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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 2.34 by greg, Wed Apr 24 15:47:27 1996 UTC

# Line 1 | Line 1
1 < /* Copyright (c) 1991 Regents of the University of California */
1 > /* Copyright (c) 1996 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 + #ifndef  MAXITER
29 + #define  MAXITER        10              /* maximum # specular ray attempts */
30 + #endif
31 +
32 + static  gaussamp();
33 +
34   /*
35 < *      This routine uses portions of the reflection
36 < *  model described by Cook and Torrance.
23 < *      The computation of specular components has been simplified by
24 < *  numerous approximations and ommisions to improve speed.
35 > *      This routine implements the isotropic Gaussian
36 > *  model described by Ward in Siggraph `92 article.
37   *      We orient the surface towards the incoming ray, so a single
38   *  surface can be used to represent an infinitely thin object.
39   *
# Line 32 | Line 44 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
44   *      red     grn     blu     rspec   rough   trans   tspec
45   */
46  
47 < #define  BSPEC(m)       (6.0)           /* specularity parameter b */
47 >                                /* specularity flags */
48 > #define  SP_REFL        01              /* has reflected specular component */
49 > #define  SP_TRAN        02              /* has transmitted specular */
50 > #define  SP_PURE        04              /* purely specular (zero roughness) */
51 > #define  SP_FLAT        010             /* flat reflecting surface */
52 > #define  SP_RBLT        020             /* reflection below sample threshold */
53 > #define  SP_TBLT        040             /* transmission below threshold */
54  
37 extern double  exp();
38
55   typedef struct {
56          OBJREC  *mp;            /* material pointer */
57 <        RAY  *pr;               /* intersected ray */
57 >        RAY  *rp;               /* ray pointer */
58 >        short  specfl;          /* specularity flags, defined above */
59          COLOR  mcolor;          /* color of this material */
60          COLOR  scolor;          /* color of specular component */
61          FVECT  vrefl;           /* vector in direction of reflected ray */
62 <        double  alpha2;         /* roughness squared times 2 */
62 >        FVECT  prdir;           /* vector in transmitted direction */
63 >        double  alpha2;         /* roughness squared */
64          double  rdiff, rspec;   /* reflected specular, diffuse */
65          double  trans;          /* transmissivity */
66          double  tdiff, tspec;   /* transmitted specular, diffuse */
# Line 58 | Line 76 | FVECT  ldir;                   /* light source direction */
76   double  omega;                  /* light source size */
77   {
78          double  ldot;
79 <        double  dtmp;
79 >        double  dtmp, d2;
80 >        FVECT  vtmp;
81          COLOR  ctmp;
82  
83          setcolor(cval, 0.0, 0.0, 0.0);
# Line 79 | Line 98 | double  omega;                 /* light source size */
98                  scalecolor(ctmp, dtmp);
99                  addcolor(cval, ctmp);
100          }
101 <        if (ldot > FTINY && np->rspec > FTINY && np->alpha2 > FTINY) {
101 >        if (ldot > FTINY && (np->specfl&(SP_REFL|SP_PURE)) == SP_REFL) {
102                  /*
103                   *  Compute specular reflection coefficient using
104                   *  gaussian distribution model.
105                   */
106 <                                                /* roughness + source */
107 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
106 >                                                /* roughness */
107 >                dtmp = np->alpha2;
108 >                                                /* + source if flat */
109 >                if (np->specfl & SP_FLAT)
110 >                        dtmp += omega/(4.0*PI);
111 >                                                /* half vector */
112 >                vtmp[0] = ldir[0] - np->rp->rdir[0];
113 >                vtmp[1] = ldir[1] - np->rp->rdir[1];
114 >                vtmp[2] = ldir[2] - np->rp->rdir[2];
115 >                d2 = DOT(vtmp, np->pnorm);
116 >                d2 *= d2;
117 >                d2 = (DOT(vtmp,vtmp) - d2) / d2;
118                                                  /* gaussian */
119 <                dtmp = exp((DOT(np->vrefl,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
119 >                dtmp = exp(-d2/dtmp)/(4.*PI*dtmp);
120                                                  /* worth using? */
121                  if (dtmp > FTINY) {
122                          copycolor(ctmp, np->scolor);
123 <                        dtmp *= omega;
123 >                        dtmp *= omega * sqrt(ldot/np->pdot);
124                          scalecolor(ctmp, dtmp);
125                          addcolor(cval, ctmp);
126                  }
# Line 105 | Line 134 | double  omega;                 /* light source size */
134                  scalecolor(ctmp, dtmp);
135                  addcolor(cval, ctmp);
136          }
137 <        if (ldot < -FTINY && np->tspec > FTINY && np->alpha2 > FTINY) {
137 >        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == SP_TRAN) {
138                  /*
139                   *  Compute specular transmission.  Specular transmission
140 <                 *  is unaffected by material color.
140 >                 *  is always modified by material color.
141                   */
142                                                  /* roughness + source */
143 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
143 >                dtmp = np->alpha2 + omega/PI;
144                                                  /* gaussian */
145 <                dtmp = exp((DOT(np->pr->rdir,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
145 >                dtmp = exp((2.*DOT(np->prdir,ldir)-2.)/dtmp)/(PI*dtmp);
146                                                  /* worth using? */
147                  if (dtmp > FTINY) {
148 <                        dtmp *= np->tspec * omega;
149 <                        setcolor(ctmp, dtmp, dtmp, dtmp);
148 >                        copycolor(ctmp, np->mcolor);
149 >                        dtmp *= np->tspec * omega * sqrt(-ldot/np->pdot);
150 >                        scalecolor(ctmp, dtmp);
151                          addcolor(cval, ctmp);
152                  }
153          }
154   }
155  
156  
157 < m_normal(m, r)                  /* color a ray which hit something normal */
157 > m_normal(m, r)                  /* color a ray that hit something normal */
158   register OBJREC  *m;
159   register RAY  *r;
160   {
161          NORMDAT  nd;
162          double  transtest, transdist;
163 <        double  dtmp;
163 >        double  mirtest, mirdist;
164 >        int     hastexture;
165 >        double  d;
166          COLOR  ctmp;
167          register int  i;
136
137        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
138                objerror(m, USER, "bad # arguments");
168                                                  /* easy shadow test */
169          if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS)
170 <                return;
170 >                return(1);
171 >
172 >        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
173 >                objerror(m, USER, "bad number of arguments");
174 >                                                /* check for back side */
175 >        if (r->rod < 0.0) {
176 >                if (!backvis && m->otype != MAT_TRANS) {
177 >                        raytrans(r);
178 >                        return(1);
179 >                }
180 >                flipsurface(r);                 /* reorient if backvis */
181 >        }
182          nd.mp = m;
183 <        nd.pr = r;
183 >        nd.rp = r;
184                                                  /* get material color */
185          setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
186                             m->oargs.farg[1],
187                             m->oargs.farg[2]);
188                                                  /* get roughness */
189 +        nd.specfl = 0;
190          nd.alpha2 = m->oargs.farg[4];
191 <        nd.alpha2 *= 2.0 * nd.alpha2;
192 <                                                /* reorient if necessary */
193 <        if (r->rod < 0.0)
194 <                flipsurface(r);
191 >        if ((nd.alpha2 *= nd.alpha2) <= FTINY)
192 >                nd.specfl |= SP_PURE;
193 >        if (r->ro != NULL && isflat(r->ro->otype))
194 >                nd.specfl |= SP_FLAT;
195                                                  /* get modifiers */
196          raytexture(r, m->omod);
197 <        nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
197 >        if (hastexture = DOT(r->pert,r->pert) > FTINY*FTINY)
198 >                nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
199 >        else {
200 >                VCOPY(nd.pnorm, r->ron);
201 >                nd.pdot = r->rod;
202 >        }
203 >        if (nd.pdot < .001)
204 >                nd.pdot = .001;                 /* non-zero for dirnorm() */
205          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
206 <        r->rt = r->rot;                         /* default ray length */
207 <        transtest = 0;
160 <                                                /* get specular component */
206 >        mirtest = transtest = 0;
207 >        mirdist = transdist = r->rot;
208          nd.rspec = m->oargs.farg[3];
209 +                                                /* compute transmission */
210 +        if (m->otype == MAT_TRANS) {
211 +                nd.trans = m->oargs.farg[5]*(1.0 - nd.rspec);
212 +                nd.tspec = nd.trans * m->oargs.farg[6];
213 +                nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
214 +                if (nd.tspec > FTINY) {
215 +                        nd.specfl |= SP_TRAN;
216 +                                                        /* check threshold */
217 +                        if (!(nd.specfl & SP_PURE) &&
218 +                                        specthresh >= nd.tspec-FTINY)
219 +                                nd.specfl |= SP_TBLT;
220 +                        if (!hastexture || r->crtype & SHADOW) {
221 +                                VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
222 +                                transtest = 2;
223 +                        } else {
224 +                                for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
225 +                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
226 +                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
227 +                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
228 +                                else
229 +                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
230 +                        }
231 +                }
232 +        } else
233 +                nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
234 +                                                /* transmitted ray */
235 +        if (nd.specfl&SP_TRAN && (nd.specfl&SP_PURE || r->crtype&SHADOW)) {
236 +                RAY  lr;
237 +                if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
