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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 2.89 by greg, Tue Apr 19 00:36:34 2022 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 + #ifndef MINADIV
25 + #define MINADIV         7       /* minimum # divisions in each dimension */
26 + #endif
27 +
28   typedef struct {
29 <        short  t, p;            /* theta, phi indices */
30 <        COLOR  v;               /* value sum */
31 <        float  k;               /* error contribution for this division */
32 <        int  n;                 /* number of subsamples */
22 < }  AMBSAMP;             /* ambient division sample */
29 >        COLOR   v;              /* hemisphere sample value */
30 >        float   d;              /* reciprocal distance */
31 >        FVECT   p;              /* intersection point */
32 > } AMBSAMP;              /* sample value */
33  
34   typedef struct {
35 <        FVECT  ux, uy, uz;      /* x, y and z axis directions */
36 <        short  nt, np;          /* number of theta and phi directions */
35 >        RAY     *rp;            /* originating ray sample */
36 >        int     ns;             /* number of samples per axis */
37 >        int     sampOK;         /* acquired full sample set? */
38 >        COLOR   acoef;          /* division contribution coefficient */
39 >        double  acol[3];        /* accumulated color */
40 >        FVECT   ux, uy;         /* tangent axis unit vectors */
41 >        AMBSAMP sa[1];          /* sample array (extends struct) */
42   }  AMBHEMI;             /* ambient sample hemisphere */
43  
44 < extern double  sin(), cos(), sqrt();
44 > #define AI(h,i,j)       ((i)*(h)->ns + (j))
45 > #define ambsam(h,i,j)   (h)->sa[AI(h,i,j)]
46  
47 + typedef struct {
48 +        FVECT   r_i, r_i1, e_i, rcp, rI2_eJ2;
49 +        double  I1, I2;
50 + } FFTRI;                /* vectors and coefficients for Hessian calculation */
51  
52 +
53   static int
54 < ambcmp(d1, d2)                          /* decreasing order */
55 < AMBSAMP  *d1, *d2;
54 > ambcollision(                           /* proposed direciton collides? */
55 >        AMBHEMI *hp,
56 >        int     i,
57 >        int     j,
58 >        FVECT   dv
59 > )
60   {
61 <        if (d1->k < d2->k)
62 <                return(1);
63 <        if (d1->k > d2->k)
64 <                return(-1);
65 <        return(0);
61 >        double  cos_thresh;
62 >        int     ii, jj;
63 >                                        /* min. spacing = 1/4th division */
64 >        cos_thresh = (PI/4.)/(double)hp->ns;
65 >        cos_thresh = 1. - .5*cos_thresh*cos_thresh;
66 >                                        /* check existing neighbors */
67 >        for (ii = i-1; ii <= i+1; ii++) {
68 >                if (ii < 0) continue;
69 >                if (ii >= hp->ns) break;
70 >                for (jj = j-1; jj <= j+1; jj++) {
71 >                        AMBSAMP *ap;
72 >                        FVECT   avec;
73 >                        double  dprod;
74 >                        if (jj < 0) continue;
75 >                        if (jj >= hp->ns) break;
76 >                        if ((ii==i) & (jj==j)) continue;
77 >                        ap = &ambsam(hp,ii,jj);
78 >                        if (ap->d <= .5/FHUGE)
79 >                                continue;       /* no one home */
80 >                        VSUB(avec, ap->p, hp->rp->rop);
81 >                        dprod = DOT(avec, dv);
82 >                        if (dprod >= cos_thresh*VLEN(avec))
83 >                                return(1);      /* collision */
84 >                }
85 >        }
86 >        return(0);                      /* nothing to worry about */
87   }
88  
89  
90   static int
91 < ambnorm(d1, d2)                         /* standard order */
92 < AMBSAMP  *d1, *d2;
91 > ambsample(                              /* initial ambient division sample */
92 >        AMBHEMI *hp,
93 >        int     i,
94 >        int     j,
95 >        int     n
96 > )
97   {
98 <        register int  c;
98 >        AMBSAMP *ap = &ambsam(hp,i,j);
99 >        RAY     ar;
100 >        int     hlist[3], ii;
101 >        RREAL   spt[2];
102 >        double  zd;
103 >                                        /* generate hemispherical sample */
104 >                                        /* ambient coefficient for weight */
105 >        if (ambacc > FTINY)
106 >                setcolor(ar.rcoef, AVGREFL, AVGREFL, AVGREFL);
107 >        else
108 >                copycolor(ar.rcoef, hp->acoef);
109 >        if (rayorigin(&ar, AMBIENT, hp->rp, ar.rcoef) < 0)
110 >                return(0);
111 >        if (ambacc > FTINY) {
112 >                multcolor(ar.rcoef, hp->acoef);
113 >                scalecolor(ar.rcoef, 1./AVGREFL);
114 >        }
115 >        hlist[0] = hp->rp->rno;
116 >        hlist[1] = j;
117 >        hlist[2] = i;
118 >        multisamp(spt, 2, urand(ilhash(hlist,3)+n));
119 > resample:
120 >        square2disk(spt, (j+spt[1])/hp->ns, (i+spt[0])/hp->ns);
121 >        zd = sqrt(1. - spt[0]*spt[0] - spt[1]*spt[1]);
122 >        for (ii = 3; ii--; )
123 >                ar.rdir[ii] =   spt[0]*hp->ux[ii] +
124 >                                spt[1]*hp->uy[ii] +
125 >                                zd*hp->rp->ron[ii];
126 >        checknorm(ar.rdir);
127 >                                        /* avoid coincident samples */
128 >        if (!n && ambcollision(hp, i, j, ar.rdir)) {
129 >                spt[0] = frandom(); spt[1] = frandom();
130 >                goto resample;          /* reject this sample */
131 >        }
132 >        dimlist[ndims++] = AI(hp,i,j) + 90171;
133 >        rayvalue(&ar);                  /* evaluate ray */
134 >        ndims--;
135 >        zd = raydistance(&ar);
136 >        if (zd <= FTINY)
137 >                return(0);              /* should never happen */
138 >        multcolor(ar.rcol, ar.rcoef);   /* apply coefficient */
139 >        if (zd*ap->d < 1.0)             /* new/closer distance? */
140 >                ap->d = 1.0/zd;
141 >        if (!n) {                       /* record first vertex & value */
142 >                if (zd > 10.0*thescene.cusize + 1000.)
143 >                        zd = 10.0*thescene.cusize + 1000.;
144 >                VSUM(ap->p, ar.rorg, ar.rdir, zd);
145 >                copycolor(ap->v, ar.rcol);
146 >        } else {                        /* else update recorded value */
147 >                hp->acol[RED] -= colval(ap->v,RED);
148 >                hp->acol[GRN] -= colval(ap->v,GRN);
149 >                hp->acol[BLU] -= colval(ap->v,BLU);
150 >                zd = 1.0/(double)(n+1);
151 >                scalecolor(ar.rcol, zd);
152 >                zd *= (double)n;
153 >                scalecolor(ap->v, zd);
154 >                addcolor(ap->v, ar.rcol);
155 >        }
156 >        addcolor(hp->acol, ap->v);      /* add to our sum */
157 >        return(1);
158 > }
159  
160 <        if (c = d1->t - d2->t)
161 <                return(c);
162 <        return(d1->p - d2->p);
160 >
161 > /* Estimate variance based on ambient division differences */
162 > static float *
163 > getambdiffs(AMBHEMI *hp)
164 > {
165 >        const double    normf = 1./bright(hp->acoef);
166 >        float   *earr = (float *)calloc(hp->ns*hp->ns, sizeof(float));
167 >        float   *ep;
168 >        AMBSAMP *ap;
169 >        double  b, b1, d2;
170 >        int     i, j;
171 >
172 >        if (earr == NULL)               /* out of memory? */
173 >                return(NULL);
174 >                                        /* sum squared neighbor diffs */
175 >        for (ap = hp->sa, ep = earr, i = 0; i < hp->ns; i++)
176 >            for (j = 0; j < hp->ns; j++, ap++, ep++) {
177 >                b = bright(ap[0].v);
178 >                if (i) {                /* from above */
179 >                        b1 = bright(ap[-hp->ns].v);
180 >                        d2 = b - b1;
181 >                        d2 *= d2*normf/(b + b1 + FTINY);
182 >                        ep[0] += d2;
183 >                        ep[-hp->ns] += d2;
184 >                }
185 >                if (!j) continue;
186 >                                        /* from behind */
187 >                b1 = bright(ap[-1].v);
188 >                d2 = b - b1;
189 >                d2 *= d2*normf/(b + b1 + FTINY);
190 >                ep[0] += d2;
191 >                ep[-1] += d2;
192 >                if (!i) continue;
193 >                                        /* diagonal */
194 >                b1 = bright(ap[-hp->ns-1].v);
195 >                d2 = b - b1;
196 >                d2 *= d2*normf/(b + b1 + FTINY);
197 >                ep[0] += d2;
198 >                ep[-hp->ns-1] += d2;
199 >            }
200 >                                        /* correct for number of neighbors */
201 >        earr[0] *= 8./3.;
202 >        earr[hp->ns-1] *= 8./3.;
203 >        earr[(hp->ns-1)*hp->ns] *= 8./3.;
204 >        earr[(hp->ns-1)*hp->ns + hp->ns-1] *= 8./3.;
205 >        for (i = 1; i < hp->ns-1; i++) {
206 >                earr[i*hp->ns] *= 8./5.;
207 >                earr[i*hp->ns + hp->ns-1] *= 8./5.;
208 >        }
209 >        for (j = 1; j < hp->ns-1; j++) {
210 >                earr[j] *= 8./5.;
211 >                earr[(hp->ns-1)*hp->ns + j] *= 8./5.;
212 >        }
213 >        return(earr);
214   }
215  
216  
217 + /* Perform super-sampling on hemisphere (introduces bias) */
218 + static void
219 + ambsupersamp(AMBHEMI *hp, int cnt)
220 + {
221 +        float   *earr = getambdiffs(hp);
222 +        double  e2rem = 0;
223 +        float   *ep;
224 +        int     i, j, n, nss;
225 +
226 +        if (earr == NULL)               /* just skip calc. if no memory */
227 +                return;
228 +                                        /* accumulate estimated variances */
229 +        for (ep = earr + hp->ns*hp->ns; ep > earr; )
230 +                e2rem += *--ep;
231 +        ep = earr;                      /* perform super-sampling */
232 +        for (i = 0; i < hp->ns; i++)
233 +            for (j = 0; j < hp->ns; j++) {
234 +                if (e2rem <= FTINY)
235 +                        goto done;      /* nothing left to do */
236 +                nss = *ep/e2rem*cnt + frandom();
237 +                for (n = 1; n <= nss && ambsample(hp,i,j,n); n++)
238 +                        if (!--cnt) goto done;
239 +                e2rem -= *ep++;         /* update remainder */
240 +        }
241 + done:
242 +        free(earr);
243 + }
244 +
245 +
246 + static AMBHEMI *
247 + samp_hemi(                              /* sample indirect hemisphere */
248 +        COLOR   rcol,
249 +        RAY     *r,
250 +        double  wt
251 + )
252 + {
253 +        AMBHEMI *hp;
254 +        double  d;
255 +        int     n, i, j;
256 +                                        /* insignificance check */
257 +        if (bright(rcol) <= FTINY)
258 +                return(NULL);
259 +                                        /* set number of divisions */
260 +        if (ambacc <= FTINY &&
261 +                        wt > (d = 0.8*intens(rcol)*r->rweight/(ambdiv*minweight)))
262 +                wt = d;                 /* avoid ray termination */
263 +        n = sqrt(ambdiv * wt) + 0.5;
