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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 2.35 by greg, Tue Feb 25 02:47:22 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  "otypes.h"
# Line 16 | Line 15 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
15  
16   #include  "random.h"
17  
18 + #ifndef  MAXITER
19 + #define  MAXITER        10              /* maximum # specular ray attempts */
20 + #endif
21 +
22   /*
23 < *      This anisotropic reflection model uses a variant on the
24 < *  exponential Gaussian used in normal.c.
23 > *      This routine implements the anisotropic Gaussian
24 > *  model described by Ward in Siggraph `92 article.
25   *      We orient the surface towards the incoming ray, so a single
26   *  surface can be used to represent an infinitely thin object.
27   *
# Line 31 | Line 34 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
34   *  8  red      grn     blu     rspec   u-rough v-rough trans   tspec
35   */
36  
34 #define  BSPEC(m)       (6.0)           /* specularity parameter b */
35
37                                  /* specularity flags */
38   #define  SP_REFL        01              /* has reflected specular component */
39   #define  SP_TRAN        02              /* has transmitted specular */
40 < #define  SP_PURE        010             /* purely specular (zero roughness) */
41 < #define  SP_BADU        020             /* bad u direction calculation */
42 < #define  SP_FLAT        040             /* reflecting surface is flat */
40 > #define  SP_FLAT        04              /* reflecting surface is flat */
41 > #define  SP_RBLT        010             /* reflection below sample threshold */
42 > #define  SP_TBLT        020             /* transmission below threshold */
43 > #define  SP_BADU        040             /* bad u direction calculation */
44  
45   typedef struct {
46          OBJREC  *mp;            /* material pointer */
# Line 46 | Line 48 | typedef struct {
48          short  specfl;          /* specularity flags, defined above */
49          COLOR  mcolor;          /* color of this material */
50          COLOR  scolor;          /* color of specular component */
51 +        FVECT  vrefl;           /* vector in reflected direction */
52          FVECT  prdir;           /* vector in transmitted direction */
53          FVECT  u, v;            /* u and v vectors orienting anisotropy */
54          double  u_alpha;        /* u roughness */
# Line 57 | Line 60 | typedef struct {
60          double  pdot;           /* perturbed dot product */
61   }  ANISODAT;            /* anisotropic material data */
62  
63 + static void     getacoords();
64 + static void     agaussamp();
65  
66 +
67 + static void
68   diraniso(cval, np, ldir, omega)         /* compute source contribution */
69   COLOR  cval;                    /* returned coefficient */
70   register ANISODAT  *np;         /* material data */
# Line 65 | Line 72 | FVECT  ldir;                   /* light source direction */
72   double  omega;                  /* light source size */
73   {
74          double  ldot;
75 <        double  dtmp, dtmp2;
75 >        double  dtmp, dtmp1, dtmp2;
76          FVECT  h;
77          double  au2, av2;
78          COLOR  ctmp;
# Line 88 | Line 95 | double  omega;                 /* light source size */
95                  scalecolor(ctmp, dtmp);
96                  addcolor(cval, ctmp);
97          }
98 <        if (ldot > FTINY && (np->specfl&(SP_REFL|SP_PURE|SP_BADU)) == SP_REFL) {
98 >        if (ldot > FTINY && (np->specfl&(SP_REFL|SP_BADU)) == SP_REFL) {
99                  /*
100                   *  Compute specular reflection coefficient using
101                   *  anisotropic gaussian distribution model.
