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

Comparing ray/src/rt/normal.c (file contents):
Revision 2.3 by greg, Sat Jan 4 23:36:42 1992 UTC vs.
Revision 2.42 by greg, Wed Mar 12 17:26:58 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   *  normal.c - shading function for normal materials.
6   *
# Line 14 | Line 11 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
11   *     Later changes described in delta comments.
12   */
13  
14 + #include "copyright.h"
15 +
16   #include  "ray.h"
17  
18   #include  "otypes.h"
19  
20   #include  "random.h"
21  
22 + #ifndef  MAXITER
23 + #define  MAXITER        10              /* maximum # specular ray attempts */
24 + #endif
25 +                                        /* estimate of Fresnel function */
26 + #define  FRESNE(ci)     (exp(-6.0*(ci)) - 0.00247875217)
27 +
28 + static void  gaussamp();
29 +
30   /*
31 < *      This routine uses portions of the reflection
32 < *  model described by Cook and Torrance.
26 < *      The computation of specular components has been simplified by
27 < *  numerous approximations and ommisions to improve speed.
31 > *      This routine implements the isotropic Gaussian
32 > *  model described by Ward in Siggraph `92 article.
33   *      We orient the surface towards the incoming ray, so a single
34   *  surface can be used to represent an infinitely thin object.
35   *
# Line 35 | Line 40 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
40   *      red     grn     blu     rspec   rough   trans   tspec
41   */
42  
38 – #define  BSPEC(m)       (6.0)           /* specularity parameter b */
39 –
43                                  /* specularity flags */
44   #define  SP_REFL        01              /* has reflected specular component */
45   #define  SP_TRAN        02              /* has transmitted specular */
46 < #define  SP_PURE        010             /* purely specular (zero roughness) */
47 < #define  SP_FLAT        020             /* flat reflecting surface */
46 > #define  SP_PURE        04              /* purely specular (zero roughness) */
47 > #define  SP_FLAT        010             /* flat reflecting surface */
48 > #define  SP_RBLT        020             /* reflection below sample threshold */
49 > #define  SP_TBLT        040             /* transmission below threshold */
50  
51   typedef struct {
52          OBJREC  *mp;            /* material pointer */
53 +        RAY  *rp;               /* ray pointer */
54          short  specfl;          /* specularity flags, defined above */
55          COLOR  mcolor;          /* color of this material */
56          COLOR  scolor;          /* color of specular component */
# Line 59 | Line 65 | typedef struct {
65   }  NORMDAT;             /* normal material data */
66  
67  
68 + static void
69   dirnorm(cval, np, ldir, omega)          /* compute source contribution */
70   COLOR  cval;                    /* returned coefficient */
71   register NORMDAT  *np;          /* material data */
# Line 66 | Line 73 | FVECT  ldir;                   /* light source direction */
73   double  omega;                  /* light source size */
74   {
75          double  ldot;
76 <        double  dtmp;
77 <        int     i;
76 >        double  ldiff;
77 >        double  dtmp, d2;
78 >        FVECT  vtmp;
79          COLOR  ctmp;
80  
81          setcolor(cval, 0.0, 0.0, 0.0);
# Line 77 | Line 85 | double  omega;                 /* light source size */
85          if (ldot < 0.0 ? np->trans <= FTINY : np->trans >= 1.0-FTINY)
86                  return;         /* wrong side */
87  
88 <        if (ldot > FTINY && np->rdiff > FTINY) {
88 >                                /* Fresnel estimate */
89 >        ldiff = np->rdiff;
90 >        if (np->specfl & SP_PURE && (np->rspec > FTINY & ldiff > FTINY))
91 >                ldiff *= 1. - FRESNE(fabs(ldot));
92 >
93 >        if (ldot > FTINY && ldiff > FTINY) {
94                  /*
95                   *  Compute and add diffuse reflected component to returned
96                   *  color.  The diffuse reflected component will always be
97                   *  modified by the color of the material.
98                   */
99                  copycolor(ctmp, np->mcolor);
100 <                dtmp = ldot * omega * np->rdiff / PI;
100 >                dtmp = ldot * omega * ldiff / PI;
101                  scalecolor(ctmp, dtmp);
102                  addcolor(cval, ctmp);
103          }
# Line 94 | Line 107 | double  omega;                 /* light source size */
107                   *  gaussian distribution model.
