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

Comparing ray/src/rt/aniso.c (file contents):
Revision 2.1 by greg, Sat Jan 4 19:52:49 1992 UTC vs.
Revision 2.38 by greg, Wed Mar 12 04:59:05 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 */
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 {
43 –        RAY  *rp;               /* ray pointer */
46          OBJREC  *mp;            /* material pointer */
47 +        RAY  *rp;               /* ray pointer */
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 56 | 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 64 | 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 87 | 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.
102                   */
103 <                                                /* roughness + source */
104 <                au2 = av2 = omega/(4.0*PI);
105 <                au2 += np->u_alpha * np->u_alpha;
106 <                av2 += np->v_alpha * np->v_alpha;
103 >                                                /* add source width if flat */
104 >                if (np->specfl & SP_FLAT)
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;
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];
103 –                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 126 | 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 145 | 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;
153 –        double  transtest, transdist;
154 –        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");
195 <        nd.rp = r;
196 <        nd.mp = m;
195 >                                                /* check for back side */
196 >        if (r->rod < 0.0) {
197 >                if (!backvis && m->otype != MAT_TRANS2) {
198 >                        raytrans(r);
199 >                        return(1);
200 >                }
201 >                raytexture(r, m->omod);
202 >                flipsurface(r);                 /* reorient if backvis */
203 >        } else
204 >                raytexture(r, m->omod);
205                                                  /* get material color */
206 +        nd.mp = m;
207 +        nd.rp = r;
208          setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
209                             m->oargs.farg[1],
210                             m->oargs.farg[2]);
# Line 170 | Line 212 | register RAY  *r;
212          nd.specfl = 0;
213          nd.u_alpha = m->oargs.farg[4];
214          nd.v_alpha = m->oargs.farg[5];
215 <        if (nd.u_alpha <= FTINY || nd.v_alpha <= FTINY)
216 <                nd.specfl |= SP_PURE;
217 <                                                /* reorient if necessary */
176 <        if (r->rod < 0.0)
177 <                flipsurface(r);
178 <                                                /* get modifiers */
179 <        raytexture(r, m->omod);
215 >        if (nd.u_alpha < FTINY || nd.v_alpha <= FTINY)
216 >                objerror(m, USER, "roughness too small");
217 >
218          nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
219          if (nd.pdot < .001)
220                  nd.pdot = .001;                 /* non-zero for diraniso() */
221          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
184 –        transtest = 0;
222                                                  /* get specular component */
223          if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
224                  nd.specfl |= SP_REFL;
# Line 191 | Line 228 | register RAY  *r;
228                  else
229                          setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
230                  scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
231 <                                                /* improved model */
232 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*nd.pdot);
231 >                                                /* check threshold */
232 >                if (specthresh >= nd.rspec-FTINY)
233 >                        nd.specfl |= SP_RBLT;
234 >                                                /* compute refl. direction */
235                  for (i = 0; i < 3; i++)
236 <                        colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
237 <                nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
238 <
239 <                if (!(r->crtype & SHADOW) && nd.specfl & SP_PURE) {
201 <                        RAY  lr;
202 <                        if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
203 <                                for (i = 0; i < 3; i++)
204 <                                        lr.rdir[i] = r->rdir[i] +
205 <                                                2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
206 <                                rayvalue(&lr);
207 <                                multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
208 <                                addcolor(r->rcol, lr.rcol);
209 <                        }
210 <                }
236 >                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
237 >                if (DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)     /* penetration? */
238 >                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
239 >                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
240          }
241                                                  /* compute transmission */
242 <        if (m->otype == MAT_TRANS) {
242 >        if (m->otype == MAT_TRANS2) {
243                  nd.trans = m->oargs.farg[6]*(1.0 - nd.rspec);
244                  nd.tspec = nd.trans * m->oargs.farg[7];
245                  nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
246                  if (nd.tspec > FTINY) {
247                          nd.specfl |= SP_TRAN;
248 <                        if (r->crtype & SHADOW ||
249 <                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
248 >                                                        /* check threshold */
249 >                        if (specthresh >= nd.tspec-FTINY)
250 >                                nd.specfl |= SP_TBLT;
251 >                        if (DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
252                                  VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
222 –                                transtest = 2;
253                          } else {
254                                  for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
255 <                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] -
256 <                                                        .75*r->pert[i];
257 <                                normalize(nd.prdir);
255 >                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
256 >                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
257 >                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
258 >                                else
259 >                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
260                          }
261                  }
262          } else
263                  nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
232 –                                                /* transmitted ray */
233 –        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
234 –                RAY  lr;
235 –                if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
236 –                        VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
237 –                        rayvalue(&lr);
238 –                        scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
239 –                        multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
240 –                        addcolor(r->rcol, lr.rcol);
241 –                        transtest *= bright(lr.rcol);
242 –                        transdist = r->rot + lr.rt;
243 –                }
244 –        }
264  
246 –        if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
247 –                return;
265                                                  /* diffuse reflection */
266          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
267  
268 <        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
269 <                return;                         /* 100% pure specular */
268 >        if (r->ro != NULL && isflat(r->ro->otype) &&
269 >                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY)
270 >                nd.specfl |= SP_FLAT;
271  
272          getacoords(r, &nd);                     /* set up coordinates */
273  
274 <        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & (SP_PURE|SP_BADU)))
274 >        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_BADU))
275                  agaussamp(r, &nd);
276  
277          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
278 <                ambient(ctmp, r);
