intern/cycles/kernel/closure/bsdf_hair.h

   1 /*
   2  * Adapted from Open Shading Language with this license:
   3  *
   4  * Copyright (c) 2009-2010 Sony Pictures Imageworks Inc., et al.
   5  * All Rights Reserved.
   6  *
   7  * Modifications Copyright 2011, Blender Foundation.
   8  *
   9  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  10  * modification, are permitted provided that the following conditions are
  11  * met:
  12  * * Redistributions of source code must retain the above copyright
  13  *   notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  14  * * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  15  *   notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  16  *   documentation and/or other materials provided with the distribution.
  17  * * Neither the name of Sony Pictures Imageworks nor the names of its
  18  *   contributors may be used to endorse or promote products derived from
  19  *   this software without specific prior written permission.
  20  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
  21  * "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
  22  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
  23  * A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
  24  * OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
  25  * SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
  26  * LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
  27  * DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
  28  * THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
  29  * (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
  30  * OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  31  */
  32
  33 #ifndef __BSDF_HAIR_H__
  34 #define __BSDF_HAIR_H__
  35
  36 CCL_NAMESPACE_BEGIN
  37
  38 typedef ccl_addr_space struct HairBsdf {
  39         SHADER_CLOSURE_BASE;
  40
  41         float3 T;
  42         float roughness1;
  43         float roughness2;
  44         float offset;
  45 } HairBsdf;
  46
  47 ccl_device int bsdf_hair_reflection_setup(HairBsdf *bsdf)
  48 {
  49         bsdf->type = CLOSURE_BSDF_HAIR_REFLECTION_ID;
  50         bsdf->roughness1 = clamp(bsdf->roughness1, 0.001f, 1.0f);
  51         bsdf->roughness2 = clamp(bsdf->roughness2, 0.001f, 1.0f);
  52         return SD_BSDF|SD_BSDF_HAS_EVAL;
  53 }
  54
  55 ccl_device int bsdf_hair_transmission_setup(HairBsdf *bsdf)
  56 {
  57         bsdf->type = CLOSURE_BSDF_HAIR_TRANSMISSION_ID;
  58         bsdf->roughness1 = clamp(bsdf->roughness1, 0.001f, 1.0f);
  59         bsdf->roughness2 = clamp(bsdf->roughness2, 0.001f, 1.0f);
  60         return SD_BSDF|SD_BSDF_HAS_EVAL;
  61 }
  62
  63 ccl_device bool bsdf_hair_merge(const ShaderClosure *a, const ShaderClosure *b)
  64 {
  65         const HairBsdf *bsdf_a = (const HairBsdf*)a;
  66         const HairBsdf *bsdf_b = (const HairBsdf*)b;
  67
  68         return (isequal_float3(bsdf_a->T, bsdf_b->T)) &&
  69                (bsdf_a->roughness1 == bsdf_b->roughness1) &&
  70                (bsdf_a->roughness2 == bsdf_b->roughness2) &&
  71                (bsdf_a->offset == bsdf_b->offset);
  72 }
  73
  74 ccl_device float3 bsdf_hair_reflection_eval_reflect(const ShaderClosure *sc, const float3 I, const float3 omega_in, float *pdf)
  75 {
  76         const HairBsdf *bsdf = (const HairBsdf*)sc;
  77         float offset = bsdf->offset;
  78         float3 Tg = bsdf->T;
  79         float roughness1 = bsdf->roughness1;
  80         float roughness2 = bsdf->roughness2;
  81
  82         float Iz = dot(Tg, I);
  83         float3 locy = normalize(I - Tg * Iz);
  84
  85         float theta_r = M_PI_2_F - fast_acosf(Iz);
  86
  87         float omega_in_z = dot(Tg, omega_in);
  88         float3 omega_in_y = normalize(omega_in - Tg * omega_in_z);
  89
  90         float theta_i = M_PI_2_F - fast_acosf(omega_in_z);
  91         float cosphi_i = dot(omega_in_y, locy);
  92
  93         if(M_PI_2_F - fabsf(theta_i) < 0.001f || cosphi_i < 0.0f) {
  94                 *pdf = 0.0f;
  95                 return make_float3(*pdf, *pdf, *pdf);
  96         }
  97
  98         float roughness1_inv = 1.0f / roughness1;
  99         float roughness2_inv = 1.0f / roughness2;
 100         float phi_i = fast_acosf(cosphi_i) * roughness2_inv;
 101         phi_i = fabsf(phi_i) < M_PI_F ? phi_i : M_PI_F;
 102         float costheta_i = fast_cosf(theta_i);
 103
 104         float a_R = fast_atan2f(((M_PI_2_F + theta_r) * 0.5f - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 105         float b_R = fast_atan2f(((-M_PI_2_F + theta_r) * 0.5f - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 106
 107         float theta_h = (theta_i + theta_r) * 0.5f;
 108         float t = theta_h - offset;
 109
 110         float phi_pdf = fast_cosf(phi_i * 0.5f) * 0.25f * roughness2_inv;
 111         float theta_pdf = roughness1 / (2 * (t*t + roughness1*roughness1) * (a_R - b_R)* costheta_i);
 112         *pdf = phi_pdf * theta_pdf;
 113
 114         return make_float3(*pdf, *pdf, *pdf);
 115 }
 116
 117 ccl_device float3 bsdf_hair_transmission_eval_reflect(const ShaderClosure *sc, const float3 I, const float3 omega_in, float *pdf)
 118 {
 119         return make_float3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
 120 }
 121
 122
 123 ccl_device float3 bsdf_hair_reflection_eval_transmit(const ShaderClosure *sc, const float3 I, const float3 omega_in, float *pdf)
 124 {
 125         return make_float3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
 126 }
 127
 128 ccl_device float3 bsdf_hair_transmission_eval_transmit(const ShaderClosure *sc, const float3 I, const float3 omega_in, float *pdf)
 129 {
 130         const HairBsdf *bsdf = (const HairBsdf*)sc;
 131         float offset = bsdf->offset;
 132         float3 Tg = bsdf->T;
 133         float roughness1 = bsdf->roughness1;
 134         float roughness2 = bsdf->roughness2;
 135         float Iz = dot(Tg, I);
 136         float3 locy = normalize(I - Tg * Iz);
 137
 138         float theta_r = M_PI_2_F - fast_acosf(Iz);
 139
 140         float omega_in_z = dot(Tg, omega_in);
 141         float3 omega_in_y = normalize(omega_in - Tg * omega_in_z);
 142
 143         float theta_i = M_PI_2_F - fast_acosf(omega_in_z);
 144         float phi_i = fast_acosf(dot(omega_in_y, locy));
 145
 146         if(M_PI_2_F - fabsf(theta_i) < 0.001f) {
 147                 *pdf = 0.0f;
 148                 return make_float3(*pdf, *pdf, *pdf);
 149         }
 150
 151         float costheta_i = fast_cosf(theta_i);
 152
 153         float roughness1_inv = 1.0f / roughness1;
 154         float a_TT = fast_atan2f(((M_PI_2_F + theta_r)/2 - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 155         float b_TT = fast_atan2f(((-M_PI_2_F + theta_r)/2 - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 156         float c_TT = 2 * fast_atan2f(M_PI_2_F / roughness2, 1.0f);
 157
 158         float theta_h = (theta_i + theta_r) / 2;
 159         float t = theta_h - offset;
 160         float phi = fabsf(phi_i);
 161
 162         float p = M_PI_F - phi;
 163         float theta_pdf = roughness1 / (2 * (t*t + roughness1 * roughness1) * (a_TT - b_TT)*costheta_i);
 164         float phi_pdf = roughness2 / (c_TT * (p * p + roughness2 * roughness2));
 165
 166         *pdf = phi_pdf * theta_pdf;
 167         return make_float3(*pdf, *pdf, *pdf);
 168 }
 169
 170 ccl_device int bsdf_hair_reflection_sample(const ShaderClosure *sc, float3 Ng, float3 I, float3 dIdx, float3 dIdy, float randu, float randv, float3 *eval, float3 *omega_in, float3 *domega_in_dx, float3 *domega_in_dy, float *pdf)
 171 {
 172         const HairBsdf *bsdf = (const HairBsdf*)sc;
 173         float offset = bsdf->offset;
 174         float3 Tg = bsdf->T;
 175         float roughness1 = bsdf->roughness1;
 176         float roughness2 = bsdf->roughness2;
 177         float Iz = dot(Tg, I);
 178         float3 locy = normalize(I - Tg * Iz);
 179         float3 locx = cross(locy, Tg);
 180         float theta_r = M_PI_2_F - fast_acosf(Iz);
 181
 182         float roughness1_inv = 1.0f / roughness1;