108                   */
109                                                  /* roughness */
110 <                dtmp = 2.0*np->alpha2;
110 >                dtmp = np->alpha2;
111                                                  /* + source if flat */
112                  if (np->specfl & SP_FLAT)
113 <                        dtmp += omega/(2.0*PI);
113 >                        dtmp += omega/(4.0*PI);
114 >                                                /* half vector */
115 >                vtmp[0] = ldir[0] - np->rp->rdir[0];
116 >                vtmp[1] = ldir[1] - np->rp->rdir[1];
117 >                vtmp[2] = ldir[2] - np->rp->rdir[2];
118 >                d2 = DOT(vtmp, np->pnorm);
119 >                d2 *= d2;
120 >                d2 = (DOT(vtmp,vtmp) - d2) / d2;
121                                                  /* gaussian */
122 <                dtmp = exp((DOT(np->vrefl,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
122 >                dtmp = exp(-d2/dtmp)/(4.*PI*dtmp);
123                                                  /* worth using? */
124                  if (dtmp > FTINY) {
125                          copycolor(ctmp, np->scolor);
126 <                        dtmp *= omega / np->pdot;
126 >                        dtmp *= omega * sqrt(ldot/np->pdot);
127                          scalecolor(ctmp, dtmp);
128                          addcolor(cval, ctmp);
129                  }
# Line 123 | Line 143 | double  omega;                 /* light source size */
143                   *  is always modified by material color.
144                   */
145                                                  /* roughness + source */
146 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
146 >                dtmp = np->alpha2 + omega/PI;
147                                                  /* gaussian */
148 <                dtmp = exp((DOT(np->prdir,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
148 >                dtmp = exp((2.*DOT(np->prdir,ldir)-2.)/dtmp)/(PI*dtmp);
149                                                  /* worth using? */
150                  if (dtmp > FTINY) {
151                          copycolor(ctmp, np->mcolor);
152 <                        dtmp *= np->tspec * omega / np->pdot;
152 >                        dtmp *= np->tspec * omega * sqrt(-ldot/np->pdot);
153                          scalecolor(ctmp, dtmp);
154                          addcolor(cval, ctmp);
155                  }
# Line 137 | Line 157 | double  omega;                 /* light source size */
157   }
158  
159  
160 + int
161   m_normal(m, r)                  /* color a ray that hit something normal */
162   register OBJREC  *m;
163   register RAY  *r;
164   {
165          NORMDAT  nd;
166 +        double  fest;
167          double  transtest, transdist;
168 <        double  dtmp;
168 >        double  mirtest, mirdist;
169 >        int     hastexture;
170 >        double  d;
171          COLOR  ctmp;
172          register int  i;
173                                                  /* easy shadow test */
174          if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS)
175 <                return;
175 >                return(1);
176  
177          if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
178                  objerror(m, USER, "bad number of arguments");
179 +                                                /* check for back side */
180 +        if (r->rod < 0.0) {
181 +                if (!backvis && m->otype != MAT_TRANS) {
182 +                        raytrans(r);
183 +                        return(1);
184 +                }
185 +                raytexture(r, m->omod);
186 +                flipsurface(r);                 /* reorient if backvis */
187 +        } else
188 +                raytexture(r, m->omod);
189          nd.mp = m;
190 +        nd.rp = r;
191                                                  /* get material color */
192          setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
193                             m->oargs.farg[1],
# Line 162 | Line 197 | register RAY  *r;
197          nd.alpha2 = m->oargs.farg[4];
198          if ((nd.alpha2 *= nd.alpha2) <= FTINY)
199                  nd.specfl |= SP_PURE;
200 <                                                /* reorient if necessary */
201 <        if (r->rod < 0.0)
202 <                flipsurface(r);
203 <                                                /* get modifiers */
204 <        raytexture(r, m->omod);
205 <        nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
200 >
201 >        if (hastexture = (DOT(r->pert,r->pert) > FTINY*FTINY)) {
202 >                nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
203 >        } else {
204 >                VCOPY(nd.pnorm, r->ron);
205 >                nd.pdot = r->rod;
206 >        }
207 >        if (r->ro != NULL && isflat(r->ro->otype))
208 >                nd.specfl |= SP_FLAT;
209          if (nd.pdot < .001)
210                  nd.pdot = .001;                 /* non-zero for dirnorm() */
211          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
212 <        transtest = 0;
213 <                                                /* get specular component */
214 <        if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
215 <                nd.specfl |= SP_REFL;
216 <                                                /* compute specular color */
217 <                if (m->otype == MAT_METAL)
218 <                        copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
219 <                else
220 <                        setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
183 <                scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
184 <                                                /* improved model */
185 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*nd.pdot);
186 <                for (i = 0; i < 3; i++)
187 <                        colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
188 <                nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
189 <                                                /* compute reflected ray */
190 <                for (i = 0; i < 3; i++)
191 <                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
192 <
193 <                if (!(r->crtype & SHADOW) && nd.specfl & SP_PURE) {
194 <                        RAY  lr;
195 <                        if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
196 <                                VCOPY(lr.rdir, nd.vrefl);
197 <                                rayvalue(&lr);
198 <                                multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
199 <                                addcolor(r->rcol, lr.rcol);
200 <                        }
201 <                }
202 <        }
212 >        mirtest = transtest = 0;
213 >        mirdist = transdist = r->rot;
214 >        nd.rspec = m->oargs.farg[3];
215 >                                                /* compute Fresnel approx. */
