fffa9afb3428fbbde75510a72a6f930c439df423
[blender-staging.git] / intern / cycles / kernel / kernel_light.h
1 /*
2  * Copyright 2011-2013 Blender Foundation
3  *
4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
5  * you may not use this file except in compliance with the License.
6  * You may obtain a copy of the License at
7  *
8  * http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
9  *
10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
13  * See the License for the specific language governing permissions and
14  * limitations under the License.
15  */
16
17 CCL_NAMESPACE_BEGIN
18
19 /* Light Sample result */
20
21 typedef struct LightSample {
22         float3 P;                       /* position on light, or direction for distant light */
23         float3 Ng;                      /* normal on light */
24         float3 D;                       /* direction from shading point to light */
25         float t;                        /* distance to light (FLT_MAX for distant light) */
26         float u, v;                     /* parametric coordinate on primitive */
27         float pdf;                      /* light sampling probability density function */
28         float eval_fac;         /* intensity multiplier */
29         int object;                     /* object id for triangle/curve lights */
30         int prim;                       /* primitive id for triangle/curve lights */
31         int shader;                     /* shader id */
32         int lamp;                       /* lamp id */
33         LightType type;         /* type of light */
34 } LightSample;
35
36 /* Area light sampling */
37
38 /* Uses the following paper:
39  *
40  * Carlos Urena et al.
41  * An Area-Preserving Parametrization for Spherical Rectangles.
42  *
43  * https://www.solidangle.com/research/egsr2013_spherical_rectangle.pdf
44  *
45  * Note: light_p is modified when sample_coord is true.
46  */
47 ccl_device_inline float area_light_sample(float3 P,
48                                           float3 *light_p,
49                                           float3 axisu, float3 axisv,
50                                           float randu, float randv,
51                                           bool sample_coord)
52 {
53         /* In our name system we're using P for the center,
54          * which is o in the paper.
55          */
56
57         float3 corner = *light_p - axisu * 0.5f - axisv * 0.5f;
58         float axisu_len, axisv_len;
59         /* Compute local reference system R. */
60         float3 x = normalize_len(axisu, &axisu_len);
61         float3 y = normalize_len(axisv, &axisv_len);
62         float3 z = cross(x, y);
63         /* Compute rectangle coords in local reference system. */
64         float3 dir = corner - P;
65         float z0 = dot(dir, z);
66         /* Flip 'z' to make it point against Q. */
67         if(z0 > 0.0f) {
68                 z *= -1.0f;
69                 z0 *= -1.0f;
70         }
71         float x0 = dot(dir, x);
72         float y0 = dot(dir, y);
73         float x1 = x0 + axisu_len;
74         float y1 = y0 + axisv_len;
75         /* Create vectors to four vertices. */
76         float3 v00 = make_float3(x0, y0, z0);
77         float3 v01 = make_float3(x0, y1, z0);
78         float3 v10 = make_float3(x1, y0, z0);
79         float3 v11 = make_float3(x1, y1, z0);
80         /* Compute normals to edges. */
81         float3 n0 = normalize(cross(v00, v10));
82         float3 n1 = normalize(cross(v10, v11));
83         float3 n2 = normalize(cross(v11, v01));
84         float3 n3 = normalize(cross(v01, v00));
85         /* Compute internal angles (gamma_i). */
86         float g0 = safe_acosf(-dot(n0, n1));
87         float g1 = safe_acosf(-dot(n1, n2));
88         float g2 = safe_acosf(-dot(n2, n3));
89         float g3 = safe_acosf(-dot(n3, n0));
90         /* Compute predefined constants. */
91         float b0 = n0.z;
92         float b1 = n2.z;
93         float b0sq = b0 * b0;
94         float k = M_2PI_F - g2 - g3;
95         /* Compute solid angle from internal angles. */
96         float S = g0 + g1 - k;
97
98         if(sample_coord) {
99                 /* Compute cu. */
100                 float au = randu * S + k;
101                 float fu = (cosf(au) * b0 - b1) / sinf(au);
102                 float cu = 1.0f / sqrtf(fu * fu + b0sq) * (fu > 0.0f ? 1.0f : -1.0f);
103                 cu = clamp(cu, -1.0f, 1.0f);
104                 /* Compute xu. */
105                 float xu = -(cu * z0) / sqrtf(1.0f - cu * cu);
106                 xu = clamp(xu, x0, x1);
107                 /* Compute yv. */
108                 float z0sq = z0 * z0;
109                 float y0sq = y0 * y0;
110                 float y1sq = y1 * y1;
111                 float d = sqrtf(xu * xu + z0sq);
112                 float h0 = y0 / sqrtf(d * d + y0sq);
113                 float h1 = y1 / sqrtf(d * d + y1sq);
114                 float hv = h0 + randv * (h1 - h0), hv2 = hv * hv;
115                 float yv = (hv2 < 1.0f - 1e-6f) ? (hv * d) / sqrtf(1.0f - hv2) : y1;
116
117                 /* Transform (xu, yv, z0) to world coords. */
118                 *light_p = P + xu * x + yv * y + z0 * z;
119         }
120
121         /* return pdf */
122         if(S != 0.0f)
123                 return 1.0f / S;
124         else
125                 return 0.0f;
126 }
127
128 /* Background Light */
129
130 #ifdef __BACKGROUND_MIS__
131
132 /* TODO(sergey): In theory it should be all fine to use noinline for all
133  * devices, but we're so close to the release so better not screw things
134  * up for CPU at least.
135  */
136 #ifdef __KERNEL_GPU__
137 ccl_device_noinline
138 #else
139 ccl_device
140 #endif
141 float3 background_map_sample(KernelGlobals *kg, float randu, float randv, float *pdf)
142 {
143         /* for the following, the CDF values are actually a pair of floats, with the
144          * function value as X and the actual CDF as Y.  The last entry's function
145          * value is the CDF total. */
146         int res = kernel_data.integrator.pdf_background_res;
147         int cdf_count = res + 1;
148
149         /* this is basically std::lower_bound as used by pbrt */
150         int first = 0;
151         int count = res;
152
153         while(count > 0) {
154                 int step = count >> 1;
155                 int middle = first + step;
156
157                 if(kernel_tex_fetch(__light_background_marginal_cdf, middle).y < randv) {
158                         first = middle + 1;
159                         count -= step + 1;
160                 }
161                 else
162                         count = step;
163         }
164
165         int index_v = max(0, first - 1);
166         kernel_assert(index_v >= 0 && index_v < res);
167
168         float2 cdf_v = kernel_tex_fetch(__light_background_marginal_cdf, index_v);
169         float2 cdf_next_v = kernel_tex_fetch(__light_background_marginal_cdf, index_v + 1);
170         float2 cdf_last_v = kernel_tex_fetch(__light_background_marginal_cdf, res);
171
172         /* importance-sampled V direction */
173         float dv = (randv - cdf_v.y) / (cdf_next_v.y - cdf_v.y);
174         float v = (index_v + dv) / res;
175
176         /* this is basically std::lower_bound as used by pbrt */
177         first = 0;
178         count = res;
179         while(count > 0) {
180                 int step = count >> 1;
181                 int middle = first + step;
182
183                 if(kernel_tex_fetch(__light_background_conditional_cdf, index_v * cdf_count + middle).y < randu) {
184                         first = middle + 1;
185                         count -= step + 1;
186                 }
187                 else
188                         count = step;
189         }
190
191         int index_u = max(0, first - 1);
192         kernel_assert(index_u >= 0 && index_u < res);
193
194         float2 cdf_u = kernel_tex_fetch(__light_background_conditional_cdf, index_v * cdf_count + index_u);
195         float2 cdf_next_u = kernel_tex_fetch(__light_background_conditional_cdf, index_v * cdf_count + index_u + 1);
196         float2 cdf_last_u = kernel_tex_fetch(__light_background_conditional_cdf, index_v * cdf_count + res);
197
198         /* importance-sampled U direction */
199         float du = (randu - cdf_u.y) / (cdf_next_u.y - cdf_u.y);
200         float u = (index_u + du) / res;
201
202         /* compute pdf */
203         float denom = cdf_last_u.x * cdf_last_v.x;
204         float sin_theta = sinf(M_PI_F * v);
205
206         if(sin_theta == 0.0f || denom == 0.0f)
207                 *pdf = 0.0f;
208         else
209                 *pdf = (cdf_u.x * cdf_v.x)/(M_2PI_F * M_PI_F * sin_theta * denom);
210
211         /* compute direction */
212         return equirectangular_to_direction(u, v);
213 }
214
215 /* TODO(sergey): Same as above, after the release we should consider using
216  * 'noinline' for all devices.
217  */
218 #ifdef __KERNEL_GPU__
219 ccl_device_noinline
220 #else
221 ccl_device
222 #endif
223 float background_map_pdf(KernelGlobals *kg, float3 direction)
224 {
225         float2 uv = direction_to_equirectangular(direction);
226         int res = kernel_data.integrator.pdf_background_res;
227
228         float sin_theta = sinf(uv.y * M_PI_F);
229
230         if(sin_theta == 0.0f)
231                 return 0.0f;
232
233         int index_u = clamp(float_to_int(uv.x * res), 0, res - 1);
234         int index_v = clamp(float_to_int(uv.y * res), 0, res - 1);
235
236         /* pdfs in V direction */
237         float2 cdf_last_u = kernel_tex_fetch(__light_background_conditional_cdf, index_v * (res + 1) + res);
238         float2 cdf_last_v = kernel_tex_fetch(__light_background_marginal_cdf, res);
239
240         float denom = cdf_last_u.x * cdf_last_v.x;
241
242         if(denom == 0.0f)
243                 return 0.0f;
244
245         /* pdfs in U direction */
246         float2 cdf_u = kernel_tex_fetch(__light_background_conditional_cdf, index_v * (res + 1) + index_u);
247         float2 cdf_v = kernel_tex_fetch(__light_background_marginal_cdf, index_v);
248
249         return (cdf_u.x * cdf_v.x)/(M_2PI_F * M_PI_F * sin_theta * denom);
250 }
251
252 ccl_device_inline bool background_portal_data_fetch_and_check_side(KernelGlobals *kg,
253                                                                    float3 P,
254                                                                    int index,
255                                                                    float3 *lightpos,
256                                                                    float3 *dir)
257 {
258         float4 data0 = kernel_tex_fetch(__light_data, (index + kernel_data.integrator.portal_offset)*LIGHT_SIZE + 0);
259         float4 data3 = kernel_tex_fetch(__light_data, (index + kernel_data.integrator.portal_offset)*LIGHT_SIZE + 3);
260
261         *lightpos = make_float3(data0.y, data0.z, data0.w);
262         *dir = make_float3(data3.y, data3.z, data3.w);
263
264         /* Check whether portal is on the right side. */
265         if(dot(*dir, P - *lightpos) > 1e-4f)
266                 return true;
267
268         return false;
269 }
270
271 ccl_device_inline float background_portal_pdf(KernelGlobals *kg,
272                                               float3 P,
273                                               float3 direction,
274                                               int ignore_portal,
275                                               bool *is_possible)
276 {
277         float portal_pdf = 0.0f;
278
279         int num_possible = 0;
280         for(int p = 0; p < kernel_data.integrator.num_portals; p++) {
281                 if(p == ignore_portal)
282                         continue;
283
284                 float3 lightpos, dir;
285                 if(!background_portal_data_fetch_and_check_side(kg, P, p, &lightpos, &dir))
286                         continue;
287
288                 /* There's a portal that could be sampled from this position. */
289                 if(is_possible) {
290                         *is_possible = true;
291                 }
292                 num_possible++;
293
294                 float4 data1 = kernel_tex_fetch(__light_data, (p + kernel_data.integrator.portal_offset)*LIGHT_SIZE + 1);
295                 float4 data2 = kernel_tex_fetch(__light_data, (p + kernel_data.integrator.portal_offset)*LIGHT_SIZE + 2);
296
297                 float3 axisu = make_float3(data1.y, data1.z, data1.w);
298                 float3 axisv = make_float3(data2.y, data2.z, data2.w);
299
300                 if(!ray_quad_intersect(P, direction, 1e-4f, FLT_MAX, lightpos, axisu, axisv, dir, NULL, NULL))
301                         continue;
302
303                 portal_pdf += area_light_sample(P, &lightpos, axisu, axisv, 0.0f, 0.0f, false);
304         }
305
306         if(ignore_portal >= 0) {
307                 /* We have skipped a portal that could be sampled as well. */
308                 num_possible++;
309         }
310
311         return (num_possible > 0)? portal_pdf / num_possible: 0.0f;
312 }
313
314 ccl_device int background_num_possible_portals(KernelGlobals *kg, float3 P)
315 {
316         int num_possible_portals = 0;
317         for(int p = 0; p < kernel_data.integrator.num_portals; p++) {
318                 float3 lightpos, dir;
319                 if(background_portal_data_fetch_and_check_side(kg, P, p, &lightpos, &dir))
320                         num_possible_portals++;
321         }
322         return num_possible_portals;
323 }
324
325 ccl_device float3 background_portal_sample(KernelGlobals *kg,
326                                            float3 P,
327                                            float randu,
328                                            float randv,
329                                            int num_possible,
330                                            int *sampled_portal,
331                                            float *pdf)
332 {
333         /* Pick a portal, then re-normalize randv. */
334         randv *= num_possible;
335         int portal = (int)randv;
336         randv -= portal;
337
338         /* TODO(sergey): Some smarter way of finding portal to sample
339          * is welcome.
340          */
341         for(int p = 0; p < kernel_data.integrator.num_portals; p++) {
342                 /* Search for the sampled portal. */
343                 float3 lightpos, dir;
344                 if(!background_portal_data_fetch_and_check_side(kg, P, p, &lightpos, &dir))
345                         continue;
346
347                 if(portal == 0) {
348                         /* p is the portal to be sampled. */
349                         float4 data1 = kernel_tex_fetch(__light_data, (p + kernel_data.integrator.portal_offset)*LIGHT_SIZE + 1);
350                         float4 data2 = kernel_tex_fetch(__light_data, (p + kernel_data.integrator.portal_offset)*LIGHT_SIZE + 2);
351                         float3 axisu = make_float3(data1.y, data1.z, data1.w);
352                         float3 axisv = make_float3(data2.y, data2.z, data2.w);
353
354                         *pdf = area_light_sample(P, &lightpos,
355                                                  axisu, axisv,
356                                                  randu, randv,
357                                                  true);
358
359                         *pdf /= num_possible;
360                         *sampled_portal = p;
361                         return normalize(lightpos - P);
362                 }
363
364                 portal--;
365         }
366
367         return make_float3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
368 }
369
370 ccl_device_inline float3 background_light_sample(KernelGlobals *kg,
371                                                  float3 P,
372                                                  float randu, float randv,
373                                                  float *pdf)
374 {
375         /* Probability of sampling portals instead of the map. */
376         float portal_sampling_pdf = kernel_data.integrator.portal_pdf;
377
378         /* Check if there are portals in the scene which we can sample. */
379         if(portal_sampling_pdf > 0.0f) {
380                 int num_portals = background_num_possible_portals(kg, P);
381                 if(num_portals > 0) {
382                         if(portal_sampling_pdf == 1.0f || randu < portal_sampling_pdf) {
383                                 if(portal_sampling_pdf < 1.0f) {
384                                         randu /= portal_sampling_pdf;
385                                 }
386                                 int portal;
387                                 float3 D = background_portal_sample(kg, P, randu, randv, num_portals, &portal, pdf);
388                                 if(num_portals > 1) {
389                                         /* Ignore the chosen portal, its pdf is already included. */
390                                         *pdf += background_portal_pdf(kg, P, D, portal, NULL);
391                                 }
392                                 /* We could also have sampled the map, so combine with MIS. */
393                                 if(portal_sampling_pdf < 1.0f) {
394                                         float cdf_pdf = background_map_pdf(kg, D);
395                                         *pdf = (portal_sampling_pdf * (*pdf)
396                                              + (1.0f - portal_sampling_pdf) * cdf_pdf);
397                                 }
398                                 return D;
399                         } else {
400                                 /* Sample map, but with nonzero portal_sampling_pdf for MIS. */
401                                 randu = (randu - portal_sampling_pdf) / (1.0f - portal_sampling_pdf);
402                         }
403                 } else {
404                         /* We can't sample a portal.
405                          * Check if we can sample the map instead.
406                          */
407                         if(portal_sampling_pdf == 1.0f) {
408                                 /* Use uniform as a fallback if we can't sample the map. */
409                                 *pdf = 1.0f / M_4PI_F;
410                                 return sample_uniform_sphere(randu, randv);
411                         }
412                         else {
413                                 portal_sampling_pdf = 0.0f;
414                         }
415                 }
416         }
417
418         float3 D = background_map_sample(kg, randu, randv, pdf);
419         /* Use MIS if portals could be sampled as well. */
420         if(portal_sampling_pdf > 0.0f) {
421                 float portal_pdf = background_portal_pdf(kg, P, D, -1, NULL);
422                 *pdf = (portal_sampling_pdf * portal_pdf
423                      + (1.0f - portal_sampling_pdf) * (*pdf));
424         }
425         return D;
426 }
427
428 ccl_device float background_light_pdf(KernelGlobals *kg, float3 P, float3 direction)
429 {
430         /* Probability of sampling portals instead of the map. */
431         float portal_sampling_pdf = kernel_data.integrator.portal_pdf;
432
433         float portal_pdf = 0.0f, map_pdf = 0.0f;
434         if(portal_sampling_pdf > 0.0f) {
435                 /* Evaluate PDF of sampling this direction by portal sampling. */
436                 bool is_possible = false;
437                 portal_pdf = background_portal_pdf(kg, P, direction, -1, &is_possible) * portal_sampling_pdf;
438                 if(!is_possible) {
439                         /* Portal sampling is not possible here because all portals point to the wrong side.
440                          * If map sampling is possible, it would be used instead, otherwise fallback sampling is used. */
441                         if(portal_sampling_pdf == 1.0f) {
442                                 return kernel_data.integrator.pdf_lights / M_4PI_F;
443                         }
444                         else {
445                                 /* Force map sampling. */
446                                 portal_sampling_pdf = 0.0f;
447                         }
448                 }
449         }
450         if(portal_sampling_pdf < 1.0f) {
451                 /* Evaluate PDF of sampling this direction by map sampling. */
452                 map_pdf = background_map_pdf(kg, direction) * (1.0f - portal_sampling_pdf);
453         }
454         return (portal_pdf + map_pdf) * kernel_data.integrator.pdf_lights;
455 }
456 #endif
457
458 /* Regular Light */
459
460 ccl_device float3 disk_light_sample(float3 v, float randu, float randv)
461 {
462         float3 ru, rv;
463
464         make_orthonormals(v, &ru, &rv);
465         to_unit_disk(&randu, &randv);
466
467         return ru*randu + rv*randv;
468 }
469
470 ccl_device float3 distant_light_sample(float3 D, float radius, float randu, float randv)
471 {
472         return normalize(D + disk_light_sample(D, randu, randv)*radius);
473 }
474
475 ccl_device float3 sphere_light_sample(float3 P, float3 center, float radius, float randu, float randv)
476 {
477         return disk_light_sample(normalize(P - center), randu, randv)*radius;
478 }
479
480 ccl_device float spot_light_attenuation(float4 data1, float4 data2, LightSample *ls)
481 {
482         float3 dir = make_float3(data2.y, data2.z, data2.w);
483         float3 I = ls->Ng;
484
485         float spot_angle = data1.w;
486         float spot_smooth = data2.x;
487
488         float attenuation = dot(dir, I);
489
490         if(attenuation <= spot_angle) {
491                 attenuation = 0.0f;
492         }
493         else {
494                 float t = attenuation - spot_angle;
495
496                 if(t < spot_smooth && spot_smooth != 0.0f)
497                         attenuation *= smoothstepf(t/spot_smooth);
498         }
499
500         return attenuation;
501 }
502
503 ccl_device float lamp_light_pdf(KernelGlobals *kg, const float3 Ng, const float3 I, float t)
504 {
505         float cos_pi = dot(Ng, I);
506
507         if(cos_pi <= 0.0f)
508                 return 0.0f;
509         
510         return t*t/cos_pi;
511 }
512
513 ccl_device_inline bool lamp_light_sample(KernelGlobals *kg,
514                                          int lamp,
515                                          float randu, float randv,
516                                          float3 P,
517                                          LightSample *ls)
518 {
519         float4 data0 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 0);
520         float4 data1 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 1);
521
522         LightType type = (LightType)__float_as_int(data0.x);
523         ls->type = type;
524         ls->shader = __float_as_int(data1.x);
525         ls->object = PRIM_NONE;
526         ls->prim = PRIM_NONE;
527         ls->lamp = lamp;
528         ls->u = randu;
529         ls->v = randv;
530
531         if(type == LIGHT_DISTANT) {
532                 /* distant light */
533                 float3 lightD = make_float3(data0.y, data0.z, data0.w);
534                 float3 D = lightD;
535                 float radius = data1.y;
536                 float invarea = data1.w;
537
538                 if(radius > 0.0f)
539                         D = distant_light_sample(D, radius, randu, randv);
540
541                 ls->P = D;
542                 ls->Ng = D;
543                 ls->D = -D;
544                 ls->t = FLT_MAX;
545
546                 float costheta = dot(lightD, D);
547                 ls->pdf = invarea/(costheta*costheta*costheta);
548                 ls->eval_fac = ls->pdf*kernel_data.integrator.inv_pdf_lights;
549         }
550 #ifdef __BACKGROUND_MIS__
551         else if(type == LIGHT_BACKGROUND) {
552                 /* infinite area light (e.g. light dome or env light) */
553                 float3 D = -background_light_sample(kg, P, randu, randv, &ls->pdf);
554
555                 ls->P = D;
556                 ls->Ng = D;
557                 ls->D = -D;
558                 ls->t = FLT_MAX;
559                 ls->eval_fac = 1.0f;
560                 ls->pdf *= kernel_data.integrator.pdf_lights;
561         }
562 #endif
563         else {
564                 ls->P = make_float3(data0.y, data0.z, data0.w);
565
566                 if(type == LIGHT_POINT || type == LIGHT_SPOT) {
567                         float radius = data1.y;
568
569                         if(radius > 0.0f)
570                                 /* sphere light */
571                                 ls->P += sphere_light_sample(P, ls->P, radius, randu, randv);
572
573                         ls->D = normalize_len(ls->P - P, &ls->t);
574                         ls->Ng = -ls->D;
575
576                         float invarea = data1.z;
577                         ls->eval_fac = (0.25f*M_1_PI_F)*invarea;
578                         ls->pdf = invarea;
579
580                         if(type == LIGHT_SPOT) {
581                                 /* spot light attenuation */
582                                 float4 data2 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 2);
583                                 ls->eval_fac *= spot_light_attenuation(data1, data2, ls);
584                                 if(ls->eval_fac == 0.0f) {
585                                         return false;
586                                 }
587                         }
588                         ls->pdf *= lamp_light_pdf(kg, ls->Ng, -ls->D, ls->t);
589                 }
590                 else {
591                         /* area light */
592                         float4 data2 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 2);
593                         float4 data3 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 3);
594
595                         float3 axisu = make_float3(data1.y, data1.z, data1.w);
596                         float3 axisv = make_float3(data2.y, data2.z, data2.w);
597                         float3 D = make_float3(data3.y, data3.z, data3.w);
598
599                         if(dot(ls->P - P, D) > 0.0f) {
600                                 return false;
601                         }
602
603                         ls->pdf = area_light_sample(P, &ls->P,
604                                                   axisu, axisv,
605                                                   randu, randv,
606                                                   true);
607
608                         ls->Ng = D;
609                         ls->D = normalize_len(ls->P - P, &ls->t);
610
611                         float invarea = data2.x;
612                         ls->eval_fac = 0.25f*invarea;
613                 }
614
615                 ls->eval_fac *= kernel_data.integrator.inv_pdf_lights;
616         }
617
618         return (ls->pdf > 0.0f);
619 }
620
621 ccl_device bool lamp_light_eval(KernelGlobals *kg, int lamp, float3 P, float3 D, float t, LightSample *ls)
622 {
623         float4 data0 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 0);
624         float4 data1 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 1);
625
626         LightType type = (LightType)__float_as_int(data0.x);
627         ls->type = type;
628         ls->shader = __float_as_int(data1.x);
629         ls->object = PRIM_NONE;
630         ls->prim = PRIM_NONE;
631         ls->lamp = lamp;
632         /* todo: missing texture coordinates */
633         ls->u = 0.0f;
634         ls->v = 0.0f;
635
636         if(!(ls->shader & SHADER_USE_MIS))
637                 return false;
638
639         if(type == LIGHT_DISTANT) {
640                 /* distant light */
641                 float radius = data1.y;
642
643                 if(radius == 0.0f)
644                         return false;
645                 if(t != FLT_MAX)
646                         return false;
647
648                 /* a distant light is infinitely far away, but equivalent to a disk
649                  * shaped light exactly 1 unit away from the current shading point.
650                  *
651                  *     radius              t^2/cos(theta)
652                  *  <---------->           t = sqrt(1^2 + tan(theta)^2)
653                  *       tan(th)           area = radius*radius*pi
654                  *       <----->
655                  *        \    |           (1 + tan(theta)^2)/cos(theta)
656                  *         \   |           (1 + tan(acos(cos(theta)))^2)/cos(theta)
657                  *       t  \th| 1         simplifies to
658                  *           \-|           1/(cos(theta)^3)
659                  *            \|           magic!
660                  *             P
661                  */
662
663                 float3 lightD = make_float3(data0.y, data0.z, data0.w);
664                 float costheta = dot(-lightD, D);
665                 float cosangle = data1.z;
666
667                 if(costheta < cosangle)
668                         return false;
669
670                 ls->P = -D;
671                 ls->Ng = -D;
672                 ls->D = D;
673                 ls->t = FLT_MAX;
674
675                 /* compute pdf */
676                 float invarea = data1.w;
677                 ls->pdf = invarea/(costheta*costheta*costheta);
678                 ls->eval_fac = ls->pdf;
679         }
680         else if(type == LIGHT_POINT || type == LIGHT_SPOT) {
681                 float3 lightP = make_float3(data0.y, data0.z, data0.w);
682                 float radius = data1.y;
683
684                 /* sphere light */
685                 if(radius == 0.0f)
686                         return false;
687
688                 if(!ray_aligned_disk_intersect(P, D, t,
689                                                lightP, radius, &ls->P, &ls->t))
690                 {
691                         return false;
692                 }
693
694                 ls->Ng = -D;
695                 ls->D = D;
696
697                 float invarea = data1.z;
698                 ls->eval_fac = (0.25f*M_1_PI_F)*invarea;
699                 ls->pdf = invarea;
700
701                 if(type == LIGHT_SPOT) {
702                         /* spot light attenuation */
703                         float4 data2 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 2);
704                         ls->eval_fac *= spot_light_attenuation(data1, data2, ls);
705
706                         if(ls->eval_fac == 0.0f)
707                                 return false;
708                 }
709
710                 /* compute pdf */
711                 if(ls->t != FLT_MAX)
712                         ls->pdf *= lamp_light_pdf(kg, ls->Ng, -ls->D, ls->t);
713         }
714         else if(type == LIGHT_AREA) {
715                 /* area light */
716                 float4 data2 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 2);
717                 float4 data3 = kernel_tex_fetch(__light_data, lamp*LIGHT_SIZE + 3);
718
719                 float invarea = data2.x;
720                 if(invarea == 0.0f)
721                         return false;
722
723                 float3 axisu = make_float3(data1.y, data1.z, data1.w);
724                 float3 axisv = make_float3(data2.y, data2.z, data2.w);
725                 float3 Ng = make_float3(data3.y, data3.z, data3.w);
726
727                 /* one sided */
728                 if(dot(D, Ng) >= 0.0f)
729                         return false;
730
731                 float3 light_P = make_float3(data0.y, data0.z, data0.w);
732
733                 if(!ray_quad_intersect(P, D, 0.0f, t,
734                                        light_P, axisu, axisv, Ng, &ls->P, &ls->t))
735                 {
736                         return false;
737                 }
738
739                 ls->D = D;
740                 ls->Ng = Ng;
741                 ls->pdf = area_light_sample(P, &light_P, axisu, axisv, 0, 0, false);
742                 ls->eval_fac = 0.25f*invarea;
743         }
744         else
745                 return false;
746
747         return true;
748 }
749
750 /* Triangle Light */
751
752 ccl_device void object_transform_light_sample(KernelGlobals *kg, LightSample *ls, int object, float time)
753 {
754 #ifdef __INSTANCING__
755         /* instance transform */
756         if(!(kernel_tex_fetch(__object_flag, object) & SD_TRANSFORM_APPLIED)) {
757 #  ifdef __OBJECT_MOTION__
758                 Transform itfm;
759                 Transform tfm = object_fetch_transform_motion_test(kg, object, time, &itfm);
760 #  else
761                 Transform tfm = object_fetch_transform(kg, object, OBJECT_TRANSFORM);
762 #  endif
763
