home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Stars of Shareware: Raytrace & Morphing / SOS-RAYTRACE.ISO / programm / source / radsrc22 / src / rt / raytrace.c < prev    next >
Encoding:
C/C++ Source or Header  |  1992-10-06  |  11.8 KB  |  469 lines
  1. /* Copyright (c) 1991 Regents of the University of California */
  2.  
  3. #ifndef lint
  4. static char SCCSid[] = "@(#)raytrace.c 2.1 11/12/91 LBL";
  5. #endif
  6.  
  7. /*
  8.  *  raytrace.c - routines for tracing and shading rays.
  9.  *
  10.  *     8/7/85
  11.  */
  12.  
  13. #include  "ray.h"
  14.  
  15. #include  "octree.h"
  16.  
  17. #include  "otypes.h"
  18.  
  19. #include  "otspecial.h"
  20.  
  21. extern CUBE  thescene;                  /* our scene */
  22. extern int  maxdepth;                   /* maximum recursion depth */
  23. extern double  minweight;               /* minimum ray weight */
  24. extern int  do_irrad;                   /* compute irradiance? */
  25.  
  26. long  raynum = 0L;                      /* next unique ray number */
  27. long  nrays = 0L;                       /* number of calls to localhit */
  28.  
  29. static FLOAT  Lambfa[5] = {PI, PI, PI, 0.0, 0.0};
  30. OBJREC  Lamb = {
  31.     OVOID, MAT_PLASTIC, "Lambertian",
  32.     {0, 5, NULL, Lambfa}, NULL, -1,
  33. };                                      /* a Lambertian surface */
  34.  
  35. #define  MAXLOOP        128             /* modifier loop detection */
  36.  
  37. #define  RAYHIT         (-1)            /* return value for intercepted ray */
  38.  
  39.  
  40. rayorigin(r, ro, rt, rw)                /* start new ray from old one */
  41. register RAY  *r, *ro;
  42. int  rt;
  43. double  rw;
  44. {
  45.     if ((r->parent = ro) == NULL) {         /* primary ray */
  46.         r->rlvl = 0;
  47.         r->rweight = rw;
  48.         r->crtype = r->rtype = rt;
  49.         r->rsrc = -1;
  50.         r->clipset = NULL;
  51.         r->revf = raytrace;
  52.     } else {                                /* spawned ray */
  53.         r->rlvl = ro->rlvl;
  54.         if (rt & RAYREFL) {
  55.             r->rlvl++;
  56.             r->rsrc = -1;
  57.             r->clipset = ro->clipset;
  58.         } else {
  59.             r->rsrc = ro->rsrc;
  60.             r->clipset = ro->newcset;
  61.         }
  62.         r->revf = ro->revf;
  63.         r->rweight = ro->rweight * rw;
  64.         r->crtype = ro->crtype | (r->rtype = rt);
  65.         VCOPY(r->rorg, ro->rop);
  66.     }
  67.     rayclear(r);
  68.     return(r->rlvl <= maxdepth && r->rweight >= minweight ? 0 : -1);
  69. }
  70.  
  71.  
  72. rayclear(r)                     /* clear a ray for (re)evaluation */
  73. register RAY  *r;
  74. {
  75.     r->rno = raynum++;
  76.     r->newcset = r->clipset;
  77.     r->ro = NULL;
  78.     r->rot = FHUGE;
  79.     r->pert[0] = r->pert[1] = r->pert[2] = 0.0;
  80.     setcolor(r->pcol, 1.0, 1.0, 1.0);
  81.     setcolor(r->rcol, 0.0, 0.0, 0.0);
  82.     r->rt = 0.0;
  83. }
  84.  
  85.  
  86. raytrace(r)                     /* trace a ray and compute its value */
  87. RAY  *r;
  88. {
  89.     extern int  (*trace)();
  90.  
  91.     if (localhit(r, &thescene))
  92.         raycont(r);
  93.     else if (sourcehit(r))
  94.         rayshade(r, r->ro->omod);
  95.  
  96.     if (trace != NULL)
  97.         (*trace)(r);            /* trace execution */
  98. }
  99.  
  100.  
  101. raycont(r)                      /* check for clipped object and continue */
  102. register RAY  *r;
  103. {
  104.     if (r->clipset != NULL && inset(r->clipset, r->ro->omod))
  105.         raytrans(r);
  106.     else
  107.         rayshade(r, r->ro->omod);
  108. }
  109.  
  110.  
  111. raytrans(r)                     /* transmit ray as is */
  112. register RAY  *r;
  113. {
  114.     RAY  tr;
  115.  
  116.     if (rayorigin(&tr, r, TRANS, 1.0) == 0) {
  117.         VCOPY(tr.rdir, r->rdir);
  118.         rayvalue(&tr);
  119.         copycolor(r->rcol, tr.rcol);
  120.         r->rt = r->rot + tr.rt;
  121.     }
  122. }
  123.  
