Three.js着色器语言(TSL)中的旋转节点详解

概述

Three.js着色器语言(TSL)作为Three.js项目中的着色器编程接口，提供了丰富的内置节点功能。其中旋转节点(rotate)是一个实用但之前文档不够完善的功能，本文将深入解析该节点的使用方法和实现原理。

旋转节点的基本用法

TSL中的rotate节点允许开发者在着色器中执行三维旋转操作。该函数接受以下参数：

• 输入向量：需要进行旋转的原始向量
• 旋转角度：以弧度表示
• 旋转轴：定义旋转方向的单位向量

函数签名如下：

rotate(input: Vector3, angle: RadNode, axis: Vector3): Vector3

旋转顺序说明

根据Three.js源码实现，rotate节点内部使用XYZ欧拉角顺序进行旋转计算。这意味着当同时存在多个轴向旋转时，将按照X轴→Y轴→Z轴的顺序依次应用旋转。

实际应用示例

在粒子系统或实例化渲染中，rotate节点常用于调整实例的方向。例如在鸟群模拟中，可以使用它让每只鸟朝向飞行方向：

material.vertexNode = TSL.Fn(() => {
    const position = positions.element(TSL.instanceIndex);
    const velocity = velocities.element(TSL.instanceIndex);
    
    // 计算旋转角度和轴
    const angle = /* 计算角度 */;
    const axis = /* 计算旋转轴 */;
    
    // 应用旋转
    const rotatedPosition = TSL.rotate(TSL.positionLocal, angle, axis);
    
    return /* 后续变换 */;
})();

高级应用：实现lookAt功能

虽然TSL目前没有直接提供lookAt函数，但可以通过旋转矩阵实现类似效果。以下是一个完整的实现方案：

const calculateRotationMatrix = TSL.Fn(
  ({ direction, forward }) => {
    const axis = direction.cross(forward).normalize();
    const angle = TSL.acos(direction.dot(forward));

    // 构建旋转矩阵
    const s = TSL.sin(angle);
    const c = TSL.cos(angle);
    const t = c.oneMinus();

    return TSL.mat3(
      t.mul(axis.x).mul(axis.x).add(c),
      t.mul(axis.x).mul(axis.y).sub(axis.z.mul(s)),
      // ... 矩阵其他元素
    );
  }
);

性能考虑

在着色器中使用旋转运算时需要注意：

1. 欧拉角计算相对简单，但可能存在万向节锁问题
2. 矩阵旋转更稳定但计算量稍大
3. 对于大量实例，建议在CPU预处理旋转数据

结语

Three.js的TSL语言通过rotate节点提供了便捷的旋转功能，理解其内部实现和使用方法可以帮助开发者更高效地创建动态3D效果。随着TSL的不断发展，未来可能会加入更多面向特定用例的便捷函数，进一步简化着色器编程。