return(0);
663 +        if (avg_d >= max_d)             /* insurance */
664 +                return(0);
665 +                                        /* else circle around perimeter */
666 +        for (i = 0; i < hp->ns; i++)
667 +            for (j = 0; j < hp->ns; j += !i|(i==hp->ns-1) ? 1 : hp->ns-1) {
668 +                AMBSAMP *ap = &ambsam(hp,i,j);
669 +                if ((ap->d <= FTINY) | (ap->d >= max_d))
670 +                        continue;       /* too far or too near */
671 +                VSUB(vec, ap->p, hp->rp->rop);
672 +                u = DOT(vec, uv[0]);
673 +                v = DOT(vec, uv[1]);
674 +                if ((r0*r0*u*u + r1*r1*v*v) * ap->d*ap->d <= u*u + v*v)
675 +                        continue;       /* occluder outside ellipse */
676 +                ang = atan2a(v, u);     /* else set direction flags */
677 +                for (a1 = ang-ang_res; a1 <= ang+ang_res; a1 += ang_step)
678 +                        flgs |= 1L<<(int)(16/PI*(a1 + 2.*PI*(a1 < 0)));
679 +            }
680 +        return(flgs);
681 + }
682 +
683 +
684 + int
685 + doambient(                              /* compute ambient component */
686 +        COLOR   rcol,                   /* input/output color */
687 +        RAY     *r,
688 +        double  wt,
689 +        FVECT   uv[2],                  /* returned (optional) */
690 +        float   ra[2],                  /* returned (optional) */
691 +        float   pg[2],                  /* returned (optional) */
692 +        float   dg[2],                  /* returned (optional) */
693 +        uint32  *crlp                   /* returned (optional) */
694 + )
695 + {
696 +        AMBHEMI *hp = samp_hemi(rcol, r, wt);
697 +        FVECT   my_uv[2];
698 +        double  d, K;
699 +        AMBSAMP *ap;
700 +        int     i;
701 +                                        /* clear return values */
702 +        if (uv != NULL)
703 +                memset(uv, 0, sizeof(FVECT)*2);
704 +        if (ra != NULL)
705 +                ra[0] = ra[1] = 0.0;
706 +        if (pg != NULL)
707 +                pg[0] = pg[1] = 0.0;
708 +        if (dg != NULL)
709 +                dg[0] = dg[1] = 0.0;
710 +        if (crlp != NULL)
711 +                *crlp = 0;
712 +        if (hp == NULL)                 /* sampling falure? */
713 +                return(0);
714 +
715 +        if ((ra == NULL) & (pg == NULL) & (dg == NULL) ||
716 +                        (hp->sampOK < 0) | (hp->ns < 6)) {
717 +                free(hp);               /* Hessian not requested/possible */
718 +                return(-1);             /* value-only return value */
719 +        }
720 +        if ((d = bright(rcol)) > FTINY) {       /* normalize Y values */
721 +                d = 0.99*(hp->ns*hp->ns)/d;
722 +                K = 0.01;
723 +        } else {                        /* or fall back on geometric Hessian */
724 +                K = 1.0;
725 +                pg = NULL;
726 +                dg = NULL;
727 +                crlp = NULL;
728 +        }
729 +        ap = hp->sa;                    /* relative Y channel from here on... */
730 +        for (i = hp->ns*hp->ns; i--; ap++)
731 +                colval(ap->v,CIEY) = bright(ap->v)*d + K;
732 +
733 +        if (uv == NULL)                 /* make sure we have axis pointers */
734 +                uv = my_uv;
735 +                                        /* compute radii & pos. gradient */
736 +        ambHessian(hp, uv, ra, pg);
737 +
738 +        if (dg != NULL)                 /* compute direction gradient */
739 +                ambdirgrad(hp, uv, dg);
740 +
741 +        if (ra != NULL) {               /* scale/clamp radii */
742 +                if (pg != NULL) {
743 +                        if (ra[0]*(d = fabs(pg[0])) > 1.0)
744 +                                ra[0] = 1.0/d;
745 +                        if (ra[1]*(d = fabs(pg[1])) > 1.0)
746 +                                ra[1] = 1.0/d;
747 +                        if (ra[0] > ra[1])
748 +                                ra[0] = ra[1];
749 +                }
750 +                if (ra[0] < minarad) {
751 +                        ra[0] = minarad;
752 +                        if (ra[1] < minarad)
753 +                                ra[1] = minarad;
754 +                }
755 +                ra[0] *= d = 1.0/sqrt(wt);
756 +                if ((ra[1] *= d) > 2.0*ra[0])
757 +                        ra[1] = 2.0*ra[0];
758 +                if (ra[1] > maxarad) {
759 +                        ra[1] = maxarad;
760 +                        if (ra[0] > maxarad)
761 +                                ra[0] = maxarad;
762 +                }
763 +                                        /* flag encroached directions */
764 +                if (crlp != NULL)
765 +                        *crlp = ambcorral(hp, uv, ra[0]*ambacc, ra[1]*ambacc);
766 +                if (pg != NULL) {       /* cap gradient if necessary */
767 +                        d = pg[0]*pg[0]*ra[0]*ra[0] + pg[1]*pg[1]*ra[1]*ra[1];
768 +                        if (d > 1.0) {
769 +                                d = 1.0/sqrt(d);
770 +                                pg[0] *= d;
771 +                                pg[1] *= d;
772 +                        }
773 +                }
774 +        }
775 +        free(hp);                       /* clean up and return */
776 +        return(1);
777 + }
778 +

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