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

Comparing ray/src/rt/normal.c (file contents):
Revision 1.9 by greg, Wed May 8 08:27:48 1991 UTC vs.
Revision 2.28 by greg, Wed Dec 21 09:51:49 1994 UTC

# Line 1 | Line 1
1 < /* Copyright (c) 1991 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  
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.
23 < *      The computation of specular components has been simplified by
24 < *  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 32 | 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  
37 extern double  exp();
38
51   typedef struct {
52          OBJREC  *mp;            /* material pointer */
53 <        RAY  *pr;               /* intersected ray */
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 */
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 */
# Line 58 | Line 72 | FVECT  ldir;                   /* light source direction */
72   double  omega;                  /* light source size */
73   {
74          double  ldot;
75 <        double  dtmp;
75 >        double  dtmp, d2;
76 >        FVECT  vtmp;
77          COLOR  ctmp;
78  
79          setcolor(cval, 0.0, 0.0, 0.0);
# Line 79 | Line 94 | double  omega;                 /* light source size */
94                  scalecolor(ctmp, dtmp);
95                  addcolor(cval, ctmp);
96          }
97 <        if (ldot > FTINY && np->rspec > FTINY && np->alpha2 > FTINY) {
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 + source */
103 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
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((DOT(np->vrefl,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
115 >                dtmp = exp(-d2/dtmp)/(4.*PI*dtmp);
116                                                  /* worth using? */
117                  if (dtmp > FTINY) {
118                          copycolor(ctmp, np->scolor);
119 <                        dtmp *= omega;
119 >                        dtmp *= omega * sqrt(ldot/np->pdot);
120                          scalecolor(ctmp, dtmp);
121                          addcolor(cval, ctmp);
122                  }
# Line 105 | Line 130 | double  omega;                 /* light source size */
130                  scalecolor(ctmp, dtmp);
131                  addcolor(cval, ctmp);
132          }
133 <        if (ldot < -FTINY && np->tspec > FTINY && np->alpha2 > FTINY) {
133 >        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == SP_TRAN) {
134                  /*
135                   *  Compute specular transmission.  Specular transmission
136 <                 *  is unaffected by material color.
136 >                 *  is always modified by material color.
137                   */
138                                                  /* roughness + source */
139 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
139 >                dtmp = np->alpha2 + omega/PI;
140                                                  /* gaussian */
141 <                dtmp = exp((DOT(np->pr->rdir,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
141 >                dtmp = exp((2.*DOT(np->prdir,ldir)-2.)/dtmp)/(PI*dtmp);
142                                                  /* worth using? */
143                  if (dtmp > FTINY) {
144 <                        dtmp *= np->tspec * omega;
145 <                        setcolor(ctmp, dtmp, dtmp, dtmp);
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 which hit something normal */
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;
133        double  dtmp;
159          COLOR  ctmp;
160          register int  i;
136
137        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
138                objerror(m, USER, "bad # arguments");
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.pr = r;
168 >        nd.rp = r;
169                                                  /* get material color */
170          setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
171                             m->oargs.farg[1],
172                             m->oargs.farg[2]);
173                                                  /* get roughness */
174 +        nd.specfl = 0;
175          nd.alpha2 = m->oargs.farg[4];
176 <        nd.alpha2 *= 2.0 * nd.alpha2;
177 <                                                /* reorient if necessary */
178 <        if (r->rod < 0.0)
179 <                flipsurface(r);
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          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 */
158        r->rt = r->rot;                         /* default ray length */
192          transtest = 0;
193 +        transdist = r->rot;
194                                                  /* get specular component */
195 <        nd.rspec = m->oargs.farg[3];
196 <
163 <        if (nd.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(nd.scolor, nd.mcolor);
200                  else
201                          setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
202                  scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
203 <                                                /* improved model */
204 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*nd.pdot);
205 <                for (i = 0; i < 3; i++)
173 <                        colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
174 <                nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
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                          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 (nd.alpha2 <= FTINY && !(r->crtype & SHADOW)) {
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);
# Line 191 | Line 225 | register RAY  *r;
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                  nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
249                                                  /* transmitted ray */
250 <        if (nd.tspec > FTINY && nd.alpha2 <= FTINY) {
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 <                        if (DOT(r->pert,r->pert) > FTINY*FTINY) {
201 <                                for (i = 0; i < 3; i++) /* perturb direction */
202 <                                        lr.rdir[i] = r->rdir[i] -
203 <                                                        .75*r->pert[i];
204 <                                normalize(lr.rdir);
205 <                        } else
206 <                                transtest = 2;
253 >                        VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
254                          rayvalue(&lr);
255                          scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
256                          multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
# Line 211 | Line 258 | register RAY  *r;
258                          transtest *= bright(lr.rcol);
259                          transdist = r->rot + lr.rt;
260                  }
261 <        }
261 >        } else
262 >                transtest = 0;
263 >
264          if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
265 <                return;
265 >                return(1);
266                                                  /* diffuse reflection */
267          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
268  
269 <        if (nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY && nd.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 +        if (r->ro != NULL && (r->ro->otype == OBJ_FACE ||
273 +                        r->ro->otype == OBJ_RING))
274 +                nd.specfl |= SP_FLAT;
275 +
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.alpha2 <= FTINY)
226 <                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
227 <                else
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                  ambient(ctmp, r);
291 <                if (nd.alpha2 <= FTINY)
236 <                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
237 <                else
291 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
292                          scalecolor(ctmp, nd.trans);
293 <                multcolor(ctmp, nd.mcolor);
293 >                else
294 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
295 >                multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
296                  addcolor(r->rcol, ctmp);
297                  flipsurface(r);
298          }
# Line 245 | Line 301 | register RAY  *r;
301                                          /* check distance */
302          if (transtest > bright(r->rcol))
303                  r->rt = transdist;
304 +
305 +        return(1);
306 + }
307 +
308 +
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   }

Diff Legend

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+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines