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

Comparing ray/src/rt/normal.c (file contents):
Revision 1.1 by greg, Thu Feb 2 10:41:30 1989 UTC vs.
Revision 2.28 by greg, Wed Dec 21 09:51:49 1994 UTC

# Line 1 | Line 1
1 < /* Copyright (c) 1986 Regents of the University of California */
1 > /* Copyright (c) 1992 Regents of the University of California */
2  
3   #ifndef lint
4   static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
# Line 11 | Line 11 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
11   *     12/19/85 - added stuff for metals.
12   *     6/26/87 - improved specular model.
13   *     9/28/87 - added model for translucent materials.
14 + *     Later changes described in delta comments.
15   */
16  
17   #include  "ray.h"
18  
18 #include  "source.h"
19
19   #include  "otypes.h"
20  
21 + #include  "random.h"
22 +
23 + extern double  specthresh;              /* specular sampling threshold */
24 + extern double  specjitter;              /* specular sampling jitter */
25 +
26 + extern int  backvis;                    /* back faces visible? */
27 +
28 + static  gaussamp();
29 +
30   /*
31 < *      This routine uses portions of the reflection
32 < *  model described by Cook and Torrance.
25 < *      The computation of specular components has been simplified by
26 < *  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 34 | Line 40 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
40   *      red     grn     blu     rspec   rough   trans   tspec
41   */
42  
43 < #define  BSPEC(m)       (6.0)           /* specularity parameter b */
43 >                                /* specularity flags */
44 > #define  SP_REFL        01              /* has reflected specular component */
45 > #define  SP_TRAN        02              /* has transmitted specular */
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 <
52 < m_normal(m, r)                  /* color a ray which hit something normal */
53 < register OBJREC  *m;
54 < register RAY  *r;
43 < {
44 <        double  exp();
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 */
57          FVECT  vrefl;           /* vector in direction of reflected ray */
58 <        double  alpha2;         /* roughness squared times 2 */
59 <        RAY  lr;                /* ray to illumination source */
58 >        FVECT  prdir;           /* vector in transmitted direction */
59 >        double  alpha2;         /* roughness squared */
60          double  rdiff, rspec;   /* reflected specular, diffuse */
61          double  trans;          /* transmissivity */
62          double  tdiff, tspec;   /* transmitted specular, diffuse */
63          FVECT  pnorm;           /* perturbed surface normal */
64          double  pdot;           /* perturbed dot product */
65 + }  NORMDAT;             /* normal material data */
66 +
67 +
68 + dirnorm(cval, np, ldir, omega)          /* compute source contribution */
69 + COLOR  cval;                    /* returned coefficient */
70 + register NORMDAT  *np;          /* material data */
71 + FVECT  ldir;                    /* light source direction */
72 + double  omega;                  /* light source size */
73 + {
74          double  ldot;
75 <        double  omega;
76 <        double  dtmp;
75 >        double  dtmp, d2;
76 >        FVECT  vtmp;
77          COLOR  ctmp;
59        register int  i;
78  
79 <        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
80 <                objerror(m, USER, "bad # arguments");
79 >        setcolor(cval, 0.0, 0.0, 0.0);
80 >
81 >        ldot = DOT(np->pnorm, ldir);
82 >
83 >        if (ldot < 0.0 ? np->trans <= FTINY : np->trans >= 1.0-FTINY)
84 >                return;         /* wrong side */
85 >
86 >        if (ldot > FTINY && np->rdiff > FTINY) {
87 >                /*
88 >                 *  Compute and add diffuse reflected component to returned
89 >                 *  color.  The diffuse reflected component will always be
90 >                 *  modified by the color of the material.
91 >                 */
92 >                copycolor(ctmp, np->mcolor);
93 >                dtmp = ldot * omega * np->rdiff / PI;
94 >                scalecolor(ctmp, dtmp);
95 >                addcolor(cval, ctmp);
96 >        }
97 >        if (ldot > FTINY && (np->specfl&(SP_REFL|SP_PURE)) == SP_REFL) {
98 >                /*
99 >                 *  Compute specular reflection coefficient using
100 >                 *  gaussian distribution model.
101 >                 */
102 >                                                /* roughness */
103 >                dtmp = np->alpha2;
104 >                                                /* + source if flat */
105 >                if (np->specfl & SP_FLAT)
106 >                        dtmp += omega/(4.0*PI);
107 >                                                /* half vector */
108 >                vtmp[0] = ldir[0] - np->rp->rdir[0];
109 >                vtmp[1] = ldir[1] - np->rp->rdir[1];
110 >                vtmp[2] = ldir[2] - np->rp->rdir[2];
111 >                d2 = DOT(vtmp, np->pnorm);
112 >                d2 *= d2;
113 >                d2 = (DOT(vtmp,vtmp) - d2) / d2;
114 >                                                /* gaussian */
115 >                dtmp = exp(-d2/dtmp)/(4.*PI*dtmp);
116 >                                                /* worth using? */
117 >                if (dtmp > FTINY) {
118 >                        copycolor(ctmp, np->scolor);
119 >                        dtmp *= omega * sqrt(ldot/np->pdot);
120 >                        scalecolor(ctmp, dtmp);
121 >                        addcolor(cval, ctmp);
122 >                }
123 >        }
124 >        if (ldot < -FTINY && np->tdiff > FTINY) {
125 >                /*
126 >                 *  Compute diffuse transmission.
127 >                 */
128 >                copycolor(ctmp, np->mcolor);
129 >                dtmp = -ldot * omega * np->tdiff / PI;
130 >                scalecolor(ctmp, dtmp);
131 >                addcolor(cval, ctmp);
132 >        }
133 >        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == SP_TRAN) {
134 >                /*
135 >                 *  Compute specular transmission.  Specular transmission
136 >                 *  is always modified by material color.
137 >                 */
138 >                                                /* roughness + source */
139 >                dtmp = np->alpha2 + omega/PI;
140 >                                                /* gaussian */
141 >                dtmp = exp((2.*DOT(np->prdir,ldir)-2.)/dtmp)/(PI*dtmp);
142 >                                                /* worth using? */
143 >                if (dtmp > FTINY) {
144 >                        copycolor(ctmp, np->mcolor);
145 >                        dtmp *= np->tspec * omega * sqrt(-ldot/np->pdot);
146 >                        scalecolor(ctmp, dtmp);
147 >                        addcolor(cval, ctmp);
148 >                }
149 >        }
150 > }
151 >
152 >
153 > m_normal(m, r)                  /* color a ray that hit something normal */
154 > register OBJREC  *m;
155 > register RAY  *r;
156 > {
157 >        NORMDAT  nd;
158 >        double  transtest, transdist;
159 >        COLOR  ctmp;
160 >        register int  i;
161                                                  /* easy shadow test */
162          if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS)
163 <                return;
163 >                return(1);
164 >
165 >        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
166 >                objerror(m, USER, "bad number of arguments");
167 >        nd.mp = m;
168 >        nd.rp = r;
169                                                  /* get material color */
170 <        setcolor(mcolor, m->oargs.farg[0],
170 >        setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
171                             m->oargs.farg[1],
172                             m->oargs.farg[2]);
173                                                  /* get roughness */
174 <        alpha2 = m->oargs.farg[4];
175 <        alpha2 *= 2.0 * alpha2;
176 <                                                /* reorient if necessary */
177 <        if (r->rod < 0.0)
178 <                flipsurface(r);
174 >        nd.specfl = 0;
175 >        nd.alpha2 = m->oargs.farg[4];
176 >        if ((nd.alpha2 *= nd.alpha2) <= FTINY)
177 >                nd.specfl |= SP_PURE;
178 >                                                /* check for back side */
179 >        if (r->rod < 0.0) {
180 >                if (!backvis && m->otype != MAT_TRANS) {
181 >                        raytrans(r);
182 >                        return(1);
183 >                }
184 >                flipsurface(r);                 /* reorient if backvis */
185 >        }
186                                                  /* get modifiers */
187          raytexture(r, m->omod);
188 <        pdot = raynormal(pnorm, r);             /* perturb normal */
189 <        multcolor(mcolor, r->pcol);             /* modify material color */
188 >        nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
189 >        if (nd.pdot < .001)
190 >                nd.pdot = .001;                 /* non-zero for dirnorm() */
191 >        multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
192 >        transtest = 0;
193 >        transdist = r->rot;
194                                                  /* get specular component */
195 <        rspec = m->oargs.farg[3];
196 <
83 <        if (rspec > FTINY) {                    /* has specular component */
195 >        if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
196 >                nd.specfl |= SP_REFL;
197                                                  /* compute specular color */