238 +                        VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
239 +                        rayvalue(&lr);
240 +                        scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
241 +                        multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
242 +                        addcolor(r->rcol, lr.rcol);
243 +                        transtest *= bright(lr.rcol);
244 +                        transdist = r->rot + lr.rt;
245 +                }
246 +        } else
247 +                transtest = 0;
248  
249 <        if (nd.rspec > FTINY) {                 /* has specular component */
249 >        if (r->crtype & SHADOW) {               /* the rest is shadow */
250 >                r->rt = transdist;
251 >                return(1);
252 >        }
253 >                                                /* get specular reflection */
254 >        if (nd.rspec > FTINY) {
255 >                nd.specfl |= SP_REFL;
256                                                  /* compute specular color */
257                  if (m->otype == MAT_METAL)
258                          copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
259                  else
260                          setcolor(nd.scolor, 1.0, 1.0, 1.0);
261                  scalecolor(nd.scolor, nd.rspec);
262 <                                                /* improved model */
263 <                dtmp = exp(-BSPEC(m)*nd.pdot);
264 <                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;
262 >                                                /* check threshold */
263 >                if (!(nd.specfl & SP_PURE) && specthresh >= nd.rspec-FTINY)
264 >                        nd.specfl |= SP_RBLT;
265                                                  /* compute reflected ray */
266                  for (i = 0; i < 3; i++)
267 <                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
267 >                        nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*nd.pdot*nd.pnorm[i];
268 >                                                /* penetration? */
269 >                if (hastexture && DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)
270 >                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
271 >                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
272  
273 <                if (nd.alpha2 <= FTINY && !(r->crtype & SHADOW)) {
273 >                if (!(r->crtype & SHADOW) && nd.specfl & SP_PURE) {
274                          RAY  lr;
275                          if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
276                                  VCOPY(lr.rdir, nd.vrefl);
277                                  rayvalue(&lr);
278                                  multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
279                                  addcolor(r->rcol, lr.rcol);
280 +                                if (!hastexture && nd.specfl & SP_FLAT) {
281 +                                        mirtest = 2.*bright(lr.rcol);
282 +                                        mirdist = r->rot + lr.rt;
283 +                                }
284                          }
285                  }
286          }
189                                                /* compute transmission */
190        if (m->otype == MAT_TRANS) {
191                nd.trans = m->oargs.farg[5]*(1.0 - nd.rspec);
192                nd.tspec = nd.trans * m->oargs.farg[6];
193                nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
194        } else
195                nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
196                                                /* transmitted ray */
197        if (nd.tspec > FTINY && nd.alpha2 <= FTINY) {
198                RAY  lr;
199                if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
200                        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;
207                        rayvalue(&lr);
208                        scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
209                        multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
210                        addcolor(r->rcol, lr.rcol);
211                        transtest *= bright(lr.rcol);
212                        transdist = r->rot + lr.rt;
213                }
214        }
215        if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
216                return;
287                                                  /* diffuse reflection */
288          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
289  
290 <        if (nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY && nd.alpha2 <= FTINY)
291 <                return;                         /* purely specular */
290 >        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
291 >                return(1);                      /* 100% pure specular */
292  
293 +        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_PURE))
294 +                gaussamp(r, &nd);
295 +
296          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
297 <                ambient(ctmp, r);
298 <                if (nd.alpha2 <= FTINY)
226 <                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
227 <                else
297 >                ambient(ctmp, r, hastexture?nd.pnorm:r->ron);
298 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
299                          scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
300 +                else
301 +                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
302                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
303                  addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
304          }
305          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
306                  flipsurface(r);
307 <                ambient(ctmp, r);
308 <                if (nd.alpha2 <= FTINY)
309 <                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
