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

Comparing ray/src/rt/normal.c (file contents):
Revision 1.6 by greg, Tue Jun 26 09:00:10 1990 UTC vs.
Revision 2.23 by greg, Fri Feb 12 10:41:02 1993 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 >                                                /* half vector */
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 *= d2;
111 >                d2 = (DOT(vtmp,vtmp) - d2) / d2;
112                                                  /* gaussian */
113 <                dtmp = exp((DOT(np->vrefl,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
113 >                dtmp = exp(-d2/dtmp)/(4.*PI*dtmp);
114                                                  /* worth using? */
115                  if (dtmp > FTINY) {
116                          copycolor(ctmp, np->scolor);
117 <                        dtmp *= omega;
117 >                        dtmp *= omega * sqrt(ldot/np->pdot);
118                          scalecolor(ctmp, dtmp);
119                          addcolor(cval, ctmp);
120                  }
# Line 105 | Line 128 | double  omega;                 /* light source size */
128                  scalecolor(ctmp, dtmp);
129                  addcolor(cval, ctmp);
130          }
131 <        if (ldot < -FTINY && np->tspec > FTINY && np->alpha2 > FTINY) {
131 >        if (ldot < -FTINY && (np->specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == SP_TRAN) {
132                  /*
133                   *  Compute specular transmission.  Specular transmission
134 <                 *  is unaffected by material color.
134 >                 *  is always modified by material color.
135                   */
136                                                  /* roughness + source */
137 <                dtmp = np->alpha2 + omega/(2.0*PI);
137 >                dtmp = np->alpha2 + omega/PI;
138                                                  /* gaussian */
139 <                dtmp = exp((DOT(np->pr->rdir,ldir)-1.)/dtmp)/(2.*PI)/dtmp;
139 >                dtmp = exp((2.*DOT(np->prdir,ldir)-2.)/dtmp)/(PI*dtmp);
140                                                  /* worth using? */
141                  if (dtmp > FTINY) {
142 <                        dtmp *= np->tspec * omega;
143 <                        setcolor(ctmp, dtmp, dtmp, dtmp);
142 >                        copycolor(ctmp, np->mcolor);
143 >                        dtmp *= np->tspec * omega * sqrt(-ldot/np->pdot);
144 >                        scalecolor(ctmp, dtmp);
145                          addcolor(cval, ctmp);
146                  }
147          }
148   }
149  
150  
151 < m_normal(m, r)                  /* color a ray which hit something normal */
151 > m_normal(m, r)                  /* color a ray that hit something normal */
152   register OBJREC  *m;
153   register RAY  *r;
154   {
155          NORMDAT  nd;
156 +        double  transtest, transdist;
157          double  dtmp;
158          COLOR  ctmp;
159          register int  i;
135
136        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
137                objerror(m, USER, "bad # arguments");
160                                                  /* easy shadow test */
161          if (r->crtype & SHADOW && m->otype != MAT_TRANS)
162                  return;
163 +
164 +        if (m->oargs.nfargs != (m->otype == MAT_TRANS ? 7 : 5))
165 +                objerror(m, USER, "bad number of arguments");
166          nd.mp = m;
167 <        nd.pr = r;
167 >        nd.rp = r;
168                                                  /* get material color */
169          setcolor(nd.mcolor, m->oargs.farg[0],
170                             m->oargs.farg[1],
171                             m->oargs.farg[2]);
172                                                  /* get roughness */
173 +        nd.specfl = 0;
174          nd.alpha2 = m->oargs.farg[4];
175 <        nd.alpha2 *= 2.0 * nd.alpha2;
175 >        if ((nd.alpha2 *= nd.alpha2) <= FTINY)
176 >                nd.specfl |= SP_PURE;
177                                                  /* reorient if necessary */
178          if (r->rod < 0.0)
179                  flipsurface(r);
180                                                  /* get modifiers */
181          raytexture(r, m->omod);
182          nd.pdot = raynormal(nd.pnorm, r);       /* perturb normal */
183 +        if (nd.pdot < .001)
184 +                nd.pdot = .001;                 /* non-zero for dirnorm() */
185          multcolor(nd.mcolor, r->pcol);          /* modify material color */
186 <        r->rt = r->rot;                         /* default ray length */
186 >        transtest = 0;
187                                                  /* get specular component */
188 <        nd.rspec = m->oargs.farg[3];
189 <
161 <        if (nd.rspec > FTINY) {                 /* has specular component */
188 >        if ((nd.rspec = m->oargs.farg[3]) > FTINY) {
189 >                nd.specfl |= SP_REFL;
190                                                  /* compute specular color */
191                  if (m->otype == MAT_METAL)
192                          copycolor(nd.scolor, nd.mcolor);
# Line 170 | Line 198 | register RAY  *r;
198                  for (i = 0; i < 3; i++)
199                          colval(nd.scolor,i) += (1.0-colval(nd.scolor,i))*dtmp;
200                  nd.rspec += (1.0-nd.rspec)*dtmp;
201 +                                                /* check threshold */
202 +                if (!(nd.specfl & SP_PURE) &&
203 +                                specthresh > FTINY &&
204 +                                (specthresh >= 1.-FTINY ||
205 +                                specthresh + .05 - .1*frandom() > nd.rspec))
206 +                        nd.specfl |= SP_RBLT;
207                                                  /* compute reflected ray */
208                  for (i = 0; i < 3; i++)
209                          nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.0*nd.pdot*nd.pnorm[i];
210 +                if (DOT(nd.vrefl, r->ron) <= FTINY)     /* penetration? */
211 +                        for (i = 0; i < 3; i++)         /* safety measure */
212 +                                nd.vrefl[i] = r->rdir[i] + 2.*r->rod*r->ron[i];
213  
214 <                if (nd.alpha2 <= FTINY && !(r->crtype & SHADOW)) {
214 >                if (!(r->crtype & SHADOW) && nd.specfl & SP_PURE) {
215                          RAY  lr;
216                          if (rayorigin(&lr, r, REFLECTED, nd.rspec) == 0) {
217                                  VCOPY(lr.rdir, nd.vrefl);
218                                  rayvalue(&lr);
219                                  multcolor(lr.rcol, nd.scolor);
220                                  addcolor(r->rcol, lr.rcol);
184                                if (nd.rspec > 0.5 && m->omod == OVOID)
185                                        r->rt = r->rot + lr.rt;
221                          }
222                  }
223          }
# Line 191 | Line 226 | register RAY  *r;
226                  nd.trans = m->oargs.farg[5]*(1.0 - nd.rspec);
227                  nd.tspec = nd.trans * m->oargs.farg[6];
228                  nd.tdiff = nd.trans - nd.tspec;
229 +                if (nd.tspec > FTINY) {
230 +                        nd.specfl |= SP_TRAN;
231 +                                                        /* check threshold */
232 +                        if (!(nd.specfl & SP_PURE) && specthresh > FTINY &&
233 +                                        (specthresh >= 1.-FTINY ||
234 +                                specthresh + .05 - .1*frandom() > nd.tspec))
235 +                                nd.specfl |= SP_TBLT;
236 +                        if (r->crtype & SHADOW ||
237 +                                        DOT(r->pert,r->pert) <= FTINY*FTINY) {
238 +                                VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
239 +                                transtest = 2;
240 +                        } else {
241 +                                for (i = 0; i < 3; i++)         /* perturb */
242 +                                        nd.prdir[i] = r->rdir[i] - r->pert[i];
243 +                                if (DOT(nd.prdir, r->ron) < -FTINY)
244 +                                        normalize(nd.prdir);    /* OK */
245 +                                else
246 +                                        VCOPY(nd.prdir, r->rdir);
247 +                        }
248 +                }
249          } else
250                  nd.tdiff = nd.tspec = nd.trans = 0.0;
251                                                  /* transmitted ray */
252 <        if (nd.tspec > FTINY && nd.alpha2 <= FTINY) {
252 >        if ((nd.specfl&(SP_TRAN|SP_PURE)) == (SP_TRAN|SP_PURE)) {
253                  RAY  lr;
254                  if (rayorigin(&lr, r, TRANS, nd.tspec) == 0) {
255 <                        VCOPY(lr.rdir, r->rdir);
255 >                        VCOPY(lr.rdir, nd.prdir);
256                          rayvalue(&lr);
257                          scalecolor(lr.rcol, nd.tspec);
258 +                        multcolor(lr.rcol, nd.mcolor);  /* modified by color */
259                          addcolor(r->rcol, lr.rcol);
260 <                        if (nd.tspec > .5)
261 <                                r->rt = r->rot + lr.rt;
260 >                        transtest *= bright(lr.rcol);
261 >                        transdist = r->rot + lr.rt;
262                  }
263 <        }
263 >        } else
264 >                transtest = 0;
265 >
266          if (r->crtype & SHADOW)                 /* the rest is shadow */
267                  return;
268                                                  /* diffuse reflection */
269          nd.rdiff = 1.0 - nd.trans - nd.rspec;
270  
271 <        if (nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY && nd.alpha2 <= FTINY)
272 <                return;                         /* purely specular */
271 >        if (nd.specfl & SP_PURE && nd.rdiff <= FTINY && nd.tdiff <= FTINY)
272 >                return;                         /* 100% pure specular */
273  
274 +        if (r->ro != NULL && (r->ro->otype == OBJ_FACE ||
275 +                        r->ro->otype == OBJ_RING))
276 +                nd.specfl |= SP_FLAT;
277 +
278 +        if (nd.specfl & (SP_REFL|SP_TRAN) && !(nd.specfl & SP_PURE))
279 +                gaussamp(r, &nd);
280 +
281          if (nd.rdiff > FTINY) {         /* ambient from this side */
282                  ambient(ctmp, r);
283 <                if (nd.alpha2 <= FTINY)
219 <                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
220 <                else
283 >                if (nd.specfl & SP_RBLT)
284                          scalecolor(ctmp, 1.0-nd.trans);
285 +                else
286 +                        scalecolor(ctmp, nd.rdiff);
287                  multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by material color */
288                  addcolor(r->rcol, ctmp);        /* add to returned color */
289          }
290          if (nd.tdiff > FTINY) {         /* ambient from other side */
291                  flipsurface(r);
292                  ambient(ctmp, r);
293 <                if (nd.alpha2 <= FTINY)
229 <                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
230 <                else
293 >                if (nd.specfl & SP_TBLT)
294                          scalecolor(ctmp, nd.trans);
295 <                multcolor(ctmp, nd.mcolor);
295 >                else
296 >                        scalecolor(ctmp, nd.tdiff);
297 >                multcolor(ctmp, nd.mcolor);     /* modified by color */
298                  addcolor(r->rcol, ctmp);
299                  flipsurface(r);
300          }
301                                          /* add direct component */
302          direct(r, dirnorm, &nd);
303 +                                        /* check distance */
304 +        if (transtest > bright(r->rcol))
305 +                r->rt = transdist;
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   }

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+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines