"""visualize/baker.py の仕様ベーステスト．
仕様出典:
- Phase 1 実装サマリー（bake_irradiance 仕様）
- docs/04_SPEC/SPEC_02_シーン定義仕様.md（lights セクション）
- docs/01_GUIDE/GUIDE_08_テスト方針.md（テスト方針）
テスト方針:
- Mitsuba をモックせず実行する（GUIDE_08）
- ファイル I/O は tmp_path フィクスチャで実ファイルを使う
- 光源タイプ別の解析解（E = I·cosθ/r² 等）と数値比較
テスト対象:
bake_irradiance(scene_config, project_root, *, mode="direct") -> dict[str, np.ndarray]
"""
from __future__ import annotations
from pathlib import Path
import numpy as np
import pytest
import trimesh
from sm_tias_lightsim.scene.schema import SceneConfig
from sm_tias_lightsim.visualize.baker import bake_irradiance
# ---------------------------------------------------------------------------
# 共通ヘルパー関数
# ---------------------------------------------------------------------------
def _make_scene_config_with_meshes(
mesh_entries: list[dict],
light_dict: dict,
) -> SceneConfig:
"""複数メッシュと 1 光源の SceneConfig を作成する．
Args:
mesh_entries: geometry.meshes リストの要素辞書リスト．
各要素は id / path / unit / material を含むこと．
light_dict: lights リストの要素辞書 1 個．
"""
# メッシュ数に合わせて材料辞書を作成（全メッシュが "white" 材料を使う想定）
materials = {"white": {"type": "diffuse", "reflectance": 0.9}}
data = {
"name": "test_bake",
"geometry": {"meshes": mesh_entries},
"materials": materials,
"lights": [light_dict],
"sensor": {
"type": "perspective",
"position": [0.0, 0.0, 200.0],
"target": [0.0, 0.0, 0.0],
"up": [0.0, 1.0, 0.0],
"fov_deg": 60.0,
"film": {"width": 64, "height": 64},
},
"render": {
"variant": "scalar_rgb",
"integrator": "path",
"max_depth": 2,
"spp": 1,
},
}
return SceneConfig.model_validate(data)
# ---------------------------------------------------------------------------
# 1. PointLight 解析解一致テスト
# ---------------------------------------------------------------------------
@pytest.mark.slow
def test_point_light_irradiance_matches_analytical_solution(
point_light_scene_config: tuple[SceneConfig, Path],
):
"""PointLight の照度がコサイン・逆二乗則の解析解と一致すること．
仕様: E += intensity · max(n·L, 0) / r²
（baker.py 内 PointLight 処理ブロック）
セットアップ:
光源: position=(0, 0, 100mm) = (0, 0, 0.1m), intensity=1.0
メッシュ: z=0mm の三角形 1 枚（法線 +Z）
頂点 v0=(0,0,0) / v1=(10,0,0) / v2=(10,10,0) [mm]
重心 = ((0+10+10)/3, (0+0+10)/3, 0) mm = (6.667, 3.333, 0) mm
解析解:
centroid_m = (0.006667, 0.003333, 0) m
light_pos_m = (0, 0, 0.1) m
direction = light_pos_m - centroid_m
r = ||direction||
cos_theta = dot(normal_z, direction_normalized)
E = intensity * cos_theta / r²
"""
config, project_root = point_light_scene_config
# 解析解の計算
light_pos_m = np.array([0.0, 0.0, 0.1]) # (0,0,100mm) in meters
centroid_m = np.array([10.0 / 3.0 * 0.001, 10.0 / 3.0 * 0.001, 0.0])
normal = np.array([0.0, 0.0, 1.0]) # +Z
direction = light_pos_m - centroid_m
r = np.linalg.norm(direction)
dir_n = direction / r
cos_theta = np.dot(normal, dir_n)
intensity = 1.0
E_expected = intensity * cos_theta / (r**2)
result = bake_irradiance(config, project_root)
assert "plane" in result, "mesh_id 'plane' がキーに含まれること"
irr = result["plane"]
assert irr.shape == (1,), "三角形 1 枚なので face 数は 1 であること"
actual = float(irr[0])
# 相対誤差 1% 以内（数値精度の範囲）
rel_err = abs(actual - E_expected) / E_expected
assert rel_err < 0.01, (
f"PointLight 照度の解析解との相対誤差が 1% 超: "
f"actual={actual:.6f}, expected={E_expected:.6f}, rel_err={rel_err:.4f}"
)
# ---------------------------------------------------------------------------
# 2. shadow ray テスト（遮蔽あり）
# ---------------------------------------------------------------------------
@pytest.mark.slow
def test_shadow_ray_blocks_occluded_faces(
tmp_path: Path,
):
"""遮蔽板に隠れた face の照度が 0 になること．
仕様: shadow ray が遮蔽されたらスキップ（baker.py _shadow_ray_blocked）
セットアップ:
- 評価板: z=0mm（法線 +Z）
- 遮蔽板: z=50mm（法線 +Z，LED と評価板の中間）
- LED: z=100mm
期待: 評価板の face は遮蔽板に隠れて irradiance == 0
"""
# 評価板 STL（z=0mm, 法線 +Z, 大きめの面で重心が遮蔽板の投影内に入るよう設定）
eval_verts = np.array(
[[0.0, 0.0, 0.0], [10.0, 0.0, 0.0], [10.0, 10.0, 0.0]], dtype=np.float64
)
eval_faces = np.array([[0, 1, 2]], dtype=np.int64)
eval_mesh = trimesh.Trimesh(vertices=eval_verts, faces=eval_faces, process=False)
eval_stl = tmp_path / "eval_plane.stl"
eval_mesh.export(str(eval_stl))
# 遮蔽板 STL（z=50mm, 大きな平面で評価板をほぼ覆う）
blocker_verts = np.array(
[
[-50.0, -50.0, 50.0],
[50.0, -50.0, 50.0],
[50.0, 50.0, 50.0],
[-50.0, 50.0, 50.0],
],
dtype=np.float64,
)
blocker_faces = np.array([[0, 1, 2], [0, 2, 3]], dtype=np.int64)
blocker_mesh = trimesh.Trimesh(vertices=blocker_verts, faces=blocker_faces, process=False)
blocker_stl = tmp_path / "blocker.stl"
blocker_mesh.export(str(blocker_stl))
config = _make_scene_config_with_meshes(
mesh_entries=[
{
"id": "eval_plane",
"path": str(eval_stl),
"unit": "mm",
"material": "white",
},
{
"id": "blocker",
"path": str(blocker_stl),
"unit": "mm",
"material": "white",
},
],
light_dict={
"id": "led",
"type": "point",
"position": [5.0, 5.0, 100.0], # 遮蔽板の真上
"intensity": 100.0,
"profile": "lambertian",
},
)
result = bake_irradiance(config, tmp_path)
assert "eval_plane" in result
irr_eval = result["eval_plane"]
# 全 face が遮蔽板に隠れているので irradiance == 0
assert np.all(irr_eval == 0.0), (
f"遮蔽板があるとき評価板の irradiance は 0 であるべき: got {irr_eval}"
)
# ---------------------------------------------------------------------------
# 3. DirectionalLight 解析解一致テスト
# ---------------------------------------------------------------------------
@pytest.mark.slow
def test_directional_light_irradiance_matches_analytical_solution(
directional_light_scene_config: tuple[SceneConfig, Path],
):
"""DirectionalLight の照度がコサイン則解析解と一致すること．
仕様: E += irradiance · max(n·L, 0)（距離減衰なし）
direction は「光の進行方向」なので入射方向は逆ベクトル．
セットアップ:
光源: direction=(0, 0, -1)（真下向き）, irradiance=1.0
メッシュ: z=0mm 三角形（法線 +Z）
解析解:
入射方向 = -direction = (0, 0, 1)
cos_theta = dot(+Z, +Z) = 1.0
E = 1.0 * 1.0 = 1.0
"""
config, project_root = directional_light_scene_config
result = bake_irradiance(config, project_root)
assert "plane" in result
irr = result["plane"]
assert irr.shape == (1,)
actual = float(irr[0])
E_expected = 1.0 # irradiance=1.0, cos_theta=1.0
# 相対誤差 1% 以内
rel_err = abs(actual - E_expected) / E_expected
assert rel_err < 0.01, (
f"DirectionalLight 照度の解析解との相対誤差が 1% 超: "
f"actual={actual:.6f}, expected={E_expected:.6f}, rel_err={rel_err:.4f}"
)
@pytest.mark.slow
def test_directional_light_irradiance_is_position_independent(
tmp_path: Path,
):
"""DirectionalLight の照度は face の位置に依存しないこと（距離減衰なし）．
仕様: DirectionalLight は距離減衰なし．全 face で同じ照度値になること．
複数の三角形を異なる XY 位置に配置し，照度が同一になることを検証する．
"""
# 複数の三角形を異なる XY 位置に配置（z=0mm, 法線 +Z）
# 三角形 A: 原点付近
# 三角形 B: 遠い位置
vertices = np.array(
[
# 三角形 A の頂点
[0.0, 0.0, 0.0],
[10.0, 0.0, 0.0],
[10.0, 10.0, 0.0],
# 三角形 B の頂点（100mm 離れた位置）
[100.0, 0.0, 0.0],
[110.0, 0.0, 0.0],
[110.0, 10.0, 0.0],
],
dtype=np.float64,
)
faces = np.array([[0, 1, 2], [3, 4, 5]], dtype=np.int64)
mesh = trimesh.Trimesh(vertices=vertices, faces=faces, process=False)
stl_path = tmp_path / "multi_tri.stl"
mesh.export(str(stl_path))
config = _make_scene_config_with_meshes(
mesh_entries=[
{
"id": "multi_plane",
"path": str(stl_path),
"unit": "mm",
"material": "white",
}
],
light_dict={
"id": "dir_light",
"type": "directional",
"direction": [0.0, 0.0, -1.0],
"irradiance": 1.0,
},
)
result = bake_irradiance(config, tmp_path)
assert "multi_plane" in result
irr = result["multi_plane"]
assert irr.shape == (2,), "三角形 2 枚"
# 全 face で照度が同一（位置非依存）
np.testing.assert_allclose(
irr[0],
irr[1],
rtol=1e-4,
err_msg="DirectionalLight は距離によらず照度が一定であること",
)
# 照度値 > 0（光があたっている）
assert irr[0] > 0.0, "DirectionalLight の照度は正であること"
# ---------------------------------------------------------------------------
# 4. AreaLight 方向性テスト（emit_cos による裏面スキップ）
# ---------------------------------------------------------------------------
@pytest.mark.slow
def test_area_light_illuminates_facing_surface_not_back(
tmp_path: Path,
):
"""AreaLight は放射方向（正面）にのみ照度を与え，裏面には与えないこと．
仕様: AreaLight の emit_cos = dot(-dir_n, dir_vec) が 0 以下の場合はスキップ（裏面）
セットアップ:
AreaLight: center=(0, 0, 100mm), direction=(0, 0, -1)（下向き放射）
メッシュ A: 法線 +Z（光源の正面側）→ 照度あり
メッシュ B: 法線 -Z（光源の背面側，光源 z=100mm より上）→ 照度 0
メッシュ B を光源の下（z=0mm）ではなく上（z=200mm）に置くことで，
面光源の正面（dir=(0,0,-1)）から見たときに裏向きになる状況を作る．
NOTE: 現在の実装では AreaLight の rectangle 形状が Mitsuba シーンに含まれるため，
shadow ray が AreaLight 形状にブロックされ irr_facing[0] == 0.0 になる（実装バグ）．
"""
# メッシュ A: z=0mm, 法線 +Z（光源正面）
verts_a = np.array(
[[0.0, 0.0, 0.0], [10.0, 0.0, 0.0], [10.0, 10.0, 0.0]], dtype=np.float64
)
faces_a = np.array([[0, 1, 2]], dtype=np.int64)
mesh_a = trimesh.Trimesh(vertices=verts_a, faces=faces_a, process=False)
stl_a = tmp_path / "mesh_facing.stl"
mesh_a.export(str(stl_a))
# メッシュ B: z=0mm, 法線 -Z
# 頂点の巻き順を逆にして -Z 法線を作る
verts_b = np.array(
[[20.0, 0.0, 0.0], [30.0, 10.0, 0.0], [30.0, 0.0, 0.0]], dtype=np.float64
)
faces_b = np.array([[0, 1, 2]], dtype=np.int64)
mesh_b = trimesh.Trimesh(vertices=verts_b, faces=faces_b, process=False)
stl_b = tmp_path / "mesh_back.stl"
mesh_b.export(str(stl_b))
config = _make_scene_config_with_meshes(
mesh_entries=[
{
"id": "facing",
"path": str(stl_a),
"unit": "mm",
"material": "white",
},
{
"id": "back",
"path": str(stl_b),
"unit": "mm",
"material": "white",
},
],
light_dict={
"id": "area_led",
"type": "area",
"shape": "rectangle",
