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

Comparing ray/src/rt/normal.c (file contents):
Revision 1.5 by greg, Tue Mar 27 11:40:02 1990 UTC vs.
Revision 2.22 by greg, Fri Oct 16 10:20:29 1992 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  
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   /*
27 < *      This routine uses portions of the reflection
28 < *  model described by Cook and Torrance.
23 < *      The computation of specular components has been simplified by
24 < *  numerous approximations and ommisions to improve speed.
27 > *      This routine implements the isotropic Gaussian
28 > *  model described by Ward in Siggraph `92 article.
29   *      We orient the surface towards the incoming ray, so a single
30   *  surface can be used to represent an infinitely thin object.
31   *
# Line 34 | Line 38 | static char SCCSid[] = "$SunId$ LBL";
38  
39   #define  BSPEC(m)       (6.0)           /* specularity parameter b */
40  
41 < extern double  exp();
41 >                                /* specularity flags */
42 > #define  SP_REFL        01              /* has reflected specular component */
43 > #define  SP_TRAN        02              /* has transmitted specular */
44 > #define  SP_PURE        04              /* purely specular (zero roughness) */
45 > #define  SP_FLAT        010             /* flat reflecting surface */
46 > #define  SP_RBLT        020             /* reflection below sample threshold */
47 > #define  SP_TBLT        040             /* transmission below threshold */
48  
49   typedef struct {
50          OBJREC  *mp;            /* material pointer */
51 <        RAY  *pr;               /* intersected ray */
51 >        RAY  *rp;               /* ray pointer */
52 >        short  specfl;          /* specularity flags, defined above */
53          COLOR  mcolor;          /* color of this material */
54          COLOR  scolor;          /* color of specular component */
55          FVECT  vrefl;           /* vector in direction of reflected ray */
56 <        double  alpha2;         /* roughness squared times 2 */
56 >        FVECT  prdir;           /* vector in transmitted direction */
57 >        double  alpha2;         /* roughness squared */
58          double  rdiff, rspec;   /* reflected specular, diffuse */
59          double  trans;          /* transmissivity */
60          double  tdiff, tspec;   /* transmitted specular, diffuse */
# Line 58 | Line 70 | FVECT  ldir;                   /* light source direction */
70   double  omega;                  /* light source size */
71   {
72          double  ldot;
73 <        double  dtmp;
73 >        double  dtmp, d2;
74 >        FVECT  vtmp;
75          COLOR  ctmp;
76  
77          setcolor(cval, 0.0, 0.0, 0.0);
# Line 79 | Line 92 | double  omega;                 /* light source size */
92                  scalecolor(ctmp, dtmp);
93                  addcolor(cval, ctmp);
94          }
95 <        if (ldot > FTINY && np->rspec > FTINY && np->alpha2 > FTINY) {
95 >        if (ldot > FTINY && (np->specfl&(SP_REFL|SP_PURE)) == SP_REFL) {
96                  /*
97                   *  Compute specular reflection coefficient using
98                   *  gaussian distribution model.
99                   */
100 <                                                /* roughness + source */
101 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
100 >                                                /* roughness */
101 >                dtmp = np->alpha2;
102 >                                                /* + source if flat */
103 >                if (np->specfl & SP_FLAT)
104 >                        dtmp += omega/(4.0*PI);
105 >                                                /* delta */
106 >                vtmp[0] = ldir[0] - np->rp->rdir[0];
107 >                vtmp[1] = ldir[1] - np->rp->rdir[1];
108 >                vtmp[2] = ldir[2] - np->rp->rdir[2];
109 >                d2 = DOT(vtmp, np->pnorm);
110 >                d2 = 2.0 - 2.0*d2/sqrt(DOT(vtmp,vtmp));
111                                                  /* gaussian */
112 <                dtmp = exp((DOT(np->vrefl,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
112 >                dtmp = exp(-d2/dtmp)/(4.*PI*dtmp);
113                                                  /* worth using? */
114                  if (dtmp > FTINY) {
115                          copycolor(ctmp, np->scolor);
116 <                        dtmp *= omega;
116 >                        dtmp *= omega * sqrt(ldot/np->pdot);
117                          scalecolor(ctmp, dtmp);
118                          addcolor(cval, ctmp);
119                  }
# Line 105 | Line 127 | double  omega;                 /* light source size */
127                  scalecolor(ctmp, dtmp);
128                  addcolor(cval, ctmp);
129          }
130 <        if (ldot < -FTINY && np->tspec > FTINY && np->alpha2 > FTINY) {
130 >        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == SP_TRAN) {
131                  /*
132                   *  Compute specular transmission.  Specular transmission
133 <                 *  is unaffected by material color.
133 >                 *  is always modified by material color.
134                   */
135                                                  /* roughness + source */
136 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
136 >                dtmp = np->alpha2 + omega/PI;
137                                                  /* gaussian */
138 <                dtmp = exp((DOT(np->pr->rdir,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
138 >                dtmp = exp((2.*DOT(np->prdir,ldir)-2.)/dtmp)/(PI*dtmp);
139                                                  /* worth using? */
140                  if (dtmp > FTINY) {
141 <                        dtmp *= np->tspec * omega;
142 <                        setcolor(ctmp, dtmp, dtmp, dtmp);
141 >                        copycolor(ctmp, np->mcolor);
142 >                        dtmp *= np->tspec * omega * sqrt(-ldot/np->pdot);
143 >                        scalecolor(ctmp, dtmp);
144                          addcolor(cval, ctmp);
145                  }
146          }
147   }
148  
149  
150 < m_normal(m, r)                  /* color a ray which hit something normal */
150 > m_normal(m, r)                  /* color a ray that hit something normal */
151   register OBJREC  *m;
152   register RAY  *r;
153   {
154          NORMDAT  nd;
155 <        double  ldot;
133 <        double  omega;
155 >        double  transtest, transdist;
156          double  dtmp;
157          COLOR  ctmp;
158          register int  i;
137
138        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
139                objerror(m, USER, "bad # arguments");
159                                                  /* easy shadow test */
160          if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS)
161                  return;
162 +
163 +        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
164 +                objerror(m, USER, "bad number of arguments");
165          nd.mp = m;
166 <        nd.pr = r;
166 >        nd.rp = r;
167                                                  /* get material color */
168          setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
169                             m->oargs.farg[1],
170                             m->oargs.farg[2]);
171                                                  /* get roughness */
172 +        nd.specfl = 0;
173          nd.alpha2 = m->oargs.farg[4];
174 <        nd.alpha2 *= 2.0 * nd.alpha2;
174 >        if ((nd.alpha2 *= nd.alpha2) <= FTINY)
175 >                nd.specfl |= SP_PURE;
176                                                  /* reorient if necessary */
177          if (r->rod < 0.0)
178                  flipsurface(r);
179                                                  /* get modifiers */
180          raytexture(r, m->omod);
181          nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
182 +        if (nd.pdot < .001)
183 +                nd.pdot = .001;                 /* non-zero for dirnorm() */
184          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
185 <        r->rt = r->rot;                         /* default ray length */
185 >        transtest = 0;
186                                                  /* get specular component */
187 <        nd.rspec = m->oargs.farg[3];
188 <
163 <        if (nd.rspec > FTINY) {                 /* has specular component */
187 >        if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
188 >                nd.specfl |= SP_REFL;
189                                                  /* compute specular color */
190                  if (m->otype == MAT_METAL)
191                          copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
# Line 172 | Line 197 | register RAY  *r;
197                  for (i = 0; i < 3; i++)
198                          colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
199                  nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
200 +                                                /* check threshold */
201 +                if (!(nd.specfl & SP_PURE) &&
202 +                                specthresh > FTINY &&
203 +                                (specthresh >= 1.-FTINY ||
204 +                                specthresh + .05 - .1*frandom() > nd.rspec))
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);
217                                  rayvalue(&lr);
218                                  multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
219                                  addcolor(r->rcol, lr.rcol);
186                                if (nd.rspec > 0.5 && m->omod == OVOID)
187                                        r->rt = r->rot + lr.rt;
220                          }
221                  }
222          }
# Line 193 | 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) && specthresh > FTINY &&
232 +                                        (specthresh >= 1.-FTINY ||
233 +                                specthresh + .05 - .1*frandom() > nd.tspec))
234 +                                nd.specfl |= SP_TBLT;
235 +                        if (r->crtype & SHADOW ||
236 +                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
237 +                                VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
238 +                                transtest = 2;
239 +                        } else {
240 +                                for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
241 +                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
242 +                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
243 +                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
244 +                                else
245 +                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
246 +                        }
247 +                }
248          } else
249                  nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
250                                                  /* transmitted ray */
251 <        if (nd.tspec > FTINY && nd.alpha2 <= FTINY) {
251 >        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
252                  RAY  lr;
253                  if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
254 <                        VCOPY(lr.rdir, r->rdir);
254 >                        VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
255                          rayvalue(&lr);
256                          scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
257 +                        multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
258                          addcolor(r->rcol, lr.rcol);
259 <                        if (nd.tspec > .5)
260 <                                r->rt = r->rot + lr.rt;
259 >                        transtest *= bright(lr.rcol);
260 >                        transdist = r->rot + lr.rt;
261                  }
262 <        }
262 >        } else
263 >                transtest = 0;
264 >
265          if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
266                  return;
267                                                  /* diffuse reflection */
268          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
269  
270 <        if (nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY && nd.alpha2 <= FTINY)
271 <                return;                         /* purely specular */
270 >        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
271 >                return;                         /* 100% pure specular */
272  
273 +        if (r->ro != NULL && (r->ro->otype == OBJ_FACE ||
274 +                        r->ro->otype == OBJ_RING))
275 +                nd.specfl |= SP_FLAT;
276 +
277 +        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_PURE))
278 +                gaussamp(r, &nd);
279 +
280          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
281                  ambient(ctmp, r);
282 <                if (nd.alpha2 <= FTINY)
221 <                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
222 <                else
282 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
283                          scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
284 +                else
285 +                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
286                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
287                  addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
288          }
289          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
290                  flipsurface(r);
291                  ambient(ctmp, r);
292 <                if (nd.alpha2 <= FTINY)
231 <                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
232 <                else
292 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
293                          scalecolor(ctmp, nd.trans);
294 <                multcolor(ctmp, nd.mcolor);
294 >                else
295 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
296 >                multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
297                  addcolor(r->rcol, ctmp);
298                  flipsurface(r);
299          }
300                                          /* add direct component */
301          direct(r, dirnorm, &nd);
302 +                                        /* check distance */
303 +        if (transtest > bright(r->rcol))
304 +                r->rt = transdist;
305 + }
306 +
307 +
308 + static
309 + gaussamp(r, np)                 /* sample gaussian specular */
310 + RAY  *r;
311 + register NORMDAT  *np;
312 + {
313 +        RAY  sr;
314 +        FVECT  u, v, h;
315 +        double  rv[2];
316 +        double  d, sinp, cosp;
317 +        register int  i;
318 +                                        /* quick test */
319 +        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) != SP_REFL &&
320 +                        (np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) != SP_TRAN)
321 +                return;
322 +                                        /* set up sample coordinates */
323 +        v[0] = v[1] = v[2] = 0.0;
324 +        for (i = 0; i < 3; i++)
325 +                if (np->pnorm[i] < 0.6 && np->pnorm[i] > -0.6)
326 +                        break;
327 +        v[i] = 1.0;
328 +        fcross(u, v, np->pnorm);
329 +        normalize(u);
330 +        fcross(v, np->pnorm, u);
331 +                                        /* compute reflection */
332 +        if ((np->specfl & (SP_REFL|SP_RBLT)) == SP_REFL &&
333 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->rspec) == 0) {
334 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
335 +                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+samplendx);
336 +                multisamp(rv, 2, d);
337 +                d = 2.0*PI * rv[0];
338 +                cosp = cos(d);
339 +                sinp = sin(d);
340 +                rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
341 +                if (rv[1] <= FTINY)
342 +                        d = 1.0;
343 +                else
344 +                        d = sqrt( np->alpha2 * -log(rv[1]) );
345 +                for (i = 0; i < 3; i++)
346 +                        h[i] = np->pnorm[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
347 +                d = -2.0 * DOT(h, r->rdir) / (1.0 + d*d);
348 +                for (i = 0; i < 3; i++)
349 +                        sr.rdir[i] = r->rdir[i] + d*h[i];
350 +                if (DOT(sr.rdir, r->ron) <= FTINY)
351 +                        VCOPY(sr.rdir, np->vrefl);      /* jitter no good */
352 +                rayvalue(&sr);
353 +                multcolor(sr.rcol, np->scolor);
354 +                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
355 +                ndims--;
356 +        }
357 +                                        /* compute transmission */
358 +        if ((np->specfl & (SP_TRAN|SP_TBLT)) == SP_TRAN &&
359 +                        rayorigin(&sr, r, SPECULAR, np->tspec) == 0) {
360 +                dimlist[ndims++] = (int)np->mp;
361 +                d = urand(ilhash(dimlist,ndims)+1823+samplendx);
362 +                multisamp(rv, 2, d);
363 +                d = 2.0*PI * rv[0];
364 +                cosp = cos(d);
365 +                sinp = sin(d);
366 +                rv[1] = 1.0 - specjitter*rv[1];
367 +                if (rv[1] <= FTINY)
368 +                        d = 1.0;
369 +                else
370 +                        d = sqrt( -log(rv[1]) * np->alpha2 );
371 +                for (i = 0; i < 3; i++)
372 +                        sr.rdir[i] = np->prdir[i] + d*(cosp*u[i] + sinp*v[i]);
373 +                if (DOT(sr.rdir, r->ron) < -FTINY)
374 +                        normalize(sr.rdir);             /* OK, normalize */
375 +                else
376 +                        VCOPY(sr.rdir, np->prdir);      /* else no jitter */
377 +                rayvalue(&sr);
378 +                scalecolor(sr.rcol, np->tspec);
379 +                multcolor(sr.rcol, np->mcolor);         /* modified by color */
380 +                addcolor(r->rcol, sr.rcol);
381 +                ndims--;
382 +        }
383   }

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+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines