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

Comparing ray/src/rt/aniso.c (file contents):
Revision 2.2 by greg, Sat Jan 4 23:36:40 1992 UTC vs.
Revision 2.40 by greg, Thu Aug 28 03:22:16 2003 UTC

# Line 1 | Line 1
1 – /* Copyright (c) 1992 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   *  Shading functions for anisotropic materials.
6   */
7  
8 + #include "copyright.h"
9 +
10   #include  "ray.h"
11  
12 + #include  "ambient.h"
13 +
14   #include  "otypes.h"
15  
16   #include  "func.h"
17  
18   #include  "random.h"
19  
20 + #ifndef  MAXITER
21 + #define  MAXITER        10              /* maximum # specular ray attempts */
22 + #endif
23 +
24   /*
25 < *      This anisotropic reflection model uses a variant on the
26 < *  exponential Gaussian used in normal.c.
25 > *      This routine implements the anisotropic Gaussian
26 > *  model described by Ward in Siggraph `92 article.
27   *      We orient the surface towards the incoming ray, so a single
28   *  surface can be used to represent an infinitely thin object.
29   *
# Line 31 | Line 36 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
36   *  8  red      grn     blu     rspec   u-rough v-rough trans   tspec
37   */
38  
34 – #define  BSPEC(m)       (6.0)           /* specularity parameter b */
35 –
39                                  /* specularity flags */
40   #define  SP_REFL        01              /* has reflected specular component */
41   #define  SP_TRAN        02              /* has transmitted specular */
42 < #define  SP_PURE        010             /* purely specular (zero roughness) */
43 < #define  SP_BADU        020             /* bad u direction calculation */
44 < #define  SP_FLAT        040             /* reflecting surface is flat */
42 > #define  SP_FLAT        04              /* reflecting surface is flat */
43 > #define  SP_RBLT        010             /* reflection below sample threshold */
44 > #define  SP_TBLT        020             /* transmission below threshold */
45 > #define  SP_BADU        040             /* bad u direction calculation */
46  
47   typedef struct {
48          OBJREC  *mp;            /* material pointer */
# Line 46 | Line 50 | typedef struct {
50          short  specfl;          /* specularity flags, defined above */
51          COLOR  mcolor;          /* color of this material */
52          COLOR  scolor;          /* color of specular component */
53 +        FVECT  vrefl;           /* vector in reflected direction */
54          FVECT  prdir;           /* vector in transmitted direction */
55          FVECT  u, v;            /* u and v vectors orienting anisotropy */
56          double  u_alpha;        /* u roughness */
# Line 57 | Line 62 | typedef struct {
62          double  pdot;           /* perturbed dot product */
63   }  ANISODAT;            /* anisotropic material data */
64  
65 + static void     getacoords();
66 + static void     agaussamp();
67  
68 +
69 + static void
70   diraniso(cval, np, ldir, omega)         /* compute source contribution */
71   COLOR  cval;                    /* returned coefficient */
72   register ANISODAT  *np;         /* material data */
# Line 65 | Line 74 | FVECT  ldir;                   /* light source direction */
74   double  omega;                  /* light source size */
75   {
76          double  ldot;
77 <        double  dtmp, dtmp2;
77 >        double  dtmp, dtmp1, dtmp2;
78          FVECT  h;
79          double  au2, av2;
80          COLOR  ctmp;
# Line 88 | Line 97 | double  omega;                 /* light source size */
97                  scalecolor(ctmp, dtmp);
98                  addcolor(cval, ctmp);
99          }
100 <        if (ldot > FTINY && (np->specfl&(SP_REFL|SP_PURE|SP_BADU)) == SP_REFL) {
100 >        if (ldot > FTINY && (np->specfl&(SP_REFL|SP_BADU)) == SP_REFL) {
101                  /*
102                   *  Compute specular reflection coefficient using
103                   *  anisotropic gaussian distribution model.
# Line 98 | Line 107 | double  omega;                 /* light source size */
107                          au2 = av2 = omega/(4.0*PI);
108                  else
109                          au2 = av2 = 0.0;
110 <                au2 += np->u_alpha * np->u_alpha;
111 <                av2 += np->v_alpha * np->v_alpha;
110 >                au2 += np->u_alpha*np->u_alpha;
111 >                av2 += np->v_alpha*np->v_alpha;
112                                                  /* half vector */
113                  h[0] = ldir[0] - np->rp->rdir[0];
114                  h[1] = ldir[1] - np->rp->rdir[1];
115                  h[2] = ldir[2] - np->rp->rdir[2];
107 –                normalize(h);
116                                                  /* ellipse */
117 <                dtmp = DOT(np->u, h);
118 <                dtmp *= dtmp / au2;
117 >                dtmp1 = DOT(np->u, h);
118 >                dtmp1 *= dtmp1 / au2;
119                  dtmp2 = DOT(np->v, h);
120                  dtmp2 *= dtmp2 / av2;
121                                                  /* gaussian */
122 <                dtmp = (dtmp + dtmp2) / (1.0 + DOT(np->pnorm, h));
123 <                dtmp = exp(-2.0*dtmp) / (4.0*PI * sqrt(au2*av2));
122 >                dtmp = DOT(np->pnorm, h);
123 >                dtmp = (dtmp1 + dtmp2) / (dtmp*dtmp);
124 >                dtmp = exp(-dtmp) * (0.25/PI)
125 >                                * sqrt(ldot/(np->pdot*au2*av2));
126                                                  /* worth using? */
127                  if (dtmp > FTINY) {
128                          copycolor(ctmp, np->scolor);
129 <                        dtmp *= omega / np->pdot;
129 >                        dtmp *= omega;
130                          scalecolor(ctmp, dtmp);
131                          addcolor(cval, ctmp);
132                  }
# Line 130 | Line 140 | double  omega;                 /* light source size */
140                  scalecolor(ctmp, dtmp);
141                  addcolor(cval, ctmp);
142          }
143 <        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_PURE|SP_BADU)) == SP_TRAN) {
143 >        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_BADU)) == SP_TRAN) {
144                  /*
145                   *  Compute specular transmission.  Specular transmission
146                   *  is always modified by material color.
147                   */
148                                                  /* roughness + source */
149 +                au2 = av2 = omega / PI;
150 +                au2 += np->u_alpha*np->u_alpha;
151 +                av2 += np->v_alpha*np->v_alpha;
152 +                                                /* "half vector" */
153 +                h[0] = ldir[0] - np->prdir[0];
154 +                h[1] = ldir[1] - np->prdir[1];
155 +                h[2] = ldir[2] - np->prdir[2];
156 +                dtmp = DOT(h,h);
157 +                if (dtmp > FTINY*FTINY) {
158 +                        dtmp1 = DOT(h,np->pnorm);
159 +                        dtmp = 1.0 - dtmp1*dtmp1/dtmp;
160 +                        if (dtmp > FTINY*FTINY) {
161 +                                dtmp1 = DOT(h,np->u);
162 +                                dtmp1 *= dtmp1 / au2;
163 +                                dtmp2 = DOT(h,np->v);
164 +                                dtmp2 *= dtmp2 / av2;
165 +                                dtmp = (dtmp1 + dtmp2) / dtmp;
166 +                        }
167 +                } else
168 +                        dtmp = 0.0;
169                                                  /* gaussian */
170 <                dtmp = 0.0;
170 >                dtmp = exp(-dtmp) * (1.0/PI)
171 >                                * sqrt(-ldot/(np->pdot*au2*av2));
172                                                  /* worth using? */
173                  if (dtmp > FTINY) {
174                          copycolor(ctmp, np->mcolor);
175 <                        dtmp *= np->tspec * omega / np->pdot;
175 >                        dtmp *= np->tspec * omega;
176                          scalecolor(ctmp, dtmp);
177                          addcolor(cval, ctmp);
178                  }
# Line 149 | Line 180 | double  omega;                 /* light source size */
180   }
181  
182  
183 + int
184   m_aniso(m, r)                   /* shade ray that hit something anisotropic */
185   register OBJREC  *m;
186   register RAY  *r;
187   {
188          ANISODAT  nd;
157 –        double  transtest, transdist;
158 –        double  dtmp;
189          COLOR  ctmp;
190          register int  i;
191                                                  /* easy shadow test */
192 <        if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS2)
193 <                return;
192 >        if (r->crtype & SHADOW)
193 >                return(1);
194  
195          if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS2 ? 8 : 6))
196                  objerror(m, USER, "bad number of real arguments");
197 +                                                /* check for back side */
198 +        if (r->rod < 0.0) {
199 +                if (!backvis && m->otype != MAT_TRANS2) {
200 +                        raytrans(r);
201 +                        return(1);
202 +                }
203 +                raytexture(r, m->omod);
204 +                flipsurface(r);                 /* reorient if backvis */
205 +        } else
206 +                raytexture(r, m->omod);
207 +                                                /* get material color */
208          nd.mp = m;
209          nd.rp = r;
169 –                                                /* get material color */
210          setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
211                             m->oargs.farg[1],
212                             m->oargs.farg[2]);
# Line 174 | Line 214 | register RAY  *r;
214          nd.specfl = 0;
215          nd.u_alpha = m->oargs.farg[4];
216          nd.v_alpha = m->oargs.farg[5];
217 <        if (nd.u_alpha <= FTINY || nd.v_alpha <= FTINY)
218 <                nd.specfl |= SP_PURE;
219 <                                                /* reorient if necessary */
180 <        if (r->rod < 0.0)
181 <                flipsurface(r);
182 <                                                /* get modifiers */
183 <        raytexture(r, m->omod);
217 >        if (nd.u_alpha < FTINY || nd.v_alpha <= FTINY)
218 >                objerror(m, USER, "roughness too small");
219 >
220          nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
221          if (nd.pdot < .001)
222                  nd.pdot = .001;                 /* non-zero for diraniso() */
223          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
188 –        transtest = 0;
224                                                  /* get specular component */
225          if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
226                  nd.specfl |= SP_REFL;
# Line 195 | Line 230 | register RAY  *r;
230                  else
231                          setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
