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

Comparing ray/src/rt/normal.c (file contents):
Revision 2.17 by greg, Thu May 14 11:32:07 1992 UTC vs.
Revision 2.47 by schorsch, Tue Mar 30 16:13:01 2004 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  "ray.h"
14 > #include "copyright.h"
15  
16 + #include  "ray.h"
17 + #include  "ambient.h"
18 + #include  "source.h"
19   #include  "otypes.h"
20 <
20 > #include  "rtotypes.h"
21   #include  "random.h"
22  
23 < extern double  specthresh;              /* specular sampling threshold */
24 < extern double  specjitter;              /* specular sampling jitter */
23 > #ifndef  MAXITER
24 > #define  MAXITER        10              /* maximum # specular ray attempts */
25 > #endif
26 >                                        /* estimate of Fresnel function */
27 > #define  FRESNE(ci)     (exp(-5.85*(ci)) - 0.00287989916)
28  
29 +
30   /*
31 < *      This routine uses portions of the reflection
32 < *  model described by Cook and Torrance.
29 < *      The computation of specular components has been simplified by
30 < *  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 38 | Line 40 | extern double  specjitter;             /* specular sampling jitte
40   *      red     grn     blu     rspec   rough   trans   tspec
41   */
42  
41 – #define  BSPEC(m)       (6.0)           /* specularity parameter b */
42 –
43                                  /* specularity flags */
44   #define  SP_REFL        01              /* has reflected specular component */
45   #define  SP_TRAN        02              /* has transmitted specular */
# Line 64 | Line 64 | typedef struct {
64          double  pdot;           /* perturbed dot product */
65   }  NORMDAT;             /* normal material data */
66  
67 + static srcdirf_t dirnorm;
68 + static void gaussamp(RAY  *r, NORMDAT  *np);
69  
70 < dirnorm(cval, np, ldir, omega)          /* compute source contribution */
71 < COLOR  cval;                    /* returned coefficient */
72 < register NORMDAT  *np;          /* material data */
73 < FVECT  ldir;                    /* light source direction */
74 < double  omega;                  /* light source size */
70 >
71 > static void
72 > dirnorm(                /* compute source contribution */
73 >        COLOR  cval,                    /* returned coefficient */
74 >        void  *nnp,             /* material data */
75 >        FVECT  ldir,                    /* light source direction */
76 >        double  omega                   /* light source size */
77 > )
78   {
79 +        register NORMDAT *np = nnp;
80          double  ldot;
81 +        double  ldiff;
82          double  dtmp, d2;
83          FVECT  vtmp;
77 –        register int    i;
84          COLOR  ctmp;
85  
86          setcolor(cval, 0.0, 0.0, 0.0);
# Line 84 | Line 90 | double  omega;                 /* light source size */
90          if (ldot < 0.0 ? np->trans <= FTINY : np->trans >= 1.0-FTINY)
91                  return;         /* wrong side */
92  
93 <        if (ldot > FTINY && np->rdiff > FTINY) {
93 >                                /* Fresnel estimate */
94 >        ldiff = np->rdiff;
95 >        if (np->specfl & SP_PURE && (np->rspec > FTINY) & (ldiff > FTINY))
96 >                ldiff *= 1. - FRESNE(fabs(ldot));
97 >
98 >        if (ldot > FTINY && ldiff > FTINY) {
99                  /*
100                   *  Compute and add diffuse reflected component to returned
101                   *  color.  The diffuse reflected component will always be
102                   *  modified by the color of the material.
103                   */
104                  copycolor(ctmp, np->mcolor);
105 <                dtmp = ldot * omega * np->rdiff / PI;
105 >                dtmp = ldot * omega * ldiff / PI;
106                  scalecolor(ctmp, dtmp);
107                  addcolor(cval, ctmp);
108          }
# Line 105 | Line 116 | double  omega;                 /* light source size */
116                                                  /* + source if flat */
117                  if (np->specfl & SP_FLAT)
118                          dtmp += omega/(4.0*PI);
119 <                                                /* delta */
120 <                for (i = 0; i < 3; i++)
121 <                        vtmp[i] = ldir[i] - np->rp->rdir[i];
119 >                                                /* half vector */
120 >                vtmp[0] = ldir[0] - np->rp->rdir[0];
121 >                vtmp[1] = ldir[1] - np->rp->rdir[1];
122 >                vtmp[2] = ldir[2] - np->rp->rdir[2];
123                  d2 = DOT(vtmp, np->pnorm);
124 <                d2 = 2.0 - 2.0*d2/sqrt(DOT(vtmp,vtmp));
124 >                d2 *= d2;
125 >                d2 = (DOT(vtmp,vtmp) - d2) / d2;
126                                                  /* gaussian */
127                  dtmp = exp(-d2/dtmp)/(4.*PI*dtmp);
128                                                  /* worth using? */
# Line 135 | Line 148 | double  omega;                 /* light source size */
148                   *  is always modified by material color.