764                 ls->P = transform_point(&tfm, ls->P);
765                 ls->Ng = normalize(transform_direction(&tfm, ls->Ng));
766         }
767 #endif
768 }
769
770 ccl_device void triangle_light_sample(KernelGlobals *kg, int prim, int object,
771         float randu, float randv, float time, LightSample *ls)
772 {
773         float u, v;
774
775         /* compute random point in triangle */
776         randu = sqrtf(randu);
777
778         u = 1.0f - randu;
779         v = randv*randu;
780
781         /* triangle, so get position, normal, shader */
782         triangle_point_normal(kg, object, prim, u, v, &ls->P, &ls->Ng, &ls->shader);
783         ls->object = object;
784         ls->prim = prim;
785         ls->lamp = LAMP_NONE;
786         ls->shader |= SHADER_USE_MIS;
787         ls->t = 0.0f;
788         ls->u = u;
789         ls->v = v;
790         ls->type = LIGHT_TRIANGLE;
791         ls->eval_fac = 1.0f;
792
793         object_transform_light_sample(kg, ls, object, time);
794 }
795
796 ccl_device float triangle_light_pdf(KernelGlobals *kg,
797         const float3 Ng, const float3 I, float t)
798 {
799         float pdf = kernel_data.integrator.pdf_triangles;
800         float cos_pi = fabsf(dot(Ng, I));
801
802         if(cos_pi == 0.0f)
803                 return 0.0f;
804         
805         return t*t*pdf/cos_pi;
806 }
807
808 /* Light Distribution */
809
810 ccl_device int light_distribution_sample(KernelGlobals *kg, float randt)
811 {
812         /* this is basically std::upper_bound as used by pbrt, to find a point light or
813          * triangle to emit from, proportional to area. a good improvement would be to
814          * also sample proportional to power, though it's not so well defined with
815          * OSL shaders. */
816         int first = 0;
817         int len = kernel_data.integrator.num_distribution + 1;
818
819         while(len > 0) {
820                 int half_len = len >> 1;
821                 int middle = first + half_len;
822
823                 if(randt < kernel_tex_fetch(__light_distribution, middle).x) {
824                         len = half_len;
825                 }
826                 else {
827                         first = middle + 1;
828                         len = len - half_len - 1;
829                 }
830         }
831
832         /* clamping should not be needed but float rounding errors seem to
833          * make this fail on rare occasions */
834         return clamp(first-1, 0, kernel_data.integrator.num_distribution-1);
835 }
836
837 /* Generic Light */
838
839 ccl_device bool light_select_reached_max_bounces(KernelGlobals *kg, int index, int bounce)
840 {
841         float4 data4 = kernel_tex_fetch(__light_data, index*LIGHT_SIZE + 4);
842         return (bounce > __float_as_int(data4.x));
843 }
844
845 ccl_device_noinline bool light_sample(KernelGlobals *kg,
846                                       float randt,
847                                       float randu,
848                                       float randv,
849                                       float time,
850                                       float3 P,
851                                       int bounce,
852                                       LightSample *ls)
853 {
854         /* sample index */
855         int index = light_distribution_sample(kg, randt);
856
857         /* fetch light data */
858         float4 l = kernel_tex_fetch(__light_distribution, index);
859         int prim = __float_as_int(l.y);
860
861         if(prim >= 0) {
862                 int object = __float_as_int(l.w);
863                 int shader_flag = __float_as_int(l.z);
864
865                 triangle_light_sample(kg, prim, object, randu, randv, time, ls);
866                 /* compute incoming direction, distance and pdf */
867                 ls->D = normalize_len(ls->P - P, &ls->t);
868                 ls->pdf = triangle_light_pdf(kg, ls->Ng, -ls->D, ls->t);
869                 ls->shader |= shader_flag;
870                 return (ls->pdf > 0.0f);
871         }
872         else {
873                 int lamp = -prim-1;
874
875                 if(UNLIKELY(light_select_reached_max_bounces(kg, lamp, bounce))) {
876                         return false;
877                 }
878
879                 return lamp_light_sample(kg, lamp, randu, randv, P, ls);
880         }
881 }
882
883 ccl_device int light_select_num_samples(KernelGlobals *kg, int index)
884 {
885         float4 data3 = kernel_tex_fetch(__light_data, index*LIGHT_SIZE + 3);
886         return __float_as_int(data3.x);
887 }
888
889 CCL_NAMESPACE_END
890