279 <                scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
278 >                ambient(ctmp, r, nd.pnorm);
279 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
280 >                        scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
281 >                else
282 >                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
283                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
284                  addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
285          }
286          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
287 +                FVECT  bnorm;
288 +
289                  flipsurface(r);
290 <                ambient(ctmp, r);
291 <                scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
290 >                bnorm[0] = -nd.pnorm[0];
291 >                bnorm[1] = -nd.pnorm[1];
292 >                bnorm[2] = -nd.pnorm[2];
293 >                ambient(ctmp, r, bnorm);
294 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
295 >                        scalecolor(ctmp, nd.trans);
296 >                else
297 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
298                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
299                  addcolor(r->rcol, ctmp);
300                  flipsurface(r);
301          }
302                                          /* add direct component */
303          direct(r, diraniso, &nd);
304 <                                        /* check distance */
305 <        if (transtest > bright(r->rcol))
277 <                r->rt = transdist;
304 >
305 >        return(1);
306   }
307  
308  
309 < static
309 > static void
310   getacoords(r, np)               /* set up coordinate system */
311   RAY  *r;
312   register ANISODAT  *np;
# Line 291 | Line 319 | register ANISODAT  *np;
319          errno = 0;
320          for (i = 0; i < 3; i++)
321                  np->u[i] = evalue(mf->ep[i]);
322 <        if (errno) {
322 >        if (errno == EDOM || errno == ERANGE) {
323                  objerror(np->mp, WARNING, "compute error");
324                  np->specfl |= SP_BADU;
325                  return;
326          }
327 <        multv3(np->u, np->u, mf->f->xfm);
327 >        if (mf->f != &unitxf)
328 >                multv3(np->u, np->u, mf->f->xfm);
329          fcross(np->v, np->pnorm, np->u);
330          if (normalize(np->v) == 0.0) {
331                  objerror(np->mp, WARNING, "illegal orientation vector");
# Line 307 | Line 336 | register ANISODAT  *np;
336   }
337  
338  
339 < static
339 > static void
340   agaussamp(r, np)                /* sample anisotropic gaussian specular */
341   RAY  *r;
342   register ANISODAT  *np;
# Line 316 | Line 345 | register ANISODAT  *np;
345          FVECT  h;
346          double  rv[2];
347          double  d, sinp, cosp;
348 <        int  confuse;
348 >        int  niter;
349          register int  i;
350                                          /* compute reflection */
351 <        if (np->specfl & SP_REFL &&
351 >        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
352                          rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
324 –                confuse = 0;
353                  dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
354 <        refagain:
355 <                dimlist[ndims] = confuse += 3601;
356 <                d = urand(ilhash(dimlist,ndims+1)+samplendx);
357 <                multisamp(rv, 2, d);
358 <                d = 2.0*PI * rv[0];
359 <                cosp = np->u_alpha * cos(d);
360 <                sinp = np->v_alpha * sin(d);
361 <                d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
362 <                cosp /= d;
363 <                sinp /= d;
364 <                if (rv[1] <= FTINY)
365 <                        d = 1.0;
366 <                else
367 <                        d = sqrt( -log(rv[1]) /
368 <                                (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
369 <                                 sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)) );
370 <                for (i = 0; i < 3; i++)
371 <                        h[i] = np->pnorm[i] +
354 >                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
355 >                        if (niter)
356 >                                d = frandom();
357 >                        else
358 >                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
359 >                        multisamp(rv, 2, d);
360 >                        d = 2.0*PI * rv[0];
361 >                        cosp = tcos(d) * np->u_alpha;
362 >                        sinp = tsin(d) * np->v_alpha;
363 >                        d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
364 >                        cosp /= d;
365 >                        sinp /= d;
366 >                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
367 >                        if (rv[1] <= FTINY)
368 >                                d = 1.0;
369 >                        else
370 >                                d = sqrt(-log(rv[1]) /
371 >                                        (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
372 >                                         sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)));
373 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
374 >                                h[i] = np->pnorm[i] +
375                                          d*(cosp*np->u[i] + sinp*np->v[i]);
376 <                d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
377 <                for (i = 0; i < 3; i++)
378 <                        sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
379 <                if (DOT(sr.rdir, r->ron) <= FTINY)      /* oops! */
380 <                        goto refagain;
381 <                rayvalue(&sr);
382 <                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
383 <                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
376 >                        d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
377 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
378 >                                sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
379 >                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) > FTINY) {
380 >                                rayvalue(&sr);
381 >                                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
382 >                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
383 >                                break;
384 >                        }
385 >                }
386                  ndims--;
387          }
388                                          /* compute transmission */
389 +        if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
390 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
391 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
392 +                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
393 +                        if (niter)
394 +                                d = frandom();
395 +                        else
396 +                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
397 +                        multisamp(rv, 2, d);
398 +                        d = 2.0*PI * rv[0];
399 +                        cosp = tcos(d) * np->u_alpha;
400 +                        sinp = tsin(d) * np->v_alpha;
401 +                        d = sqrt(cosp*cosp + sinp*sinp);
402 +                        cosp /= d;
403 +                        sinp /= d;
404 +                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
405 +                        if (rv[1] <= FTINY)
406 +                                d = 1.0;
407 +                        else
408 +                                d = sqrt(-log(rv[1]) /
409 +                                        (cosp*cosp/(np->u_alpha*np->u_alpha) +
410 +                                         sinp*sinp/(np->v_alpha*np->v_alpha)));
411 +                        for (i = 0; i < 3; i++)
412 +                                sr.rdir[i] = np->prdir[i] +
413 +                                                d*(cosp*np->u[i] + sinp*np->v[i]);
414 +                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY) {
415 +                                normalize(sr.rdir);     /* OK, normalize */
416 +                                rayvalue(&sr);
417 +                                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
418 +                                multcolor(sr.rcol, np->mcolor); /* modify */
419 +                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
420 +                                break;
421 +                        }
422 +                }
423 +                ndims--;
424 +        }
425   }

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