 183         float a_R = fast_atan2f(((M_PI_2_F + theta_r) * 0.5f - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 184         float b_R = fast_atan2f(((-M_PI_2_F + theta_r) * 0.5f - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 185
 186         float t = roughness1 * tanf(randu * (a_R - b_R) + b_R);
 187
 188         float theta_h = t + offset;
 189         float theta_i = 2 * theta_h - theta_r;
 190
 191         float costheta_i, sintheta_i;
 192         fast_sincosf(theta_i, &sintheta_i, &costheta_i);
 193
 194         float phi = 2 * safe_asinf(1 - 2 * randv) * roughness2;
 195
 196         float phi_pdf = fast_cosf(phi * 0.5f) * 0.25f / roughness2;
 197
 198         float theta_pdf = roughness1 / (2 * (t*t + roughness1*roughness1) * (a_R - b_R)*costheta_i);
 199
 200         float sinphi, cosphi;
 201         fast_sincosf(phi, &sinphi, &cosphi);
 202         *omega_in =(cosphi * costheta_i) * locy -
 203                    (sinphi * costheta_i) * locx +
 204                    (         sintheta_i) * Tg;
 205
 206         //differentials - TODO: find a better approximation for the reflective bounce
 207 #ifdef __RAY_DIFFERENTIALS__
 208         *domega_in_dx = 2 * dot(locy, dIdx) * locy - dIdx;
 209         *domega_in_dy = 2 * dot(locy, dIdy) * locy - dIdy;
 210 #endif
 211
 212         *pdf = fabsf(phi_pdf * theta_pdf);
 213         if(M_PI_2_F - fabsf(theta_i) < 0.001f)
 214                 *pdf = 0.0f;
 215
 216         *eval = make_float3(*pdf, *pdf, *pdf);
 217
 218         return LABEL_REFLECT|LABEL_GLOSSY;
 219 }
 220
 221 ccl_device int bsdf_hair_transmission_sample(const ShaderClosure *sc, float3 Ng, float3 I, float3 dIdx, float3 dIdy, float randu, float randv, float3 *eval, float3 *omega_in, float3 *domega_in_dx, float3 *domega_in_dy, float *pdf)
 222 {
 223         const HairBsdf *bsdf = (const HairBsdf*)sc;
 224         float offset = bsdf->offset;
 225         float3 Tg = bsdf->T;
 226         float roughness1 = bsdf->roughness1;
 227         float roughness2 = bsdf->roughness2;
 228         float Iz = dot(Tg, I);
 229         float3 locy = normalize(I - Tg * Iz);
 230         float3 locx = cross(locy, Tg);
 231         float theta_r = M_PI_2_F - fast_acosf(Iz);
 232
 233         float roughness1_inv = 1.0f / roughness1;
 234         float a_TT = fast_atan2f(((M_PI_2_F + theta_r)/2 - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 235         float b_TT = fast_atan2f(((-M_PI_2_F + theta_r)/2 - offset) * roughness1_inv, 1.0f);
 236         float c_TT = 2 * fast_atan2f(M_PI_2_F / roughness2, 1.0f);
 237
 238         float t = roughness1 * tanf(randu * (a_TT - b_TT) + b_TT);
 239
 240         float theta_h = t + offset;
 241         float theta_i = 2 * theta_h - theta_r;
 242
 243         float costheta_i, sintheta_i;
 244         fast_sincosf(theta_i, &sintheta_i, &costheta_i);
 245
 246         float p = roughness2 * tanf(c_TT * (randv - 0.5f));
 247         float phi = p + M_PI_F;
 248         float theta_pdf = roughness1 / (2 * (t*t + roughness1*roughness1) * (a_TT - b_TT) * costheta_i);
 249         float phi_pdf = roughness2 / (c_TT * (p * p + roughness2 * roughness2));
 250
 251         float sinphi, cosphi;
 252         fast_sincosf(phi, &sinphi, &cosphi);
 253         *omega_in =(cosphi * costheta_i) * locy -
 254                    (sinphi * costheta_i) * locx +
 255                    (         sintheta_i) * Tg;
 256
 257         //differentials - TODO: find a better approximation for the transmission bounce
 258 #ifdef __RAY_DIFFERENTIALS__
 259         *domega_in_dx = 2 * dot(locy, dIdx) * locy - dIdx;
 260         *domega_in_dy = 2 * dot(locy, dIdy) * locy - dIdy;
 261 #endif
 262
 263         *pdf = fabsf(phi_pdf * theta_pdf);
 264         if(M_PI_2_F - fabsf(theta_i) < 0.001f) {
 265                 *pdf = 0.0f;
 266         }
 267
 268         *eval = make_float3(*pdf, *pdf, *pdf);
 269
 270         /* TODO(sergey): Should always be negative, but seems some precision issue
 271          * is involved here.
 272          */
 273         kernel_assert(dot(locy, *omega_in) < 1e-4f);
 274
 275         return LABEL_TRANSMIT|LABEL_GLOSSY;
 276 }
 277
 278 CCL_NAMESPACE_END
 279
 280 #endif /* __BSDF_HAIR_H__ */
 281