216 >        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rspec > FTINY) {
217 >                fest = FRESNE(r->rod);
218 >                nd.rspec += fest*(1. - nd.rspec);
219 >        } else
220 >                fest = 0.;
221                                                  /* compute transmission */
222          if (m->otype == MAT_TRANS) {
223                  nd.trans = m->oargs.farg[5]*(1.0 - nd.rspec);
# Line 207 | Line 225 | register RAY  *r;
225                  nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
226                  if (nd.tspec > FTINY) {
227                          nd.specfl |= SP_TRAN;
228 <                        if (r->crtype & SHADOW ||
229 <                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
228 >                                                        /* check threshold */
229 >                        if (!(nd.specfl & SP_PURE) &&
230 >                                        specthresh >= nd.tspec-FTINY)
231 >                                nd.specfl |= SP_TBLT;
232 >                        if (!hastexture || r->crtype & SHADOW) {
233                                  VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
234                                  transtest = 2;
235                          } else {
236                                  for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
237 <                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] -
238 <                                                        .75*r->pert[i];
239 <                                normalize(nd.prdir);
237 >                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
238 >                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
239 >                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
240 >                                else
241 >                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
242                          }
243                  }
244          } else
245                  nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
246                                                  /* transmitted ray */
247 <        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
247 >        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE|SP_TBLT)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
248                  RAY  lr;
249                  if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
250                          VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
# Line 232 | Line 255 | register RAY  *r;
255                          transtest *= bright(lr.rcol);
256                          transdist = r->rot + lr.rt;
257                  }
258 <        }
258 >        } else
259 >                transtest = 0;
260  
261 <        if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
262 <                return;
261 >        if (r->crtype & SHADOW) {               /* the rest is shadow */
262 >                r->rt = transdist;
263 >                return(1);
264 >        }
265 >                                                /* get specular reflection */
266 >        if (nd.rspec > FTINY) {
267 >                nd.specfl |= SP_REFL;
268 >                                                /* compute specular color */
269 >                if (m->otype != MAT_METAL) {
270 >                        setcolor(nd.scolor, nd.rspec, nd.rspec, nd.rspec);
271 >                } else if (fest > FTINY) {
272 >                        d = nd.rspec*(1. - fest);
273 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
274 >                                nd.scolor[i] = fest + nd.mcolor[i]*d;
275 >                } else {
276 >                        copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
277 >                        scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
278 >                }
279 >                                                /* check threshold */
280 >                if (!(nd.specfl & SP_PURE) && specthresh >= nd.rspec-FTINY)
281 >                        nd.specfl |= SP_RBLT;
282 >                                                /* compute reflected ray */
283 >                for (i = 0; i < 3; i++)
284 >                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*nd.pdot*nd.pnorm[i];
285 >                                                /* penetration? */
286 >                if (hastexture && DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)
287 >                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
288 >                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
289 >        }
290 >                                                /* reflected ray */
291 >        if ((nd.specfl&(SP_REFL|SP_PURE|SP_RBLT)) == (SP_REFL|SP_PURE)) {
292 >                RAY  lr;
293 >                if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
294 >                        VCOPY(lr.rdir, nd.vrefl);
295 >                        rayvalue(&lr);
296 >                        multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
297 >                        addcolor(r->rcol, lr.rcol);
298 >                        if (!hastexture && nd.specfl & SP_FLAT) {
299 >                                mirtest = 2.*bright(lr.rcol);
300 >                                mirdist = r->rot + lr.rt;
301 >                        }
302 >                }
303 >        }
304                                                  /* diffuse reflection */
305          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
306  
307          if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
308 <                return;                         /* 100% pure specular */
308 >                return(1);                      /* 100% pure specular */
309  
310 <        if (r->ro->otype == OBJ_FACE || r->ro->otype == OBJ_RING)
311 <                nd.specfl |= SP_FLAT;
310 >        if (!(nd.specfl & SP_PURE))
311 >                gaussamp(r, &nd);               /* checks *BLT flags */
312  
248 –        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_PURE))
249 –                gaussamp(r, &nd);
250 –
313          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
314 <                ambient(ctmp, r);
315 <                scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
314 >                ambient(ctmp, r, hastexture?nd.pnorm:r->ron);
315 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
316 >                        scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
317 >                else
318 >                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
319                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
320                  addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
321          }
322          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
323                  flipsurface(r);
324 <                ambient(ctmp, r);
325 <                scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
324 >                if (hastexture) {
