Cycles: better path termination for transparency.
[blender.git] / 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