149                   */
150                                                  /* roughness + source */
151 <                dtmp = np->alpha2/2.0 + omega/(2.0*PI);
151 >                dtmp = np->alpha2 + omega/PI;
152                                                  /* gaussian */
153 <                dtmp = exp((DOT(np->prdir,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
153 >                dtmp = exp((2.*DOT(np->prdir,ldir)-2.)/dtmp)/(PI*dtmp);
154                                                  /* worth using? */
155                  if (dtmp > FTINY) {
156                          copycolor(ctmp, np->mcolor);
157 <                        dtmp *= np->tspec * omega * sqrt(ldot/np->pdot);
157 >                        dtmp *= np->tspec * omega * sqrt(-ldot/np->pdot);
158                          scalecolor(ctmp, dtmp);
159                          addcolor(cval, ctmp);
160                  }
# Line 149 | Line 162 | double  omega;                 /* light source size */
162   }
163  
164  
165 < m_normal(m, r)                  /* color a ray that hit something normal */
166 < register OBJREC  *m;
167 < register RAY  *r;
165 > extern int
166 > m_normal(                       /* color a ray that hit something normal */
167 >        register OBJREC  *m,
168 >        register RAY  *r
169 > )
170   {
171          NORMDAT  nd;
172 +        double  fest;
173          double  transtest, transdist;
174 <        double  dtmp;
174 >        double  mirtest, mirdist;
175 >        int     hastexture;
176 >        double  d;
177          COLOR  ctmp;
178          register int  i;
179                                                  /* easy shadow test */
180          if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS)
181 <                return;
181 >                return(1);
182  
183          if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
184                  objerror(m, USER, "bad number of arguments");
185 +                                                /* check for back side */
186 +        if (r->rod < 0.0) {
187 +                if (!backvis && m->otype != MAT_TRANS) {
188 +                        raytrans(r);
189 +                        return(1);
190 +                }
191 +                raytexture(r, m->omod);
192 +                flipsurface(r);                 /* reorient if backvis */
193 +        } else
194 +                raytexture(r, m->omod);
195          nd.mp = m;
196          nd.rp = r;
197                                                  /* get material color */
# Line 175 | Line 203 | register RAY  *r;
203          nd.alpha2 = m->oargs.farg[4];
204          if ((nd.alpha2 *= nd.alpha2) <= FTINY)
205                  nd.specfl |= SP_PURE;
206 <                                                /* reorient if necessary */
207 <        if (r->rod < 0.0)
208 <                flipsurface(r);
209 <                                                /* get modifiers */
210 <        raytexture(r, m->omod);
211 <        nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
206 >
207 >        if ( (hastexture = (DOT(r->pert,r->pert) > FTINY*FTINY)) ) {
208 >                nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
209 >        } else {
210 >                VCOPY(nd.pnorm, r->ron);
211 >                nd.pdot = r->rod;
212 >        }
213 >        if (r->ro != NULL && isflat(r->ro->otype))
214 >                nd.specfl |= SP_FLAT;
215          if (nd.pdot < .001)
216                  nd.pdot = .001;                 /* non-zero for dirnorm() */
217          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
218 <        transtest = 0;
219 <                                                /* get specular component */
220 <        if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
221 <                nd.specfl |= SP_REFL;
222 <                                                /* compute specular color */
223 <                if (m->otype == MAT_METAL)
224 <                        copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
225 <                else
226 <                        setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
196 <                scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
197 <                                                /* improved model */
198 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*nd.pdot);
199 <                for (i = 0; i < 3; i++)
200 <                        colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
201 <                nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
202 <                                                /* check threshold */
203 <                if (!(nd.specfl & SP_PURE) &&
204 <                                specthresh > FTINY &&
205 <                                (specthresh >= 1.-FTINY ||
206 <                                specthresh + .05 - .1*frandom() > nd.rspec))
207 <                        nd.specfl |= SP_RBLT;
208 <                                                /* compute reflected ray */
209 <                for (i = 0; i < 3; i++)
210 <                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
211 <                if (DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)     /* penetration? */
212 <                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
213 <                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
214 <
215 <                if (!(r->crtype & SHADOW) && nd.specfl & SP_PURE) {
216 <                        RAY  lr;
217 <                        if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
218 <                                VCOPY(lr.rdir, nd.vrefl);
219 <                                rayvalue(&lr);
220 <                                multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
221 <                                addcolor(r->rcol, lr.rcol);
222 <                        }
223 <                }
224 <        }
218 >        mirtest = transtest = 0;
219 >        mirdist = transdist = r->rot;
220 >        nd.rspec = m->oargs.farg[3];
221 >                                                /* compute Fresnel approx. */
222 >        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rspec > FTINY) {
223 >                fest = FRESNE(r->rod);
224 >                nd.rspec += fest*(1. - nd.rspec);
225 >        } else
226 >                fest = 0.;
227                                                  /* compute transmission */
228          if (m->otype == MAT_TRANS) {
229                  nd.trans = m->oargs.farg[5]*(1.0 - nd.rspec);
# Line 230 | Line 232 | register RAY  *r;
232                  if (nd.tspec > FTINY) {
233                          nd.specfl |= SP_TRAN;
234                                                          /* check threshold */