264 +        i = 1 + (MINADIV-1)*(ambacc > FTINY);
265 +        if (n < i)                      /* use minimum number of samples? */
266 +                n = i;
267 +                                        /* allocate sampling array */
268 +        hp = (AMBHEMI *)malloc(sizeof(AMBHEMI) + sizeof(AMBSAMP)*(n*n - 1));
269 +        if (hp == NULL)
270 +                error(SYSTEM, "out of memory in samp_hemi");
271 +        hp->rp = r;
272 +        hp->ns = n;
273 +        hp->acol[RED] = hp->acol[GRN] = hp->acol[BLU] = 0.0;
274 +        memset(hp->sa, 0, sizeof(AMBSAMP)*n*n);
275 +        hp->sampOK = 0;
276 +                                        /* assign coefficient */
277 +        copycolor(hp->acoef, rcol);
278 +        d = 1.0/(n*n);
279 +        scalecolor(hp->acoef, d);
280 +                                        /* make tangent plane axes */
281 +        if (!getperpendicular(hp->ux, r->ron, 1))
282 +                error(CONSISTENCY, "bad ray direction in samp_hemi");
283 +        VCROSS(hp->uy, r->ron, hp->ux);
284 +                                        /* sample divisions */
285 +        for (i = hp->ns; i--; )
286 +            for (j = hp->ns; j--; )
287 +                hp->sampOK += ambsample(hp, i, j, 0);
288 +        copycolor(rcol, hp->acol);
289 +        if (!hp->sampOK) {              /* utter failure? */
290 +                free(hp);
291 +                return(NULL);
292 +        }
293 +        if (hp->sampOK < hp->ns*hp->ns) {
294 +                hp->sampOK *= -1;       /* soft failure */
295 +                return(hp);
296 +        }
297 +        if (hp->sampOK <= MINADIV*MINADIV)
298 +                return(hp);             /* don't bother super-sampling */
299 +        n = ambssamp*wt + 0.5;
300 +        if (n > 8) {                    /* perform super-sampling? */
301 +                ambsupersamp(hp, n);
302 +                copycolor(rcol, hp->acol);
303 +        }
304 +        return(hp);                     /* all is well */
305 + }
306 +
307 +
308 + /* Return brightness of farthest ambient sample */
309   static double
310 < divsample(dp, h, r)                     /* sample a division */
58 < register AMBSAMP  *dp;
59 < AMBHEMI  *h;
60 < RAY  *r;
310 > back_ambval(AMBHEMI *hp, const int n1, const int n2, const int n3)
311   {
312 <        RAY  ar;
313 <        int  hlist[4];
314 <        double  xd, yd, zd;
315 <        double  b2;
316 <        double  phi;
317 <        register int  k;
312 >        if (hp->sa[n1].d <= hp->sa[n2].d) {
313 >                if (hp->sa[n1].d <= hp->sa[n3].d)
314 >                        return(colval(hp->sa[n1].v,CIEY));
315 >                return(colval(hp->sa[n3].v,CIEY));
316 >        }
317 >        if (hp->sa[n2].d <= hp->sa[n3].d)
318 >                return(colval(hp->sa[n2].v,CIEY));
319 >        return(colval(hp->sa[n3].v,CIEY));
320 > }
321  
322 <        if (rayorigin(&ar, r, AMBIENT, 0.5) < 0)
323 <                return(0.0);
324 <        hlist[0] = r->rno;
325 <        hlist[1] = dp->t;
326 <        hlist[2] = dp->p;
327 <        hlist[3] = 0;
328 <        zd = sqrt((dp->t+urand(ilhash(hlist,4)+dp->n))/h->nt);
329 <        hlist[3] = 1;
330 <        phi = 2.0*PI * (dp->p+urand(ilhash(hlist,4)+dp->n))/h->np;
331 <        xd = cos(phi) * zd;
332 <        yd = sin(phi) * zd;
333 <        zd = sqrt(1.0 - zd*zd);
334 <        for (k = 0; k < 3; k++)
335 <                ar.rdir[k] =    xd*h->ux[k] +
336 <                                yd*h->uy[k] +
337 <                                zd*h->uz[k];
338 <        dimlist[ndims++] = dp->t*h->np + dp->p + 38813;
339 <        rayvalue(&ar);
340 <        ndims--;
341 <        addcolor(dp->v, ar.rcol);
342 <                                        /* (re)initialize error */
343 <        if (dp->n++) {
344 <                b2 = bright(dp->v)/dp->n - bright(ar.rcol);
345 <                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);
322 >
323 > /* Compute vectors and coefficients for Hessian/gradient calcs */
324 > static void
325 > comp_fftri(FFTRI *ftp, AMBHEMI *hp, const int n0, const int n1)
326 > {
327 >        double  rdot_cp, dot_e, dot_er, rdot_r, rdot_r1, J2;
328 >        int     ii;
329 >
330 >        VSUB(ftp->r_i, hp->sa[n0].p, hp->rp->rop);
331 >        VSUB(ftp->r_i1, hp->sa[n1].p, hp->rp->rop);
332 >        VSUB(ftp->e_i, hp->sa[n1].p, hp->sa[n0].p);
333 >        VCROSS(ftp->rcp, ftp->r_i, ftp->r_i1);
334 >        rdot_cp = 1.0/DOT(ftp->rcp,ftp->rcp);
335 >        dot_e = DOT(ftp->e_i,ftp->e_i);
336 >        dot_er = DOT(ftp->e_i, ftp->r_i);
337 >        rdot_r = 1.0/DOT(ftp->r_i,ftp->r_i);
338 >        rdot_r1 = 1.0/DOT(ftp->r_i1,ftp->r_i1);
339 >        ftp->I1 = acos( DOT(ftp->r_i, ftp->r_i1) * sqrt(rdot_r*rdot_r1) ) *
340 >                        sqrt( rdot_cp );
341 >        ftp->I2 = ( DOT(ftp->e_i, ftp->r_i1)*rdot_r1 - dot_er*rdot_r +
342 >                        dot_e*ftp->I1 )*0.5*rdot_cp;
343 >        J2 =  ( 0.5*(rdot_r - rdot_r1) - dot_er*ftp->I2 ) / dot_e;
344 >        for (ii = 3; ii--; )
345 >                ftp->rI2_eJ2[ii] = ftp->I2*ftp->r_i[ii] + J2*ftp->e_i[ii];
346   }
347  
348  
349 < double
350 < doambient(acol, r, pg, dg)              /* compute ambient component */
351 < COLOR  acol;
103 < RAY  *r;
104 < FVECT  pg, dg;
349 > /* Compose 3x3 matrix from two vectors */
350 > static void
351 > compose_matrix(FVECT mat[3], FVECT va, FVECT vb)
352   {
353 <        double  b, d;
354 <        AMBHEMI  hemi;
355 <        AMBSAMP  *div;
356 <        AMBSAMP  dnew;
357 <        register AMBSAMP  *dp;
358 <        double  arad;
359 <        int  ndivs, ns;
360 <        register int  i, j;
361 <                                        /* initialize color */
362 <        setcolor(acol, 0.0, 0.0, 0.0);
363 <                                        /* initialize hemisphere */
364 <        inithemi(&hemi, r);
365 <        ndivs = hemi.nt * hemi.np;
366 <        if (ndivs == 0)
367 <                return(0.0);
368 <                                        /* set number of super-samples */
369 <        ns = ambssamp * r->rweight + 0.5;
370 <        if (ns > 0 || pg != NULL || dg != NULL) {
371 <                div = (AMBSAMP *)malloc(ndivs*sizeof(AMBSAMP));
372 <                if (div == NULL)
373 <                        error(SYSTEM, "out of memory in doambient");
374 <        } else
375 <                div = NULL;
376 <                                        /* sample the divisions */
377 <        arad = 0.0;
378 <        if ((dp = div) == NULL)
379 <                dp = &dnew;
380 <        for (i = 0; i < hemi.nt; i++)
381 <                for (j = 0; j < hemi.np; j++) {
382 <                        dp->t = i; dp->p = j;
383 <                        setcolor(dp->v, 0.0, 0.0, 0.0);
384 <                        dp->n = 0;
385 <                        if ((d = divsample(dp, &hemi, r)) == 0.0)
386 <                                goto oopsy;
387 <                        if (d < FHUGE)
388 <                                arad += 1.0 / d;
389 <                        if (div != NULL)
390 <                                dp++;
391 <                        else
392 <                                addcolor(acol, dp->v);
393 <                }
394 <        if (ns > 0) {                   /* perform super-sampling */
395 <                comperrs(div, hemi);                    /* compute errors */
396 <                qsort(div, ndivs, sizeof(AMBSAMP), ambcmp);     /* sort divs */
397 <                dp = div + ndivs;                       /* skim excess */
398 <                for (i = ndivs; i > ns; i--) {
399 <                        dp--;
400 <                        addcolor(acol, dp->v);
401 <                }
402 <                                                /* super-sample */
403 <                for (i = ns; i > 0; i--) {
404 <                        copystruct(&dnew, div);
405 <                        if ((d = divsample(&dnew, &hemi)) == 0.0)
406 <                                goto oopsy;
407 <                        if (d < FHUGE)
408 <                                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);
353 >        mat[0][0] = 2.0*va[0]*vb[0];
354 >        mat[1][1] = 2.0*va[1]*vb[1];
355 >        mat[2][2] = 2.0*va[2]*vb[2];
356 >        mat[0][1] = mat[1][0] = va[0]*vb[1] + va[1]*vb[0];
357 >        mat[0][2] = mat[2][0] = va[0]*vb[2] + va[2]*vb[0];
358 >        mat[1][2] = mat[2][1] = va[1]*vb[2] + va[2]*vb[1];
359 > }
360 >
361 >
362 > /* Compute partial 3x3 Hessian matrix for edge */
363 > static void
364 > comp_hessian(FVECT hess[3], FFTRI *ftp, FVECT nrm)
365 > {
366 >        FVECT   ncp;
367 >        FVECT   m1[3], m2[3], m3[3], m4[3];
368 >        double  d1, d2, d3, d4;
369 >        double  I3, J3, K3;
370 >        int     i, j;
371 >                                        /* compute intermediate coefficients */
372 >        d1 = 1.0/DOT(ftp->r_i,ftp->r_i);
373 >        d2 = 1.0/DOT(ftp->r_i1,ftp->r_i1);
374 >        d3 = 1.0/DOT(ftp->e_i,ftp->e_i);
375 >        d4 = DOT(ftp->e_i, ftp->r_i);
376 >        I3 = ( DOT(ftp->e_i, ftp->r_i1)*d2*d2 - d4*d1*d1 + 3.0/d3*ftp->I2 )
377 >                        / ( 4.0*DOT(ftp->rcp,ftp->rcp) );
378 >        J3 = 0.25*d3*(d1*d1 - d2*d2) - d4*d3*I3;
379 >        K3 = d3*(ftp->I2 - I3/d1 - 2.0*d4*J3);
380 >                                        /* intermediate matrices */
381 >        VCROSS(ncp, nrm, ftp->e_i);
382 >        compose_matrix(m1, ncp, ftp->rI2_eJ2);
383 >        compose_matrix(m2, ftp->r_i, ftp->r_i);
384 >        compose_matrix(m3, ftp->e_i, ftp->e_i);
385 >        compose_matrix(m4, ftp->r_i, ftp->e_i);
386 >        d1 = DOT(nrm, ftp->rcp);
387 >        d2 = -d1*ftp->I2;
388 >        d1 *= 2.0;
389 >        for (i = 3; i--; )              /* final matrix sum */
390 >            for (j = 3; j--; ) {
391 >                hess[i][j] = m1[i][j] + d1*( I3*m2[i][j] + K3*m3[i][j] +
392 >                                                2.0*J3*m4[i][j] );
393 >                hess[i][j] += d2*(i==j);
394 >                hess[i][j] *= -1.0/PI;
395 >            }
396 > }
397 >
398 >
399 > /* Reverse hessian calculation result for edge in other direction */