"center": [5.0, 5.0, 100.0], # 中間あたり
"size": [10.0, 10.0],
"direction": [0.0, 0.0, -1.0], # 下向き放射
"radiance": 1000.0,
},
)
result = bake_irradiance(config, tmp_path)
assert "facing" in result
assert "back" in result
irr_facing = result["facing"]
irr_back = result["back"]
# 正面メッシュ（法線 +Z，光源の正面）は照度 > 0
assert irr_facing[0] > 0.0, (
f"AreaLight 正面のメッシュは照度 > 0 であること: got {irr_facing[0]}"
)
# 背面メッシュ（法線 -Z，emit_cos <= 0）は照度 == 0
assert irr_back[0] == 0.0, (
f"AreaLight 背面のメッシュは照度 == 0 であること: got {irr_back[0]}"
)
# ---------------------------------------------------------------------------
# 5. mode = "path" で NotImplementedError が発生すること
# ---------------------------------------------------------------------------
def test_unsupported_mode_raises_not_implemented_error(
point_light_scene_config: tuple[SceneConfig, Path],
):
"""mode='path' を指定すると NotImplementedError が raise されること．
仕様: mode != "direct" で NotImplementedError（baker.py bake_irradiance）
Mitsuba をロードしないため @pytest.mark.slow は付けない．
"""
config, project_root = point_light_scene_config
with pytest.raises(NotImplementedError):
bake_irradiance(config, project_root, mode="path") # type: ignore[arg-type]
# ---------------------------------------------------------------------------
# 6. 戻り値の型・形状の検証
# ---------------------------------------------------------------------------
@pytest.mark.slow
def test_bake_irradiance_returns_dict_of_float32_arrays(
point_light_scene_config: tuple[SceneConfig, Path],
):
"""bake_irradiance の戻り値が {mesh_id: np.ndarray(float32)} であること．
仕様: 戻り値は {mesh_id: irradiance_per_face (N_f,) float32}
"""
config, project_root = point_light_scene_config
result = bake_irradiance(config, project_root)
assert isinstance(result, dict), "戻り値は dict であること"
for mesh_id, irr in result.items():
assert isinstance(irr, np.ndarray), f"{mesh_id}: 値は np.ndarray であること"
assert irr.dtype == np.float32, f"{mesh_id}: dtype は float32 であること"
assert irr.ndim == 1, f"{mesh_id}: 1 次元配列であること"
@pytest.mark.slow
def test_bake_irradiance_keys_match_mesh_ids(
point_light_scene_config: tuple[SceneConfig, Path],
):
"""bake_irradiance の辞書キーがシーン定義のメッシュ ID と一致すること．
仕様: 戻り値のキーは {mesh_id: ...}（mesh_cfg.id ごと）
"""
config, project_root = point_light_scene_config
result = bake_irradiance(config, project_root)
expected_ids = {m.id for m in config.geometry.meshes}
assert set(result.keys()) == expected_ids, (
f"辞書キーがメッシュ ID と一致すること: expected={expected_ids}, got={set(result.keys())}"
)
# ---------------------------------------------------------------------------
# 7. PointLight 照度は非負であること
# ---------------------------------------------------------------------------
@pytest.mark.slow
def test_point_light_irradiance_is_non_negative(
point_light_scene_config: tuple[SceneConfig, Path],
):
"""全 face の照度値が非負であること．
仕様: E += intensity · max(n·L, 0) / r²（max により負にならない）
"""
config, project_root = point_light_scene_config
result = bake_irradiance(config, project_root)
for mesh_id, irr in result.items():
assert np.all(irr >= 0.0), f"{mesh_id}: 照度は非負であること"