  124.  
  125. rayshade(r, mod)                /* shade ray r with material mod */
  126. register RAY  *r;
  127. int  mod;
  128. {
  129.     static int  depth = 0;
  130.     register OBJREC  *m;
  131.                     /* check for infinite loop */
  132.     if (depth++ >= MAXLOOP)
  133.         objerror(r->ro, USER, "possible modifier loop");
  134.     r->rt = r->rot;                 /* set effective ray length */
  135.     for ( ; mod != OVOID; mod = m->omod) {
  136.         m = objptr(mod);
  137.         /****** unnecessary test since modifier() is always called
  138.         if (!ismodifier(m->otype)) {
  139.             sprintf(errmsg, "illegal modifier \"%s\"", m->oname);
  140.             error(USER, errmsg);
  141.         }
  142.         ******/
  143.                     /* hack for irradiance calculation */
  144.         if (do_irrad && !(r->crtype & ~(PRIMARY|TRANS))) {
  145.             if (irr_ignore(m->otype)) {
  146.                 depth--;
  147.                 raytrans(r);
  148.                 return;
  149.             }
  150.             if (!islight(m->otype))
  151.                 m = &Lamb;
  152.         }
  153.         (*ofun[m->otype].funp)(m, r);   /* execute function */
  154.         m->lastrno = r->rno;
  155.         if (ismaterial(m->otype)) {     /* materials call raytexture */
  156.             depth--;
  157.             return;         /* we're done */
  158.         }
  159.     }
  160.     objerror(r->ro, USER, "material not found");
  161. }
  162.  
  163.  
  164. raytexture(r, mod)                      /* get material modifiers */
  165. RAY  *r;
  166. int  mod;
  167. {
  168.     static int  depth = 0;
  169.     register OBJREC  *m;
  170.                     /* check for infinite loop */
  171.     if (depth++ >= MAXLOOP)
  172.         objerror(r->ro, USER, "modifier loop");
  173.                     /* execute textures and patterns */
  174.     for ( ; mod != OVOID; mod = m->omod) {
  175.         m = objptr(mod);
  176.         if (!istexture(m->otype)) {
  177.             sprintf(errmsg, "illegal modifier \"%s\"", m->oname);
  178.             error(USER, errmsg);
  179.         }
  180.         (*ofun[m->otype].funp)(m, r);
  181.         m->lastrno = r->rno;
  182.     }
  183.     depth--;                        /* end here */
  184. }
  185.  
  186.  
  187. raymixture(r, fore, back, coef)         /* mix modifiers */
  188. register RAY  *r;
  189. OBJECT  fore, back;
  190. double  coef;
  191. {
  192.     FVECT  curpert, forepert, backpert;
  193.     COLOR  curpcol, forepcol, backpcol;
  194.     register int  i;
  195.                     /* clip coefficient */
  196.     if (coef > 1.0)
  197.         coef = 1.0;
  198.     else if (coef < 0.0)
  199.         coef = 0.0;
  200.                     /* save current mods */
  201.     VCOPY(curpert, r->pert);
  202.     copycolor(curpcol, r->pcol);
  203.                     /* compute new mods */
  204.                         /* foreground */
  205.     r->pert[0] = r->pert[1] = r->pert[2] = 0.0;
  206.     setcolor(r->pcol, 1.0, 1.0, 1.0);
  207.     if (fore != OVOID && coef > FTINY)
  208.         raytexture(r, fore);
  209.     VCOPY(forepert, r->pert);
  210.     copycolor(forepcol, r->pcol);
  211.                         /* background */
  212.     r->pert[0] = r->pert[1] = r->pert[2] = 0.0;
  213.     setcolor(r->pcol, 1.0, 1.0, 1.0);
  214.     if (back != OVOID && coef < 1.0-FTINY)
  215.         raytexture(r, back);
  216.     VCOPY(backpert, r->pert);
  217.     copycolor(backpcol, r->pcol);
  218.                     /* sum perturbations */
  219.     for (i = 0; i < 3; i++)
  220.         r->pert[i] = curpert[i] + coef*forepert[i] +
  221.                 (1.0-coef)*backpert[i];
  222.                     /* multiply colors */
  223.     setcolor(r->pcol, coef*colval(forepcol,RED) +
  224.                 (1.0-coef)*colval(backpcol,RED),
  225.             coef*colval(forepcol,GRN) +
  226.                 (1.0-coef)*colval(backpcol,GRN),
  227.             coef*colval(forepcol,BLU) +
  228.                 (1.0-coef)*colval(backpcol,BLU));
  229.     multcolor(r->pcol, curpcol);
  230. }
  231.  
  232.  
  233. double
  234. raynormal(norm, r)              /* compute perturbed normal for ray */
  235. FVECT  norm;
  236. register RAY  *r;
  237. {
  238.     double  newdot;
  239.     register int  i;
  240.  
  241.     /*      The perturbation is added to the surface normal to obtain
  242.      *  the new normal.  If the new normal would affect the surface
  243.      *  orientation wrt. the ray, a correction is made.  The method is
  244.      *  still fraught with problems since reflected rays and similar
  245.      *  directions calculated from the surface normal may spawn rays behind
  246.      *  the surface.  The only solution is to curb textures at high
  247.      *  incidence (namely, keep DOT(rdir,pert) < Rdot).
  248.      */
  249.  
  250.     for (i = 0; i < 3; i++)
  251.         norm[i] = r->ron[i] + r->pert[i];
  252.  
  253.     if (normalize(norm) == 0.0) {
  254.         objerror(r->ro, WARNING, "illegal normal perturbation");
  255.         VCOPY(norm, r->ron);
  256.         return(r->rod);
  257.     }
  258.     newdot = -DOT(norm, r->rdir);
  259.     if ((newdot > 0.0) != (r->rod > 0.0)) {         /* fix orientation */
  260.         for (i = 0; i < 3; i++)
  261.             norm[i] += 2.0*newdot*r->rdir[i];
  262.         newdot = -newdot;
  263.     }
  264.     return(newdot);
  265. }
  266.  
  267.  
  268. newrayxf(r)                     /* get new tranformation matrix for ray */
  269. RAY  *r;
  270. {
  271.     static struct xfn {
  272.         struct xfn  *next;
  273.         FULLXF  xf;
  274.     }  xfseed = { &xfseed }, *xflast = &xfseed;
  275.     register struct xfn  *xp;
  276.     register RAY  *rp;
  277.  
  278.     /*
  279.      * Search for transform in circular list that
  280.      * has no associated ray in the tree.
  281.      */
  282.     xp = xflast;
  283.     for (rp = r->parent; rp != NULL; rp = rp->parent)
  284.         if (rp->rox == &xp->xf) {               /* xp in use */
  285.             xp = xp->next;                  /* move to next */
  286.             if (xp == xflast) {             /* need new one */
  287.                 xp = (struct xfn *)bmalloc(sizeof(struct xfn));
  288.                 if (xp == NULL)
  289.                     error(SYSTEM,
  290.                         "out of memory in newrayxf");
  291.                             /* insert in list */
  292.                 xp->next = xflast->next;
  293.                 xflast->next = xp;
  294.                 break;                  /* we're done */
  295.             }
  296.             rp = r;                 /* start check over */
  297.         }
  298.                     /* got it */
  299.     r->rox = &xp->xf;
  300.     xflast = xp;
  301. }
  302.  
  303.  
  304. flipsurface(r)                  /* reverse surface orientation */
  305. register RAY  *r;
  306. {
  307.     r->rod = -r->rod;
  308.     r->ron[0] = -r->ron[0];
  309.     r->ron[1] = -r->ron[1];
  310.     r->ron[2] = -r->ron[2];
  311.     r->pert[0] = -r->pert[0];
  312.     r->pert[1] = -r->pert[1];
  313.     r->pert[2] = -r->pert[2];
  314. }
  315.  
  316.  
  317. localhit(r, scene)              /* check for hit in the octree */
  318. register RAY  *r;
  319. register CUBE  *scene;
  320. {
  321.     FVECT  curpos;                  /* current cube position */
  322.     int  sflags;                    /* sign flags */
  323.     double  t, dt;
  324.     register int  i;
  325.  
  326.     nrays++;                        /* increment trace counter */
  327.     sflags = 0;
  328.     for (i = 0; i < 3; i++) {
  329.         curpos[i] = r->rorg[i];
  330.         if (r->rdir[i] > FTINY)
  331.             sflags |= 1 << i;
  332.         else if (r->rdir[i] < -FTINY)
  333.             sflags |= 0x10 << i;
  334.     }
  335.     if (sflags == 0)
  336.         error(CONSISTENCY, "zero ray direction in localhit");
  337.     t = 0.0;
  338.     if (!incube(scene, curpos)) {
  339.                     /* find distance to entry */
  340.         for (i = 0; i < 3; i++) {
  341.                     /* plane in our direction */
  342.             if (sflags & 1<<i)
  343.                 dt = scene->cuorg[i];
  344.             else if (sflags & 0x10<<i)
  345.                 dt = scene->cuorg[i] + scene->cusize;
  346.             else
  347.                 continue;
  348.                     /* distance to the plane */
  349.             dt = (dt - r->rorg[i])/r->rdir[i];
  350.             if (dt > t)
  351.                 t = dt; /* farthest face is the one */
  352.         }
  353.         t += FTINY;             /* fudge to get inside cube */
  354.                     /* advance position */
  355.         for (i = 0; i < 3; i++)
  356.             curpos[i] += r->rdir[i]*t;
  357.  
  358.         if (!incube(scene, curpos))     /* non-intersecting ray */
  359.             return(0);
  360.     }
  361.     return(raymove(curpos, sflags, r, scene) == RAYHIT);
  362. }
  363.  
  364.  
  365. static int
  366. raymove(pos, dirf, r, cu)               /* check for hit as we move */
  367. FVECT  pos;                     /* modified */
  368. int  dirf;                      /* direction indicators to speed tests */
  369. register RAY  *r;
  370. register CUBE  *cu;
  371. {
  372.     int  ax;
  373.     double  dt, t;
  374.  
  375.     if (istree(cu->cutree)) {               /* recurse on subcubes */
  376.         CUBE  cukid;
  377.         register int  br, sgn;
  378.  
  379.         cukid.cusize = cu->cusize * 0.5;        /* find subcube */
  380.         VCOPY(cukid.cuorg, cu->cuorg);
  381.         br = 0;
  382.         if (pos[0] >= cukid.cuorg[0]+cukid.cusize) {
  383.             cukid.cuorg[0] += cukid.cusize;
  384.             br |= 1;
  385.         }
  386.         if (pos[1] >= cukid.cuorg[1]+cukid.cusize) {
  387.             cukid.cuorg[1] += cukid.cusize;
  388.             br |= 2;
  389.         }
  390.         if (pos[2] >= cukid.cuorg[2]+cukid.cusize) {
  391.             cukid.cuorg[2] += cukid.cusize;
  392.             br |= 4;
  393.         }
  394.         for ( ; ; ) {
  395.             cukid.cutree = octkid(cu->cutree, br);
  396.             if ((ax = raymove(pos,dirf,r,&cukid)) == RAYHIT)
  397.                 return(RAYHIT);
  398.             sgn = 1 << ax;
  399.             if (sgn & dirf)                 /* positive axis? */
  400.                 if (sgn & br)
  401.                     return(ax);     /* overflow */
  402.                 else {
  403.                     cukid.cuorg[ax] += cukid.cusize;
  404.                     br |= sgn;
  405.                 }
  406.             else
  407.                 if (sgn & br) {
  408.                     cukid.cuorg[ax] -= cukid.cusize;
  409.                     br &= ~sgn;
  410.                 } else
  411.                     return(ax);     /* underflow */
  412.         }
  413.         /*NOTREACHED*/
  414.     }
  415.     if (isfull(cu->cutree) && checkhit(r, cu))
  416.         return(RAYHIT);
  417.                     /* advance to next cube */
  418.     if (dirf&0x11) {
  419.         dt = dirf&1 ? cu->cuorg[0] + cu->cusize : cu->cuorg[0];
  420.         t = (dt - pos[0])/r->rdir[0];
  421.         ax = 0;
  422.     } else
  423.         t = FHUGE;
  424.     if (dirf&0x22) {
  425.         dt = dirf&2 ? cu->cuorg[1] + cu->cusize : cu->cuorg[1];
  426.         dt = (dt - pos[1])/r->rdir[1];
  427.         if (dt < t) {
  428.             t = dt;
  429.             ax = 1;
  430.         }
  431.     }
  432.     if (dirf&0x44) {
  433.         dt = dirf&4 ? cu->cuorg[2] + cu->cusize : cu->cuorg[2];
  434.         dt = (dt - pos[2])/r->rdir[2];
  435.         if (dt < t) {
  436.             t = dt;
  437.             ax = 2;
  438.         }
  439.     }
  440.     pos[0] += r->rdir[0]*t;
  441.     pos[1] += r->rdir[1]*t;
  442.     pos[2] += r->rdir[2]*t;
  443.     return(ax);
  444. }
  445.  
  446.  
  447. static
  448. checkhit(r, cu)                 /* check for hit in full cube */
  449. register RAY  *r;
  450. CUBE  *cu;
  451. {
  452.     OBJECT  oset[MAXSET+1];
  453.     register OBJREC  *o;
  454.     register int  i;
  455.  
  456.     objset(oset, cu->cutree);
  457.     for (i = oset[0]; i > 0; i--) {
  458.         o = objptr(oset[i]);
  459.         if (o->lastrno == r->rno)               /* checked already? */
  460.             continue;
  461.         (*ofun[o->otype].funp)(o, r);
  462.         o->lastrno = r->rno;
  463.     }
  464.     if (r->ro == NULL)
  465.         return(0);                      /* no scores yet */
  466.  
  467.     return(incube(cu, r->rop));             /* hit OK if in current cube */
  468. }
  469.