400 > static void
401 > rev_hessian(FVECT hess[3])
402 > {
403 >        int     i;
404 >
405 >        for (i = 3; i--; ) {
406 >                hess[i][0] = -hess[i][0];
407 >                hess[i][1] = -hess[i][1];
408 >                hess[i][2] = -hess[i][2];
409          }
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);
410   }
411  
412  
413 < inithemi(hp, r)                 /* initialize sampling hemisphere */
414 < register AMBHEMI  *hp;
415 < RAY  *r;
413 > /* Add to radiometric Hessian from the given triangle */
414 > static void
415 > add2hessian(FVECT hess[3], FVECT ehess1[3],
416 >                FVECT ehess2[3], FVECT ehess3[3], double v)
417   {
418 <        register int  k;
419 <                                        /* set number of divisions */
420 <        hp->nt = sqrt(ambdiv * r->rweight * 0.5) + 0.5;
421 <        hp->np = 2 * hp->nt;
422 <                                        /* 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);
418 >        int     i, j;
419 >
420 >        for (i = 3; i--; )
421 >            for (j = 3; j--; )
422 >                hess[i][j] += v*( ehess1[i][j] + ehess2[i][j] + ehess3[i][j] );
423   }
424  
425  
426 < comperrs(da, hp)                /* compute initial error estimates */
427 < AMBSAMP  *da;
428 < register AMBHEMI  *hp;
426 > /* Compute partial displacement form factor gradient for edge */
427 > static void
428 > comp_gradient(FVECT grad, FFTRI *ftp, FVECT nrm)
429   {
430 <        double  b, b2;
431 <        int  i, j;
432 <        register AMBSAMP  *dp;
433 <                                /* sum differences from neighbors */
434 <        dp = da;
435 <        for (i = 0; i < hp->nt; i++)
436 <                for (j = 0; j < hp->np; j++) {
437 <                        b = bright(dp[0].v);
438 <                        if (i > 0) {            /* from above */
439 <                                b2 = bright(dp[-hp->np].v) - b;
440 <                                b2 *= b2 * 0.25;
441 <                                dp[0].k += b2;
442 <                                dp[-hp->np].k += b2;
443 <                        }
444 <                        if (j > 0) {            /* from behind */
445 <                                b2 = bright(dp[-1].v) - b;
446 <                                b2 *= b2 * 0.25;
447 <                                dp[0].k += b2;
448 <                                dp[-1].k += b2;
449 <                        }
450 <                        if (j == hp->np-1) {    /* around */
451 <                                b2 = bright(dp[-(hp->np-1)].v) - b;
452 <                                b2 *= b2 * 0.25;
453 <                                dp[0].k += b2;
454 <                                dp[-(hp->np-1)].k += b2;
455 <                        }
456 <                        dp++;
457 <                }
458 <                                /* divide by number of neighbors */
459 <        dp = da;
460 <        for (j = 0; j < hp->np; j++)            /* top row */
461 <                (dp++)->k *= 1.0/3.0;
462 <        if (hp->nt < 2)
430 >        FVECT   ncp;
431 >        double  f1;
432 >        int     i;
433 >
434 >        f1 = 2.0*DOT(nrm, ftp->rcp);
435 >        VCROSS(ncp, nrm, ftp->e_i);
436 >        for (i = 3; i--; )
437 >                grad[i] = (0.5/PI)*( ftp->I1*ncp[i] + f1*ftp->rI2_eJ2[i] );
438 > }
439 >
440 >
441 > /* Reverse gradient calculation result for edge in other direction */
442 > static void
443 > rev_gradient(FVECT grad)
444 > {
445 >        grad[0] = -grad[0];
446 >        grad[1] = -grad[1];
447 >        grad[2] = -grad[2];
448 > }
449 >
450 >
451 > /* Add to displacement gradient from the given triangle */
452 > static void
453 > add2gradient(FVECT grad, FVECT egrad1, FVECT egrad2, FVECT egrad3, double v)
454 > {
455 >        int     i;
456 >
457 >        for (i = 3; i--; )
458 >                grad[i] += v*( egrad1[i] + egrad2[i] + egrad3[i] );
459 > }
460 >
461 >
462 > /* Compute anisotropic radii and eigenvector directions */
463 > static void
464 > eigenvectors(FVECT uv[2], float ra[2], FVECT hessian[3])
465 > {
466 >        double  hess2[2][2];
467 >        FVECT   a, b;
468 >        double  evalue[2], slope1, xmag1;
469 >        int     i;
470 >                                        /* project Hessian to sample plane */
471 >        for (i = 3; i--; ) {
472 >                a[i] = DOT(hessian[i], uv[0]);
473 >                b[i] = DOT(hessian[i], uv[1]);
474 >        }
475 >        hess2[0][0] = DOT(uv[0], a);
476 >        hess2[0][1] = DOT(uv[0], b);
477 >        hess2[1][0] = DOT(uv[1], a);
478 >        hess2[1][1] = DOT(uv[1], b);
479 >                                        /* compute eigenvalue(s) */
480 >        i = quadratic(evalue, 1.0, -hess2[0][0]-hess2[1][1],
481 >                        hess2[0][0]*hess2[1][1]-hess2[0][1]*hess2[1][0]);
482 >        if (i == 1)                     /* double-root (circle) */
483 >                evalue[1] = evalue[0];
484 >        if (!i || ((evalue[0] = fabs(evalue[0])) <= FTINY*FTINY) |
485 >                        ((evalue[1] = fabs(evalue[1])) <= FTINY*FTINY) ) {
486 >                ra[0] = ra[1] = maxarad;
487                  return;
488 <        for (i = 1; i < hp->nt-1; i++)          /* central region */
489 <                for (j = 0; j < hp->np; j++)
490 <                        (dp++)->k *= 0.25;
491 <        for (j = 0; j < hp->np; j++)            /* bottom row */
492 <                (dp++)->k *= 1.0/3.0;
488 >        }
489 >        if (evalue[0] > evalue[1]) {
490 >                ra[0] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[0]));
491 >                ra[1] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[1]));
492 >                slope1 = evalue[1];
493 >        } else {
494 >                ra[0] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[1]));
495 >                ra[1] = sqrt(sqrt(4.0/evalue[0]));
496 >                slope1 = evalue[0];
497 >        }
498 >                                        /* compute unit eigenvectors */
499 >        if (fabs(hess2[0][1]) <= FTINY)
500 >                return;                 /* uv OK as is */
501 >        slope1 = (slope1 - hess2[0][0]) / hess2[0][1];
502 >        xmag1 = sqrt(1.0/(1.0 + slope1*slope1));
503 >        for (i = 3; i--; ) {
504 >                b[i] = xmag1*uv[0][i] + slope1*xmag1*uv[1][i];
505 >                a[i] = slope1*xmag1*uv[0][i] - xmag1*uv[1][i];
506 >        }
507 >        VCOPY(uv[0], a);
508 >        VCOPY(uv[1], b);
509   }
510  
511  
512 < posgradient(gv, da, hp)                         /* compute position gradient */
513 < FVECT  gv;
514 < AMBSAMP  *da;
515 < AMBHEMI  *hp;
512 > static void
513 > ambHessian(                             /* anisotropic radii & pos. gradient */
514 >        AMBHEMI *hp,
515 >        FVECT   uv[2],                  /* returned */
516 >        float   ra[2],                  /* returned (optional) */
517 >        float   pg[2]                   /* returned (optional) */
518 > )
519   {
520 <        gv[0] = 0.0; gv[1] = 0.0; gv[2] = 0.0;
520 >        static char     memerrmsg[] = "out of memory in ambHessian()";
521 >        FVECT           (*hessrow)[3] = NULL;
522 >        FVECT           *gradrow = NULL;
523 >        FVECT           hessian[3];
524 >        FVECT           gradient;
525 >        FFTRI           fftr;
526 >        int             i, j;
527 >                                        /* be sure to assign unit vectors */
528 >        VCOPY(uv[0], hp->ux);
529 >        VCOPY(uv[1], hp->uy);
530 >                        /* clock-wise vertex traversal from sample POV */
531 >        if (ra != NULL) {               /* initialize Hessian row buffer */
532 >                hessrow = (FVECT (*)[3])malloc(sizeof(FVECT)*3*(hp->ns-1));
533 >                if (hessrow == NULL)
534 >                        error(SYSTEM, memerrmsg);
535 >                memset(hessian, 0, sizeof(hessian));
536 >        } else if (pg == NULL)          /* bogus call? */
537 >                return;
538 >        if (pg != NULL) {               /* initialize form factor row buffer */
539 >                gradrow = (FVECT *)malloc(sizeof(FVECT)*(hp->ns-1));
540 >                if (gradrow == NULL)
541 >                        error(SYSTEM, memerrmsg);
542 >                memset(gradient, 0, sizeof(gradient));
543 >        }
544 >                                        /* compute first row of edges */
545 >        for (j = 0; j < hp->ns-1; j++) {
546 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,0,j), AI(hp,0,j+1));
547 >                if (hessrow != NULL)
548 >                        comp_hessian(hessrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
549 >                if (gradrow != NULL)
550 >                        comp_gradient(gradrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
551 >        }
552 >                                        /* sum each row of triangles */
553 >        for (i = 0; i < hp->ns-1; i++) {
554 >            FVECT       hesscol[3];     /* compute first vertical edge */
555 >            FVECT       gradcol;
556 >            comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i,0), AI(hp,i+1,0));
557 >            if (hessrow != NULL)
558 >                comp_hessian(hesscol, &fftr, hp->rp->ron);
559 >            if (gradrow != NULL)
560 >                comp_gradient(gradcol, &fftr, hp->rp->ron);
561 >            for (j = 0; j < hp->ns-1; j++) {
562 >                FVECT   hessdia[3];     /* compute triangle contributions */
563 >                FVECT   graddia;
564 >                double  backg;
565 >                backg = back_ambval(hp, AI(hp,i,j),
566 >                                        AI(hp,i,j+1), AI(hp,i+1,j));
567 >                                        /* diagonal (inner) edge */
568 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i,j+1), AI(hp,i+1,j));
569 >                if (hessrow != NULL) {
570 >                    comp_hessian(hessdia, &fftr, hp->rp->ron);
571 >                    rev_hessian(hesscol);
572 >                    add2hessian(hessian, hessrow[j], hessdia, hesscol, backg);