# Line 98 | Line 105 | double  omega;                 /* light source size */
105                          au2 = av2 = omega/(4.0*PI);
106                  else
107                          au2 = av2 = 0.0;
108 <                au2 += np->u_alpha * np->u_alpha;
109 <                av2 += np->v_alpha * np->v_alpha;
108 >                au2 += np->u_alpha*np->u_alpha;
109 >                av2 += np->v_alpha*np->v_alpha;
110                                                  /* half vector */
111                  h[0] = ldir[0] - np->rp->rdir[0];
112                  h[1] = ldir[1] - np->rp->rdir[1];
113                  h[2] = ldir[2] - np->rp->rdir[2];
107                normalize(h);
114                                                  /* ellipse */
115 <                dtmp = DOT(np->u, h);
116 <                dtmp *= dtmp / au2;
115 >                dtmp1 = DOT(np->u, h);
116 >                dtmp1 *= dtmp1 / au2;
117                  dtmp2 = DOT(np->v, h);
118                  dtmp2 *= dtmp2 / av2;
119                                                  /* gaussian */
120 <                dtmp = (dtmp + dtmp2) / (1.0 + DOT(np->pnorm, h));
121 <                dtmp = exp(-2.0*dtmp) / (4.0*PI * sqrt(au2*av2));
120 >                dtmp = DOT(np->pnorm, h);
121 >                dtmp = (dtmp1 + dtmp2) / (dtmp*dtmp);
122 >                dtmp = exp(-dtmp) * (0.25/PI)
123 >                                * sqrt(ldot/(np->pdot*au2*av2));
124                                                  /* worth using? */
125                  if (dtmp > FTINY) {
126                          copycolor(ctmp, np->scolor);
127 <                        dtmp *= omega / np->pdot;
127 >                        dtmp *= omega;
128                          scalecolor(ctmp, dtmp);
129                          addcolor(cval, ctmp);
130                  }
# Line 130 | Line 138 | double  omega;                 /* light source size */
138                  scalecolor(ctmp, dtmp);
139                  addcolor(cval, ctmp);
140          }
141 <        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_PURE|SP_BADU)) == SP_TRAN) {
141 >        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_BADU)) == SP_TRAN) {
142                  /*
143                   *  Compute specular transmission.  Specular transmission
144                   *  is always modified by material color.
145                   */
146                                                  /* roughness + source */
147 +                au2 = av2 = omega / PI;
148 +                au2 += np->u_alpha*np->u_alpha;
149 +                av2 += np->v_alpha*np->v_alpha;
150 +                                                /* "half vector" */
151 +                h[0] = ldir[0] - np->prdir[0];
152 +                h[1] = ldir[1] - np->prdir[1];
153 +                h[2] = ldir[2] - np->prdir[2];
154 +                dtmp = DOT(h,h);
155 +                if (dtmp > FTINY*FTINY) {
156 +                        dtmp1 = DOT(h,np->pnorm);
157 +                        dtmp = 1.0 - dtmp1*dtmp1/dtmp;
158 +                        if (dtmp > FTINY*FTINY) {
159 +                                dtmp1 = DOT(h,np->u);
160 +                                dtmp1 *= dtmp1 / au2;
161 +                                dtmp2 = DOT(h,np->v);
162 +                                dtmp2 *= dtmp2 / av2;
163 +                                dtmp = (dtmp1 + dtmp2) / dtmp;
164 +                        }
165 +                } else
166 +                        dtmp = 0.0;
167                                                  /* gaussian */
168 <                dtmp = 0.0;
168 >                dtmp = exp(-dtmp) * (1.0/PI)
169 >                                * sqrt(-ldot/(np->pdot*au2*av2));
170                                                  /* worth using? */
171                  if (dtmp > FTINY) {
172                          copycolor(ctmp, np->mcolor);
173 <                        dtmp *= np->tspec * omega / np->pdot;
173 >                        dtmp *= np->tspec * omega;
174                          scalecolor(ctmp, dtmp);
175                          addcolor(cval, ctmp);
176                  }
# Line 149 | Line 178 | double  omega;                 /* light source size */
178   }
179  
180  
181 + int
182   m_aniso(m, r)                   /* shade ray that hit something anisotropic */
183   register OBJREC  *m;
184   register RAY  *r;
185   {
186          ANISODAT  nd;
157        double  transtest, transdist;
158        double  dtmp;
187          COLOR  ctmp;
188          register int  i;
189                                                  /* easy shadow test */
190 <        if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS2)
191 <                return;
190 >        if (r->crtype & SHADOW)
191 >                return(1);
192  
193          if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS2 ? 8 : 6))
194                  objerror(m, USER, "bad number of real arguments");
# Line 174 | Line 202 | register RAY  *r;
202          nd.specfl = 0;
203          nd.u_alpha = m->oargs.farg[4];
204          nd.v_alpha = m->oargs.farg[5];
205 <        if (nd.u_alpha <= FTINY || nd.v_alpha <= FTINY)
206 <                nd.specfl |= SP_PURE;
207 <                                                /* reorient if necessary */
208 <        if (r->rod < 0.0)
209 <                flipsurface(r);
205 >        if (nd.u_alpha < FTINY || nd.v_alpha <= FTINY)
206 >                objerror(m, USER, "roughness too small");
207 >                                                /* check for back side */
208 >        if (r->rod < 0.0) {
209 >                if (!backvis && m->otype != MAT_TRANS2) {
210 >                        raytrans(r);
211 >                        return(1);
212 >                }
213 >                flipsurface(r);                 /* reorient if backvis */
214 >        }
215                                                  /* get modifiers */
216          raytexture(r, m->omod);
217          nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
218          if (nd.pdot < .001)
219                  nd.pdot = .001;                 /* non-zero for diraniso() */
220          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
188        transtest = 0;
221                                                  /* get specular component */
222          if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
223                  nd.specfl |= SP_REFL;
# Line 195 | Line 227 | register RAY  *r;
227                  else
228                          setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
229                  scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
230 <                                                /* improved model */
231 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*nd.pdot);
230 >                                                /* check threshold */
231 >                if (specthresh >= nd.rspec-FTINY)
232 >                        nd.specfl |= SP_RBLT;
233 >                                                /* compute refl. direction */
234                  for (i = 0; i < 3; i++)
235 <                        colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
236 <                nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
237 <
238 <                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 <                }
235 >                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
236 >                if (DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)     /* penetration? */
237 >                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
238 >                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
239          }
240                                                  /* compute transmission */
241 <        if (m->otype == MAT_TRANS) {
241 >        if (m->otype == MAT_TRANS2) {
242                  nd.trans = m->oargs.farg[6]*(1.0 - nd.rspec);
243                  nd.tspec = nd.trans * m->oargs.farg[7];
244                  nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
245                  if (nd.tspec > FTINY) {
246                          nd.specfl |= SP_TRAN;
247 <                        if (r->crtype & SHADOW ||
248 <                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
247 >                                                        /* check threshold */
248 >                        if (specthresh >= nd.tspec-FTINY)
249 >                                nd.specfl |= SP_TBLT;
250 >                        if (DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
251                                  VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
226                                transtest = 2;
252                          } else {
253                                  for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
254 <                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] -
255 <                                                        .75*r->pert[i];
256 <                                normalize(nd.prdir);
254 >                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
255 >                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
256 >                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
257 >                                else
258 >                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
259                          }
260                  }
261          } else
262                  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        }
263  
250        if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
251                return;
264                                                  /* diffuse reflection */
265          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
266  
267 <        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
268 <                return;                         /* 100% pure specular */
267 >        if (r->ro != NULL && isflat(r->ro->otype))
268 >                nd.specfl |= SP_FLAT;
269  
270          getacoords(r, &nd);                     /* set up coordinates */
271  
272 <        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & (SP_PURE|SP_BADU)))
272 >        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_BADU))
273                  agaussamp(r, &nd);
274  
275          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
276 <                ambient(ctmp, r);
277 <                scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
276 >                ambient(ctmp, r, nd.pnorm);
277 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
278 >                        scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
279 >                else
280 >                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
281                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
282                  addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
283          }
284          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
285 +                FVECT  bnorm;
286 +
287                  flipsurface(r);
288 <                ambient(ctmp, r);
289 <                scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
288 >                bnorm[0] = -nd.pnorm[0];
289 >                bnorm[1] = -nd.pnorm[1];
290 >                bnorm[2] = -nd.pnorm[2];
291 >                ambient(ctmp, r, bnorm);
292 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
293 >                        scalecolor(ctmp, nd.trans);
294 >                else
295 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
296                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
297                  addcolor(r->rcol, ctmp);
298                  flipsurface(r);
299          }
300                                          /* add direct component */
301          direct(r, diraniso, &nd);
302 <                                        /* check distance */
303 <        if (transtest > bright(r->rcol))
281 <                r->rt = transdist;
302 >
303 >        return(1);
304   }
305  
306  
307 < static
307 > static void
308   getacoords(r, np)               /* set up coordinate system */
309   RAY  *r;
310   register ANISODAT  *np;
# Line 300 | Line 322 | register ANISODAT  *np;
322                  np->specfl |= SP_BADU;
323                  return;
324          }
325 <        multv3(np->u, np->u, mf->f->xfm);
325 >        if (mf->f != &unitxf)
326 >                multv3(np->u, np->u, mf->f->xfm);
327          fcross(np->v, np->pnorm, np->u);
328          if (normalize(np->v) == 0.0) {
329                  objerror(np->mp, WARNING, "illegal orientation vector");
# Line 311 | Line 334 | register ANISODAT  *np;
334   }
335  
336  
337 < static
337 > static void
338   agaussamp(r, np)                /* sample anisotropic gaussian specular */
339   RAY  *r;
340   register ANISODAT  *np;
# Line 320 | Line 343 | register ANISODAT  *np;
343          FVECT  h;
344          double  rv[2];
345          double  d, sinp, cosp;
346 <        int  confuse;
346 >        int  niter;
347          register int  i;
348                                          /* compute reflection */
349 <        if (np->specfl & SP_REFL &&
349 >        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
350                          rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
328                confuse = 0;
351                  dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
352 <        refagain:
353 <                dimlist[ndims] = confuse += 3601;
354 <                d = urand(ilhash(dimlist,ndims+1)+samplendx);
355 <                multisamp(rv, 2, d);
356 <                d = 2.0*PI * rv[0];
357 <                cosp = np->u_alpha * cos(d);
358 <                sinp = np->v_alpha * sin(d);
359 <                d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
360 <                cosp /= d;
361 <                sinp /= d;
362 <                if (rv[1] <= FTINY)
363 <                        d = 1.0;
364 <                else
365 <                        d = sqrt( -log(rv[1]) /
366 <                                (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
367 <                                 sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)) );
368 <                for (i = 0; i < 3; i++)
369 <                        h[i] = np->pnorm[i] +
352 >                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
353 >                        if (niter)
354 >                                d = frandom();
355 >                        else
356 >                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
357 >                        multisamp(rv, 2, d);
358 >                        d = 2.0*PI * rv[0];
359 >                        cosp = tcos(d) * np->u_alpha;
360 >                        sinp = tsin(d) * np->v_alpha;
361 >                        d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
362 >                        cosp /= d;
363 >                        sinp /= d;
364 >                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
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] +
373                                          d*(cosp*np->u[i] + sinp*np->v[i]);
374 <                d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
375 <                for (i = 0; i < 3; i++)
376 <                        sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
377 <                if (DOT(sr.rdir, r->ron) <= FTINY)      /* oops! */
378 <                        goto refagain;
379 <                rayvalue(&sr);
380 <                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
381 <                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
374 >                        d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
375 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
376 >                                sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
377 >                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) > FTINY) {
378 >                                rayvalue(&sr);
379 >                                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
380 >                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
381 >                                break;
382 >                        }
383 >                }
384                  ndims--;
385          }
386                                          /* compute transmission */
387 +        if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
388 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
389 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
390 +                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
391 +                        if (niter)
392 +                                d = frandom();
393 +                        else
394 +                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
395 +                        multisamp(rv, 2, d);
396 +                        d = 2.0*PI * rv[0];
397 +                        cosp = tcos(d) * np->u_alpha;
398 +                        sinp = tsin(d) * np->v_alpha;
399 +                        d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
400 +                        cosp /= d;
401 +                        sinp /= d;
402 +                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
403 +                        if (rv[1] <= FTINY)
404 +                                d = 1.0;
405 +                        else
406 +                                d = sqrt(-log(rv[1]) /
407 +                                        (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
408 +                                         sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)));
409 +                        for (i = 0; i < 3; i++)
410 +                                sr.rdir[i] = np->prdir[i] +
411 +                                                d*(cosp*np->u[i] + sinp*np->v[i]);
412 +                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY) {
413 +                                normalize(sr.rdir);     /* OK, normalize */
414 +                                rayvalue(&sr);
415 +                                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
416 +                                multcolor(sr.rcol, np->mcolor); /* modify */
417 +                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
418 +                                break;
419 +                        }
420 +                }
421 +                ndims--;
422 +        }
423   }

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