198                  if (m->otype == MAT_METAL)
199 <                        copycolor(scolor, mcolor);
199 >                        copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
200                  else
201 <                        setcolor(scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
202 <                scalecolor(scolor, rspec);
203 <                                                /* improved model */
204 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*pdot);
205 <                for (i = 0; i < 3; i++)
93 <                        colval(scolor,i) += (1.0-colval(scolor,i))*dtmp;
94 <                rspec += (1.0-rspec)*dtmp;
201 >                        setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
202 >                scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
203 >                                                /* check threshold */
204 >                if (!(nd.specfl & SP_PURE) && specthresh >= nd.rspec-FTINY)
205 >                        nd.specfl |= SP_RBLT;
206                                                  /* compute reflected ray */
207                  for (i = 0; i < 3; i++)
208 <                        vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*pdot*pnorm[i];
208 >                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
209 >                if (DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)     /* penetration? */
210 >                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
211 >                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
212  
213 <                if (alpha2 <= FTINY && !(r->crtype & SHADOW))
214 <                        if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, rspec) == 0) {
215 <                                VCOPY(lr.rdir, vrefl);
213 >                if (!(r->crtype & SHADOW) && nd.specfl & SP_PURE) {
214 >                        RAY  lr;
215 >                        if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
216 >                                VCOPY(lr.rdir, nd.vrefl);
217                                  rayvalue(&lr);
218 <                                multcolor(lr.rcol, scolor);
218 >                                multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
219                                  addcolor(r->rcol, lr.rcol);
220                          }
221 +                }
222          }
223 <
223 >                                                /* compute transmission */
224          if (m->otype == MAT_TRANS) {
225 <                trans = m->oargs.farg[5]*(1.0 - rspec);
226 <                tspec = trans * m->oargs.farg[6];
227 <                tdiff = trans - tspec;
225 >                nd.trans = m->oargs.farg[5]*(1.0 - nd.rspec);
226 >                nd.tspec = nd.trans * m->oargs.farg[6];
227 >                nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
228 >                if (nd.tspec > FTINY) {
229 >                        nd.specfl |= SP_TRAN;
230 >                                                        /* check threshold */
231 >                        if (!(nd.specfl & SP_PURE) &&
232 >                                        specthresh >= nd.tspec-FTINY)
233 >                                nd.specfl |= SP_TBLT;
234 >                        if (r->crtype & SHADOW ||
235 >                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
236 >                                VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
237 >                                transtest = 2;
238 >                        } else {
239 >                                for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
240 >                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
241 >                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
242 >                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
243 >                                else
244 >                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
245 >                        }
246 >                }
247          } else
248 <                tdiff = tspec = trans = 0.0;
248 >                nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
249                                                  /* transmitted ray */
250 <        if (tspec > FTINY && alpha2 <= FTINY)
251 <                if (rayorigin(&lr, r, TRANS, tspec) == 0) {
252 <                        VCOPY(lr.rdir, r->rdir);
250 >        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
251 >                RAY  lr;
252 >                if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
253 >                        VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
254                          rayvalue(&lr);
255 <                        scalecolor(lr.rcol, tspec);
255 >                        scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
256 >                        multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
257                          addcolor(r->rcol, lr.rcol);
258 +                        transtest *= bright(lr.rcol);
259 +                        transdist = r->rot + lr.rt;
260                  }
261 +        } else
262 +                transtest = 0;
263 +