573 >                }
574 >                if (gradrow != NULL) {
575 >                    comp_gradient(graddia, &fftr, hp->rp->ron);
576 >                    rev_gradient(gradcol);
577 >                    add2gradient(gradient, gradrow[j], graddia, gradcol, backg);
578 >                }
579 >                                        /* initialize edge in next row */
580 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i+1,j+1), AI(hp,i+1,j));
581 >                if (hessrow != NULL)
582 >                    comp_hessian(hessrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
583 >                if (gradrow != NULL)
584 >                    comp_gradient(gradrow[j], &fftr, hp->rp->ron);
585 >                                        /* new column edge & paired triangle */
586 >                backg = back_ambval(hp, AI(hp,i+1,j+1),
587 >                                        AI(hp,i+1,j), AI(hp,i,j+1));
588 >                comp_fftri(&fftr, hp, AI(hp,i,j+1), AI(hp,i+1,j+1));
589 >                if (hessrow != NULL) {
590 >                    comp_hessian(hesscol, &fftr, hp->rp->ron);
591 >                    rev_hessian(hessdia);
592 >                    add2hessian(hessian, hessrow[j], hessdia, hesscol, backg);
593 >                    if (i < hp->ns-2)
594 >                        rev_hessian(hessrow[j]);
595 >                }
596 >                if (gradrow != NULL) {
597 >                    comp_gradient(gradcol, &fftr, hp->rp->ron);
598 >                    rev_gradient(graddia);
599 >                    add2gradient(gradient, gradrow[j], graddia, gradcol, backg);
600 >                    if (i < hp->ns-2)
601 >                        rev_gradient(gradrow[j]);
602 >                }
603 >            }
604 >        }
605 >                                        /* release row buffers */
606 >        if (hessrow != NULL) free(hessrow);
607 >        if (gradrow != NULL) free(gradrow);
608 >        
609 >        if (ra != NULL)                 /* extract eigenvectors & radii */
610 >                eigenvectors(uv, ra, hessian);
611 >        if (pg != NULL) {               /* tangential position gradient */
612 >                pg[0] = DOT(gradient, uv[0]);
613 >                pg[1] = DOT(gradient, uv[1]);
614 >        }
615   }
616  
617  
618 < dirgradient(gv, da, hp)                         /* compute direction gradient */
619 < FVECT  gv;
620 < AMBSAMP  *da;
291 < AMBHEMI  *hp;
618 > /* Compute direction gradient from a hemispherical sampling */
619 > static void
620 > ambdirgrad(AMBHEMI *hp, FVECT uv[2], float dg[2])
621   {
622 <        gv[0] = 0.0; gv[1] = 0.0; gv[2] = 0.0;
622 >        AMBSAMP *ap;
623 >        double  dgsum[2];
624 >        int     n;
625 >        FVECT   vd;
626 >        double  gfact;
627 >
628 >        dgsum[0] = dgsum[1] = 0.0;      /* sum values times -tan(theta) */
629 >        for (ap = hp->sa, n = hp->ns*hp->ns; n--; ap++) {
630 >                                        /* use vector for azimuth + 90deg */
631 >                VSUB(vd, ap->p, hp->rp->rop);
632 >                                        /* brightness over cosine factor */
633 >                gfact = colval(ap->v,CIEY) / DOT(hp->rp->ron, vd);
634 >                                        /* sine = proj_radius/vd_length */
635 >                dgsum[0] -= DOT(uv[1], vd) * gfact;
636 >                dgsum[1] += DOT(uv[0], vd) * gfact;
637 >        }
638 >        dg[0] = dgsum[0] / (hp->ns*hp->ns);
639 >        dg[1] = dgsum[1] / (hp->ns*hp->ns);
640 > }
641 >
642 >
643 > /* Compute potential light leak direction flags for cache value */
644 > static uint32
645 > ambcorral(AMBHEMI *hp, FVECT uv[2], const double r0, const double r1)
646 > {
647 >        const double    max_d = 1.0/(minarad*ambacc + 0.001);
648 >        const double    ang_res = 0.5*PI/hp->ns;
649 >        const double    ang_step = ang_res/((int)(16/PI*ang_res) + 1.01);
650 >        double          avg_d = 0;
651 >        uint32          flgs = 0;
652 >        FVECT           vec;
653 >        double          u, v;
654 >        double          ang, a1;
655 >        int             i, j;
656 >                                        /* don't bother for a few samples */
657 >        if (hp->ns < 8)
658 >                return(0);
659 >                                        /* check distances overhead */
660 >        for (i = hp->ns*3/4; i-- > hp->ns>>2; )
661 >            for (j = hp->ns*3/4; j-- > hp->ns>>2; )
662 >                avg_d += ambsam(hp,i,j).d;
663 >        avg_d *= 4.0/(hp->ns*hp->ns);
664 >        if (avg_d*r0 >= 1.0)            /* ceiling too low for corral? */
665 >                return(0);
666 >        if (avg_d >= max_d)             /* insurance */
667 >                return(0);
668 >                                        /* else circle around perimeter */
669 >        for (i = 0; i < hp->ns; i++)
670 >            for (j = 0; j < hp->ns; j += !i|(i==hp->ns-1) ? 1 : hp->ns-1) {
671 >                AMBSAMP *ap = &ambsam(hp,i,j);
672 >                if ((ap->d <= FTINY) | (ap->d >= max_d))