310 <                else
307 >                if (hastexture) {
308 >                        FVECT  bnorm;
309 >                        bnorm[0] = -nd.pnorm[0];
310 >                        bnorm[1] = -nd.pnorm[1];
311 >                        bnorm[2] = -nd.pnorm[2];
312 >                        ambient(ctmp, r, bnorm);
313 >                } else
314 >                        ambient(ctmp, r, r->ron);
315 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
316                          scalecolor(ctmp, nd.trans);
317 <                multcolor(ctmp, nd.mcolor);
317 >                else
318 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
319 >                multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
320                  addcolor(r->rcol, ctmp);
321                  flipsurface(r);
322          }
323                                          /* add direct component */
324          direct(r, dirnorm, &nd);
325                                          /* check distance */
326 <        if (transtest > bright(r->rcol))
326 >        d = bright(r->rcol);
327 >        if (transtest > d)
328                  r->rt = transdist;
329 +        else if (mirtest > d)
330 +                r->rt = mirdist;
331 +
332 +        return(1);
333 + }
334 +
335 +
336 + static
337 + gaussamp(r, np)                 /* sample gaussian specular */
338 + RAY  *r;
339 + register NORMDAT  *np;
340 + {
341 +        RAY  sr;
342 +        FVECT  u, v, h;
343 +        double  rv[2];
344 +        double  d, sinp, cosp;
345 +        int  niter;
346 +        register int  i;
347 +                                        /* quick test */
348 +        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) != SP_REFL &&
349 +                        (np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) != SP_TRAN)
350 +                return;
351 +                                        /* set up sample coordinates */
352 +        v[0] = v[1] = v[2] = 0.0;
353 +        for (i = 0; i < 3; i++)
354 +                if (np->pnorm[i] < 0.6 && np->pnorm[i] > -0.6)
355 +                        break;
356 +        v[i] = 1.0;
357 +        fcross(u, v, np->pnorm);
358 +        normalize(u);
359 +        fcross(v, np->pnorm, u);
360 +                                        /* compute reflection */
361 +        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
362 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
363 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
364 +                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
365 +                        if (niter)
366 +                                d = frandom();
367 +                        else
368 +                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
369 +                        multisamp(rv, 2, d);
370 +                        d = 2.0*PI * rv[0];
371 +                        cosp = cos(d);
372 +                        sinp = sin(d);
373 +                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
374 +                        if (rv[1] <= FTINY)
375 +                                d = 1.0;
376 +                        else
377 +                                d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
378 +                        for (i = 0; i < 3; i++)
379 +                                h[i] = np->pnorm[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
380 +                        d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
381 +                        for (i = 0; i < 3; i++)
382 +                                sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
383 +                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) > FTINY) {
384 +                                rayvalue(&sr);
385 +                                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
386 +                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
387 +                                break;
388 +                        }
389 +                }
390 +                ndims--;
391 +        }
392 +                                        /* compute transmission */
393 +        if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
394 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
395 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
396 +                for (niter = 0; niter < MAXITER; niter++) {
397 +                        if (niter)
398 +                                d = frandom();
399 +                        else
400 +                                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
401 +                        multisamp(rv, 2, d);
402 +                        d = 2.0*PI * rv[0];
403 +                        cosp = cos(d);
404 +                        sinp = sin(d);
405 +                        rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
406 +                        if (rv[1] <= FTINY)
407 +                                d = 1.0;
408 +                        else
409 +                                d = sqrt( -log(rv[1]) * np->alpha2 );
410 +                        for (i = 0; i < 3; i++)
411 +                                sr.rdir[i] = np->prdir[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
412 +                        if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY) {
413 +                                normalize(sr.rdir);     /* OK, normalize */
414 +                                rayvalue(&sr);
415 +                                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
416 +                                multcolor(sr.rcol, np->mcolor); /* modified */
417 +                                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
418 +                                break;
419 +                        }
420 +                }
421 +                ndims--;
422 +        }
423   }

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