264          if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
265 <                return;
265 >                return(1);
266                                                  /* diffuse reflection */
267 <        rdiff = 1.0 - trans - rspec;
267 >        nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
268  
269 <        if (rdiff <= FTINY && tdiff <= FTINY && alpha2 <= FTINY)
270 <                return;                         /* purely specular */
269 >        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
270 >                return(1);                      /* 100% pure specular */
271  
272 <        ambient(ctmp, r);               /* compute ambient component */
273 <        scalecolor(ctmp, 1.0-trans);    /* from this side */
274 <        multcolor(ctmp, mcolor);        /* modified by material color */
133 <        addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
272 >        if (r->ro != NULL && (r->ro->otype == OBJ_FACE ||
273 >                        r->ro->otype == OBJ_RING))
274 >                nd.specfl |= SP_FLAT;
275  
276 <        if (trans > FTINY) {            /* ambient from other side */
276 >        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_PURE))
277 >                gaussamp(r, &nd);
278 >
279 >        if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
280 >                ambient(ctmp, r);
281 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
282 >                        scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
283 >                else
284 >                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
285 >                multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
286 >                addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
287 >        }
288 >        if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
289                  flipsurface(r);
290 <                scalecolor(ctmp, trans);
291 <                multcolor(ctmp, mcolor);
290 >                ambient(ctmp, r);
291 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
292 >                        scalecolor(ctmp, nd.trans);
293 >                else
294 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
295 >                multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
296                  addcolor(r->rcol, ctmp);
297                  flipsurface(r);
298          }
299 <        
300 <        for (i = 0; i < nsources; i++) {        /* add specular and diffuse */
299 >                                        /* add direct component */
300 >        direct(r, dirnorm, &nd);
301 >                                        /* check distance */
302 >        if (transtest > bright(r->rcol))
303 >                r->rt = transdist;
304  
305 <                if ((omega = srcray(&lr, r, i)) == 0.0)
306 <                        continue;               /* bad source */
305 >        return(1);
306 > }
307  
148                ldot = DOT(pnorm, lr.rdir);
149        
150                if (ldot < 0.0 ? trans <= FTINY : trans >= 1.0-FTINY)
151                        continue;               /* wrong side */
152        
153                rayvalue(&lr);                  /* compute light ray value */
154        
155                if (intens(lr.rcol) <= FTINY)
156                        continue;               /* didn't hit light source */
308  
309 <                if (ldot > FTINY && rdiff > FTINY) {
310 <                        /*
311 <                         *  Compute and add diffuse component to returned color.
312 <                         *  The diffuse component will always be modified by the
313 <                         *  color of the material.
314 <                         */
315 <                        copycolor(ctmp, lr.rcol);
316 <                        dtmp = ldot * omega * rdiff / PI;
317 <                        scalecolor(ctmp, dtmp);
318 <                        multcolor(ctmp, mcolor);
319 <                        addcolor(r->rcol, ctmp);
320 <                }
321 <                if (ldot > FTINY && rspec > FTINY && alpha2 > FTINY) {
322 <                        /*
323 <                         *  Compute specular reflection coefficient using
324 <                         *  gaussian distribution model.
325 <                         */
326 <                                                        /* roughness + source */
327 <                        dtmp = alpha2 + omega/(2.0*PI);
328 <                                                        /* gaussian */
329 <                        dtmp = exp((DOT(vrefl,lr.rdir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
330 <                                                        /* worth using? */
331 <                        if (dtmp > FTINY) {
332 <                                copycolor(ctmp, lr.rcol);
333 <                                dtmp *= omega;
334 <                                scalecolor(ctmp, dtmp);
335 <                                multcolor(ctmp, scolor);
336 <                                addcolor(r->rcol, ctmp);
337 <                        }
338 <                }
339 <                if (ldot < -FTINY && tdiff > FTINY) {
340 <                        /*
341 <                         *  Compute diffuse transmission.