325 >                        FVECT  bnorm;
326 >                        bnorm[0] = -nd.pnorm[0];
327 >                        bnorm[1] = -nd.pnorm[1];
328 >                        bnorm[2] = -nd.pnorm[2];
329 >                        ambient(ctmp, r, bnorm);
330 >                } else
331 >                        ambient(ctmp, r, r->ron);
332 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
333 >                        scalecolor(ctmp, nd.trans);
334 >                else
335 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
336                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
337                  addcolor(r->rcol, ctmp);
338                  flipsurface(r);
# Line 265 | Line 340 | register RAY  *r;
340                                          /* add direct component */
341          direct(r, dirnorm, &nd);
342                                          /* check distance */
343 <        if (transtest > bright(r->rcol))
343 >        d = bright(r->rcol);
344 >        if (transtest > d)
345                  r->rt = transdist;
346 +        else if (mirtest > d)
347 +                r->rt = mirdist;
348 +
349 +        return(1);
350   }
351  
352  
353 < static
353 > static void
354   gaussamp(r, np)                 /* sample gaussian specular */
355   RAY  *r;
356   register NORMDAT  *np;
# Line 279 | Line 359 | register NORMDAT  *np;
359          FVECT  u, v, h;
360          double  rv[2];
361          double  d, sinp, cosp;
362 <        int  confuse;
362 >        int  niter;
363          register int  i;
364 +                                        /* quick test */
365 +        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) != SP_REFL &&
366 +                        (np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) != SP_TRAN)
367 +                return;
368                                          /* set up sample coordinates */
369          v[0] = v[1] = v[2] = 0.0;
370          for (i = 0; i < 3; i++)
# Line 291 | Line 375 | register NORMDAT  *np;
375          normalize(u);
376          fcross(v, np->pnorm, u);
377                                          /* compute reflection */
378 <        if (np->specfl & SP_REFL &&
378 >        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
379                          rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
296 –                confuse = 0;
380                  dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
381 <        refagain:
382 <                dimlist[ndims] = confuse += 3601;
383 <                d = urand(ilhash(dimlist,ndims+1)+samplendx);
384 <                multisamp(rv, 2, d);
385 <                d = 2.0*PI * rv[0];
386 <                cosp = cos(d);
387 <                sinp = sin(d);
388 <                if (rv[1] <= FTINY)
389 <                        d = 1.0;
390 <                else
391 <                        d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
392 <                for (i = 0; i < 3; i++)
393 <                        h[i] = np->pnorm[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
394 <                d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
395 <                for (i = 0; i < 3; i++)
396 <                        sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
397 <                if (DOT(sr.rdir, r->ron) <= FTINY)      /* oops! */
398 <                        goto refagain;
399 <                rayvalue(&sr);
400 <                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
401 <                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
381 >                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
382 >                        if (niter)
383 >                                d = frandom();
384 >                        else
385 >                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
386 >                        multisamp(rv, 2, d);
387 >                        d = 2.0*PI * rv[0];
388 >                        cosp = tcos(d);
389 >                        sinp = tsin(d);
390 >                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
391 >                        if (rv[1] <= FTINY)
392 >                                d = 1.0;
393 >                        else
394 >                                d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
395 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
396 >                                h[i] = np->pnorm[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
397 >                        d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
398 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
399 >                                sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
400 >                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) > FTINY) {
401 >                                rayvalue(&sr);
402 >                                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
403 >                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
404 >                                break;
405 >                        }
406 >                }
407                  ndims--;
408          }
409                                          /* compute transmission */
410 +        if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
411 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
412 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
413 +                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
414 +                        if (niter)
415 +                                d = frandom();
416 +                        else
417 +                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
418 +                        multisamp(rv, 2, d);
419 +                        d = 2.0*PI * rv[0];
420 +                        cosp = tcos(d);
421 +                        sinp = tsin(d);
422 +                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
423 +                        if (rv[1] <= FTINY)
424 +                                d = 1.0;
425 +                        else
426 +                                d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
427 +                        for (i = 0; i < 3; i++)
428 +                                sr.rdir[i] = np->prdir[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
429 +                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY) {
430 +                                normalize(sr.rdir);     /* OK, normalize */
431 +                                rayvalue(&sr);
432 +                                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
433 +                                multcolor(sr.rcol, np->mcolor); /* modified */
434 +                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
435 +                                break;
436 +                        }
437 +                }
438 +                ndims--;
439 +        }
440   }

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