673 >                        continue;       /* too far or too near */
674 >                VSUB(vec, ap->p, hp->rp->rop);
675 >                u = DOT(vec, uv[0]);
676 >                v = DOT(vec, uv[1]);
677 >                if ((r0*r0*u*u + r1*r1*v*v) * ap->d*ap->d <= u*u + v*v)
678 >                        continue;       /* occluder outside ellipse */
679 >                ang = atan2a(v, u);     /* else set direction flags */
680 >                for (a1 = ang-ang_res; a1 <= ang+ang_res; a1 += ang_step)
681 >                        flgs |= 1L<<(int)(16/PI*(a1 + 2.*PI*(a1 < 0)));
682 >            }
683 >        return(flgs);
684 > }
685 >
686 >
687 > int
688 > doambient(                              /* compute ambient component */
689 >        COLOR   rcol,                   /* input/output color */
690 >        RAY     *r,
691 >        double  wt,
692 >        FVECT   uv[2],                  /* returned (optional) */
693 >        float   ra[2],                  /* returned (optional) */
694 >        float   pg[2],                  /* returned (optional) */
695 >        float   dg[2],                  /* returned (optional) */
696 >        uint32  *crlp                   /* returned (optional) */
697 > )
698 > {
699 >        AMBHEMI *hp = samp_hemi(rcol, r, wt);
700 >        FVECT   my_uv[2];
701 >        double  d, K;
702 >        AMBSAMP *ap;
703 >        int     i;
704 >                                        /* clear return values */
705 >        if (uv != NULL)
706 >                memset(uv, 0, sizeof(FVECT)*2);
707 >        if (ra != NULL)
708 >                ra[0] = ra[1] = 0.0;
709 >        if (pg != NULL)
710 >                pg[0] = pg[1] = 0.0;
711 >        if (dg != NULL)
712 >                dg[0] = dg[1] = 0.0;
713 >        if (crlp != NULL)
714 >                *crlp = 0;
715 >        if (hp == NULL)                 /* sampling falure? */
716 >                return(0);
717 >
718 >        if ((ra == NULL) & (pg == NULL) & (dg == NULL) ||
719 >                        (hp->sampOK < 0) | (hp->ns < MINADIV)) {
720 >                free(hp);               /* Hessian not requested/possible */
721 >                return(-1);             /* value-only return value */
722 >        }
723 >        if ((d = bright(rcol)) > FTINY) {       /* normalize Y values */
724 >                d = 0.99*(hp->ns*hp->ns)/d;
725 >                K = 0.01;
726 >        } else {                        /* or fall back on geometric Hessian */
727 >                K = 1.0;
728 >                pg = NULL;
729 >                dg = NULL;
730 >                crlp = NULL;
731 >        }
732 >        ap = hp->sa;                    /* relative Y channel from here on... */
733 >        for (i = hp->ns*hp->ns; i--; ap++)
734 >                colval(ap->v,CIEY) = bright(ap->v)*d + K;
735 >
736 >        if (uv == NULL)                 /* make sure we have axis pointers */
737 >                uv = my_uv;
738 >                                        /* compute radii & pos. gradient */
739 >        ambHessian(hp, uv, ra, pg);
740 >
741 >        if (dg != NULL)                 /* compute direction gradient */
742 >                ambdirgrad(hp, uv, dg);
743 >
744 >        if (ra != NULL) {               /* scale/clamp radii */
745 >                if (pg != NULL) {
746 >                        if (ra[0]*(d = fabs(pg[0])) > 1.0)
747 >                                ra[0] = 1.0/d;
748 >                        if (ra[1]*(d = fabs(pg[1])) > 1.0)
749 >                                ra[1] = 1.0/d;
750 >                        if (ra[0] > ra[1])
751 >                                ra[0] = ra[1];
752 >                }
753 >                if (ra[0] < minarad) {
754 >                        ra[0] = minarad;
755 >                        if (ra[1] < minarad)
756 >                                ra[1] = minarad;
757 >                }
758 >                ra[0] *= d = 1.0/sqrt(wt);
759 >                if ((ra[1] *= d) > 2.0*ra[0])
760 >                        ra[1] = 2.0*ra[0];
761 >                if (ra[1] > maxarad) {
762 >                        ra[1] = maxarad;
763 >                        if (ra[0] > maxarad)
764 >                                ra[0] = maxarad;
765 >                }
766 >                                        /* flag encroached directions */
767 >                if (crlp != NULL)       /* XXX doesn't update with changes to ambacc */
768 >                        *crlp = ambcorral(hp, uv, ra[0]*ambacc, ra[1]*ambacc);
769 >                if (pg != NULL) {       /* cap gradient if necessary */
770 >                        d = pg[0]*pg[0]*ra[0]*ra[0] + pg[1]*pg[1]*ra[1]*ra[1];
771 >                        if (d > 1.0) {
772 >                                d = 1.0/sqrt(d);
773 >                                pg[0] *= d;
774 >                                pg[1] *= d;
775 >                        }
776 >                }
777 >        }
778 >        free(hp);                       /* clean up and return */
779 >        return(1);
780   }

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