342 <                         */
343 <                        copycolor(ctmp, lr.rcol);
344 <                        dtmp = -ldot * omega * tdiff / PI;
345 <                        scalecolor(ctmp, dtmp);
346 <                        multcolor(ctmp, mcolor);
347 <                        addcolor(r->rcol, ctmp);
348 <                }
349 <                if (ldot < -FTINY && tspec > FTINY && alpha2 > FTINY) {
350 <                        /*
351 <                         *  Compute specular transmission.
352 <                         */
353 <                                                        /* roughness + source */
354 <                        dtmp = alpha2 + omega/(2.0*PI);
355 <                                                        /* gaussian */
356 <                        dtmp = exp((DOT(r->rdir,lr.rdir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
357 <                                                        /* worth using? */
358 <                        if (dtmp > FTINY) {
359 <                                copycolor(ctmp, lr.rcol);
360 <                                dtmp *= tspec * omega;
361 <                                scalecolor(ctmp, dtmp);
362 <                                addcolor(r->rcol, ctmp);
363 <                        }
364 <                }
309 > static
310 > gaussamp(r, np)                 /* sample gaussian specular */
311 > RAY  *r;
312 > register NORMDAT  *np;
313 > {
314 >        RAY  sr;
315 >        FVECT  u, v, h;
316 >        double  rv[2];
317 >        double  d, sinp, cosp;
318 >        register int  i;
319 >                                        /* quick test */
320 >        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) != SP_REFL &&
321 >                        (np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) != SP_TRAN)
322 >                return;
323 >                                        /* set up sample coordinates */
324 >        v[0] = v[1] = v[2] = 0.0;
325 >        for (i = 0; i < 3; i++)
326 >                if (np->pnorm[i] < 0.6 && np->pnorm[i] > -0.6)
327 >                        break;
328 >        v[i] = 1.0;
329 >        fcross(u, v, np->pnorm);
330 >        normalize(u);
331 >        fcross(v, np->pnorm, u);
332 >                                        /* compute reflection */
333 >        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
334 >                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
335 >                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
336 >                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
337 >                multisamp(rv, 2, d);
338 >                d = 2.0*PI * rv[0];
339 >                cosp = cos(d);
340 >                sinp = sin(d);
341 >                rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
342 >                if (rv[1] <= FTINY)
343 >                        d = 1.0;
344 >                else
345 >                        d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
346 >                for (i = 0; i < 3; i++)
347 >                        h[i] = np->pnorm[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
348 >                d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
349 >                for (i = 0; i < 3; i++)
350 >                        sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
351 >                if (DOT(sr.rdir, r->ron) <= FTINY)
352 >                        VCOPY(sr.rdir, np->vrefl);      /* jitter no good */
353 >                rayvalue(&sr);
354 >                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
355 >                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
356 >                ndims--;
357 >        }
358 >                                        /* compute transmission */
359 >        if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
360 >                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
361 >                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
362 >                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
363 >                multisamp(rv, 2, d);
364 >                d = 2.0*PI * rv[0];
365 >                cosp = cos(d);
366 >                sinp = sin(d);
367 >                rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
368 >                if (rv[1] <= FTINY)
369 >                        d = 1.0;
370 >                else
371 >                        d = sqrt( -log(rv[1]) * np->alpha2 );
372 >                for (i = 0; i < 3; i++)
373 >                        sr.rdir[i] = np->prdir[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
374 >                if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY)
375 >                        normalize(sr.rdir);             /* OK, normalize */
376 >                else
377 >                        VCOPY(sr.rdir, np->prdir);      /* else no jitter */
378 >                rayvalue(&sr);
379 >                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
380 >                multcolor(sr.rcol, np->mcolor);         /* modified by color */
381 >                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
382 >                ndims--;
383          }
384   }

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