235 <                        if (!(nd.specfl & SP_PURE) && specthresh > FTINY &&
236 <                                        (specthresh >= 1.-FTINY ||
235 <                                specthresh + .05 - .1*frandom() > nd.tspec))
235 >                        if (!(nd.specfl & SP_PURE) &&
236 >                                        specthresh >= nd.tspec-FTINY)
237                                  nd.specfl |= SP_TBLT;
238 <                        if (r->crtype & SHADOW ||
238 <                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
238 >                        if (!hastexture || r->crtype & SHADOW) {
239                                  VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
240                                  transtest = 2;
241                          } else {
242                                  for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
243 <                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] -
244 <                                                        0.5*r->pert[i];
243 >                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
244                                  if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
245                                          normalize(nd.prdir);    /* OK */
246                                  else
# Line 251 | Line 250 | register RAY  *r;
250          } else
251                  nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
252                                                  /* transmitted ray */
253 <        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
253 >        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE|SP_TBLT)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
254                  RAY  lr;
255                  if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
256                          VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
# Line 265 | Line 264 | register RAY  *r;
264          } else
265                  transtest = 0;
266  
267 <        if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
268 <                return;
267 >        if (r->crtype & SHADOW) {               /* the rest is shadow */
268 >                r->rt = transdist;
269 >                return(1);
270 >        }
271 >                                                /* get specular reflection */
272 >        if (nd.rspec > FTINY) {
273 >                nd.specfl |= SP_REFL;
274 >                                                /* compute specular color */
275 >                if (m->otype != MAT_METAL) {
276 >                        setcolor(nd.scolor, nd.rspec, nd.rspec, nd.rspec);
277 >                } else if (fest > FTINY) {
278 >                        d = nd.rspec*(1. - fest);
279 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
280 >                                nd.scolor[i] = fest + nd.mcolor[i]*d;
281 >                } else {
282 >                        copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
283 >                        scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
284 >                }
285 >                                                /* check threshold */
286 >                if (!(nd.specfl & SP_PURE) && specthresh >= nd.rspec-FTINY)
287 >                        nd.specfl |= SP_RBLT;
288 >                                                /* compute reflected ray */
289 >                for (i = 0; i < 3; i++)
290 >                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*nd.pdot*nd.pnorm[i];
291 >                                                /* penetration? */
292 >                if (hastexture && DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)
293 >                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
294 >                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
295 >        }
296 >                                                /* reflected ray */
297 >        if ((nd.specfl&(SP_REFL|SP_PURE|SP_RBLT)) == (SP_REFL|SP_PURE)) {
298 >                RAY  lr;
299 >                if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
300 >                        VCOPY(lr.rdir, nd.vrefl);
301 >                        rayvalue(&lr);
302 >                        multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
303 >                        addcolor(r->rcol, lr.rcol);
304 >                        if (!hastexture && nd.specfl & SP_FLAT) {
305 >                                mirtest = 2.*bright(lr.rcol);
306 >                                mirdist = r->rot + lr.rt;
307 >                        }
308 >                }
309 >        }
310                                                  /* diffuse reflection */
311          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
312  
313          if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
314 <                return;                         /* 100% pure specular */
314 >                return(1);                      /* 100% pure specular */
315  
316 <        if (r->ro != NULL && (r->ro->otype == OBJ_FACE ||
317 <                        r->ro->otype == OBJ_RING))
278 <                nd.specfl |= SP_FLAT;
316 >        if (!(nd.specfl & SP_PURE))
317 >                gaussamp(r, &nd);               /* checks *BLT flags */
318  
280 –        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_PURE))
281 –                gaussamp(r, &nd);
282 –
319          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
320 <                ambient(ctmp, r);
320 >                ambient(ctmp, r, hastexture?nd.pnorm:r->ron);
321                  if (nd.specfl & SP_RBLT)
322                          scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
323                  else
# Line 291 | Line 327 | register RAY  *r;
327          }
328          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
329                  flipsurface(r);
330 <                ambient(ctmp, r);
330 >                if (hastexture) {
331 >                        FVECT  bnorm;
332 >                        bnorm[0] = -nd.pnorm[0];
333 >                        bnorm[1] = -nd.pnorm[1];
334 >                        bnorm[2] = -nd.pnorm[2];
335 >                        ambient(ctmp, r, bnorm);
336 >                } else
337 >                        ambient(ctmp, r, r->ron);
338                  if (nd.specfl & SP_TBLT)
339                          scalecolor(ctmp, nd.trans);
340                  else
# Line 303 | Line 346 | register RAY  *r;
346                                          /* add direct component */
347          direct(r, dirnorm, &nd);
348                                          /* check distance */
349 <        if (transtest > bright(r->rcol))
349 >        d = bright(r->rcol);
350 >        if (transtest > d)
351                  r->rt = transdist;
352 +        else if (mirtest > d)
353 +                r->rt = mirdist;
354 +
355 +        return(1);
356   }
357  
358  
359 < static
360 < gaussamp(r, np)                 /* sample gaussian specular */
361 < RAY  *r;
362 < register NORMDAT  *np;
359 > static void
360 > gaussamp(                       /* sample gaussian specular */
361 >        RAY  *r,
362 >        register NORMDAT  *np
363 > )
364   {
365          RAY  sr;
366          FVECT  u, v, h;
367          double  rv[2];
368          double  d, sinp, cosp;
369 +        int  niter;
370          register int  i;
371                                          /* quick test */
372          if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) != SP_REFL &&
# Line 335 | Line 385 | register NORMDAT  *np;
385          if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
386                          rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
387                  dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
388 <                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
389 <                multisamp(rv, 2, d);
390 <                d = 2.0*PI * rv[0];
391 <                cosp = cos(d);
392 <                sinp = sin(d);
393 <                rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
394 <                if (rv[1] <= FTINY)
395 <                        d = 1.0;
396 <                else
397 <                        d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
398 <                for (i = 0; i < 3; i++)
399 <                        h[i] = np->pnorm[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
400 <                d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
401 <                for (i = 0; i < 3; i++)
402 <                        sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
403 <                if (DOT(sr.rdir, r->ron) <= FTINY)
404 <                        VCOPY(sr.rdir, np->vrefl);      /* jitter no good */
405 <                rayvalue(&sr);
406 <                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
407 <                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
388 >                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
389 >                        if (niter)
390 >                                d = frandom();
391 >                        else
392 >                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
393 >                        multisamp(rv, 2, d);
394 >                        d = 2.0*PI * rv[0];
395 >                        cosp = tcos(d);
396 >                        sinp = tsin(d);
397 >                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
398 >                        if (rv[1] <= FTINY)
399 >                                d = 1.0;
400 >                        else
401 >                                d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
402 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
403 >                                h[i] = np->pnorm[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
404 >                        d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
405 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
406 >                                sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
407 >                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) > FTINY) {
408 >                                rayvalue(&sr);
409 >                                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
410 >                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
411 >                                break;
412 >                        }
413 >                }
414                  ndims--;
415          }
416                                          /* compute transmission */
417          if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
418                          rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
419                  dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
420 <                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
421 <                multisamp(rv, 2, d);
422 <                d = 2.0*PI * rv[0];
423 <                cosp = cos(d);
424 <                sinp = sin(d);
425 <                rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
426 <                if (rv[1] <= FTINY)
427 <                        d = 1.0;
428 <                else
429 <                        d = sqrt( np->alpha2/4.0 * -log(rv[1]) );
430 <                for (i = 0; i < 3; i++)
431 <                        sr.rdir[i] = np->prdir[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
432 <                if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY)
433 <                        normalize(sr.rdir);             /* OK, normalize */
434 <                else
435 <                        VCOPY(sr.rdir, np->prdir);      /* else no jitter */
436 <                rayvalue(&sr);
437 <                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
438 <                multcolor(sr.rcol, np->mcolor);         /* modified by color */
439 <                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
420 >                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
421 >                        if (niter)
422 >                                d = frandom();
423 >                        else
424 >                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
425 >                        multisamp(rv, 2, d);
426 >                        d = 2.0*PI * rv[0];
427 >                        cosp = tcos(d);
428 >                        sinp = tsin(d);
429 >                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
430 >                        if (rv[1] <= FTINY)
431 >                                d = 1.0;
432 >                        else
433 >                                d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
434 >                        for (i = 0; i < 3; i++)
435 >                                sr.rdir[i] = np->prdir[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
436 >                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY) {
437 >                                normalize(sr.rdir);     /* OK, normalize */
438 >                                rayvalue(&sr);
439 >                                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
440 >                                multcolor(sr.rcol, np->mcolor); /* modified */
441 >                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
442 >                                break;
443 >                        }
444 >                }
445                  ndims--;
446          }
447   }

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