232                  scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
233 <                                                /* improved model */
234 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*nd.pdot);
233 >                                                /* check threshold */
234 >                if (specthresh >= nd.rspec-FTINY)
235 >                        nd.specfl |= SP_RBLT;
236 >                                                /* compute refl. direction */
237                  for (i = 0; i < 3; i++)
238 <                        colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
239 <                nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
240 <
241 <                if (!(r->crtype & SHADOW) && nd.specfl & SP_PURE) {
205 <                        RAY  lr;
206 <                        if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
207 <                                for (i = 0; i < 3; i++)
208 <                                        lr.rdir[i] = r->rdir[i] +
209 <                                                2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
210 <                                rayvalue(&lr);
211 <                                multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
212 <                                addcolor(r->rcol, lr.rcol);
213 <                        }
214 <                }
238 >                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
239 >                if (DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)     /* penetration? */
240 >                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
241 >                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
242          }
243                                                  /* compute transmission */
244 <        if (m->otype == MAT_TRANS) {
244 >        if (m->otype == MAT_TRANS2) {
245                  nd.trans = m->oargs.farg[6]*(1.0 - nd.rspec);
246                  nd.tspec = nd.trans * m->oargs.farg[7];
247                  nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
248                  if (nd.tspec > FTINY) {
249                          nd.specfl |= SP_TRAN;
250 <                        if (r->crtype & SHADOW ||
251 <                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
250 >                                                        /* check threshold */
251 >                        if (specthresh >= nd.tspec-FTINY)
252 >                                nd.specfl |= SP_TBLT;
253 >                        if (DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
254                                  VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
226 –                                transtest = 2;
255                          } else {
256                                  for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
257 <                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] -
258 <                                                        .75*r->pert[i];
259 <                                normalize(nd.prdir);
257 >                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
258 >                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
259 >                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
260 >                                else
261 >                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
262                          }
263                  }
264          } else
265                  nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
236 –                                                /* transmitted ray */
237 –        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
238 –                RAY  lr;
239 –                if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
240 –                        VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
241 –                        rayvalue(&lr);
242 –                        scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
243 –                        multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
244 –                        addcolor(r->rcol, lr.rcol);
245 –                        transtest *= bright(lr.rcol);
246 –                        transdist = r->rot + lr.rt;
247 –                }
248 –        }
266  
250 –        if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
251 –                return;
267                                                  /* diffuse reflection */
268          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
269  
270 <        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
271 <                return;                         /* 100% pure specular */
270 >        if (r->ro != NULL && isflat(r->ro->otype))
271 >                nd.specfl |= SP_FLAT;
272  
273          getacoords(r, &nd);                     /* set up coordinates */
274  
275 <        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & (SP_PURE|SP_BADU)))
275 >        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_BADU))
276                  agaussamp(r, &nd);
277  
278          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
279 <                ambient(ctmp, r);
280 <                scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
279 >                ambient(ctmp, r, nd.pnorm);
280 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
281 >                        scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
282 >                else
283 >                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
284                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
285                  addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
286          }
287          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
288 +                FVECT  bnorm;
289 +
290                  flipsurface(r);
291 <                ambient(ctmp, r);
292 <                scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
291 >                bnorm[0] = -nd.pnorm[0];
292 >                bnorm[1] = -nd.pnorm[1];
293 >                bnorm[2] = -nd.pnorm[2];
294 >                ambient(ctmp, r, bnorm);
295 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
296 >                        scalecolor(ctmp, nd.trans);
297 >                else
298 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
299                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
300                  addcolor(r->rcol, ctmp);
301                  flipsurface(r);
302          }
303                                          /* add direct component */
304          direct(r, diraniso, &nd);
305 <                                        /* check distance */
306 <        if (transtest > bright(r->rcol))
281 <                r->rt = transdist;
305 >
306 >        return(1);
307   }
308  
309  
310 < static
310 > static void
311   getacoords(r, np)               /* set up coordinate system */
312   RAY  *r;
313   register ANISODAT  *np;
# Line 295 | Line 320 | register ANISODAT  *np;
320          errno = 0;
321          for (i = 0; i < 3; i++)
322                  np->u[i] = evalue(mf->ep[i]);
323 <        if (errno) {
323 >        if (errno == EDOM || errno == ERANGE) {
324                  objerror(np->mp, WARNING, "compute error");
325                  np->specfl |= SP_BADU;
326                  return;
327          }
328 <        multv3(np->u, np->u, mf->f->xfm);
328 >        if (mf->f != &unitxf)
329 >                multv3(np->u, np->u, mf->f->xfm);
330          fcross(np->v, np->pnorm, np->u);
331          if (normalize(np->v) == 0.0) {
332                  objerror(np->mp, WARNING, "illegal orientation vector");
# Line 311 | Line 337 | register ANISODAT  *np;
337   }
338  
339  
340 < static
340 > static void
341   agaussamp(r, np)                /* sample anisotropic gaussian specular */
342   RAY  *r;
343   register ANISODAT  *np;
# Line 320 | Line 346 | register ANISODAT  *np;
346          FVECT  h;
347          double  rv[2];
348          double  d, sinp, cosp;
349 <        int  confuse;
349 >        int  niter;
350          register int  i;
351                                          /* compute reflection */
352 <        if (np->specfl & SP_REFL &&
352 >        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
353                          rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
328 –                confuse = 0;
354                  dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
355 <        refagain:
356 <                dimlist[ndims] = confuse += 3601;
357 <                d = urand(ilhash(dimlist,ndims+1)+samplendx);
358 <                multisamp(rv, 2, d);
359 <                d = 2.0*PI * rv[0];
360 <                cosp = np->u_alpha * cos(d);
361 <                sinp = np->v_alpha * sin(d);
362 <                d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
363 <                cosp /= d;
364 <                sinp /= d;
365 <                if (rv[1] <= FTINY)
366 <                        d = 1.0;
367 <                else
368 <                        d = sqrt( -log(rv[1]) /
369 <                                (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
370 <                                 sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)) );
371 <                for (i = 0; i < 3; i++)
372 <                        h[i] = np->pnorm[i] +
355 >                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
356 >                        if (niter)
357 >                                d = frandom();
358 >                        else
359 >                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
360 >                        multisamp(rv, 2, d);
361 >                        d = 2.0*PI * rv[0];
362 >                        cosp = tcos(d) * np->u_alpha;
363 >                        sinp = tsin(d) * np->v_alpha;
364 >                        d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
365 >                        cosp /= d;
366 >                        sinp /= d;
367 >                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
368 >                        if (rv[1] <= FTINY)
369 >                                d = 1.0;
370 >                        else
371 >                                d = sqrt(-log(rv[1]) /
372 >                                        (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
373 >                                         sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)));
374 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
375 >                                h[i] = np->pnorm[i] +
376                                          d*(cosp*np->u[i] + sinp*np->v[i]);
377 <                d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
378 <                for (i = 0; i < 3; i++)
379 <                        sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
380 <                if (DOT(sr.rdir, r->ron) <= FTINY)      /* oops! */
381 <                        goto refagain;
382 <                rayvalue(&sr);
383 <                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
384 <                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
377 >                        d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
378 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
379 >                                sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
380 >                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) > FTINY) {
381 >                                rayvalue(&sr);
382 >                                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
383 >                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
384 >                                break;
385 >                        }
386 >                }
387                  ndims--;
388          }
389                                          /* compute transmission */
390 +        if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
391 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
392 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
393 +                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
394 +                        if (niter)
395 +                                d = frandom();
396 +                        else
397 +                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
398 +                        multisamp(rv, 2, d);
399 +                        d = 2.0*PI * rv[0];
400 +                        cosp = tcos(d) * np->u_alpha;
401 +                        sinp = tsin(d) * np->v_alpha;
402 +                        d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
403 +                        cosp /= d;
404 +                        sinp /= d;
405 +                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
406 +                        if (rv[1] <= FTINY)
407 +                                d = 1.0;
408 +                        else
409 +                                d = sqrt(-log(rv[1]) /
410 +                                        (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
411 +                                         sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)));
412 +                        for (i = 0; i < 3; i++)
413 +                                sr.rdir[i] = np->prdir[i] +
414 +                                                d*(cosp*np->u[i] + sinp*np->v[i]);
415 +                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY) {
416 +                                normalize(sr.rdir);     /* OK, normalize */
417 +                                rayvalue(&sr);
418 +                                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
419 +                                multcolor(sr.rcol, np->mcolor); /* modify */
420 +                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
421 +                                break;
422 +                        }
423 +                }
424 +                ndims--;
425 +        }
426   }

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