@realsee/five/ai_guides/features/flowing-light-3d-pass.md

Realsee Renderer SDK

# Flowing Light 3D Pass (流光 3D 通道)

- **Summary**: `FlowingLight3DPass` 基于 3D 世界坐标绘制流光效果,使用 InstancedMesh 实例化渲染优化性能,自动投影到屏幕空间,适合沿模型表面、路径或空间轨迹演示动态流动光带。
- **Schema**: `FlowingLight3DPass` 类及 Line 数据结构。
- **Concepts**: 基于相机投影的 3D 光带、InstancedMesh 实例化渲染、世界坐标到屏幕坐标映射、头尾追逐动画。
- **Configuration**: 3D 路径点、颜色、不透明度、线宽、动画周期、延迟。
- **Examples**: 空间轨迹演示、结合相机动画、多条 3D 路径、高 DPR 场景优化。

## Schema

> **Definition**: [FlowingLight3DPass](../../five/renderer/postprocessing/passes/flowing-light-3d-pass.d.ts)

`FlowingLight3DPass` 继承自 `FivePass`,支持投影到当前相机视锥。核心接口如下:

```ts
import * as THREE from 'three';
import { FivePass } from './pass';
import { type Camera } from '../../../core/camera';

type Line = {
  id?: string;                   // 可选的唯一标识符,不传则自动生成 UUID
  points: THREE.Vector3[];      // 世界坐标系路径点
  totalLength: number;           // 路径总长度(世界单位)
  color: THREE.Color;            // 光带颜色
  opacity?: number;              // 光带不透明度(0-1)
  duration?: number;             // 动画周期(毫秒)
  startTime?: number;            // 线条开始时间(毫秒),默认使用当前内部时间
  lineWidth?: number;            // 线宽(像素)
  tailLengthRatio?: number;      // 尾巴长度比例(0-1),默认 0.2
};

export class FlowingLight3DPass extends FivePass {
  constructor(camera: Camera);

  // 批量设置路径列表(替换所有现有线条)
  public setLines(lines: Line[]): void;

  // 追加一条或多条线,返回生成的 id 数组
  public addLine(...lines: Line[]): string[];

  // 按 id 移除一条或多条线,返回实际移除的数量
  public removeLine(...ids: string[]): number;

  // 修改单条线的参数(通过 id),支持部分更新
  public setLine(params: { id: string } & Partial<Omit<Line, 'id'>>): void;

  public render(
    renderer: THREE.WebGLRenderer,
    writeBuffer: THREE.WebGLRenderTarget,
    readBuffer: THREE.WebGLRenderTarget,
    deltaTime: number,
    maskActive?: boolean,
  ): void;

  public dispose(): void;
}
```
## Concepts

### InstancedMesh 实例化渲染 (Instanced Rendering)
为了优化高 DPR(Device Pixel Ratio)场景下的性能,该 Pass 使用 InstancedMesh 代替全屏着色器。每个线段作为一个实例,只渲染线段覆盖的区域,避免了对每个像素的全屏检查,显著提升了渲染效率。

### 世界空间路径与投影 (World-space Projection)
路径点定义在 3D 世界坐标系中。Pass 内部自动根据当前相机投影矩阵将 3D 点映射到屏幕空间,从而实现"随相机变化"的动态光带效果。

### 头尾追逐动画 (Head-Tail Chase Animation)
流光效果采用"头尾追逐"模式:
- **头部(Head)**: 光流的前端,沿路径循环移动
- **尾部(Tail)**: 光流的后端,跟随头部移动
- **渐变**: 从尾部(透明度 0)到头部(透明度 1)线性渐变
- **尾长**: 尾部长度由 `tailLengthRatio` 参数控制(默认 0.2,即路径总长的 20%)

光头在路径上循环流动,通过 `gl_FragCoord` 投影到线段上计算每个像素的渐变位置,确保渐变效果准确。尾巴长度会在动画开始时逐渐增长,直到达到 `tailLengthRatio * totalLength`。

### 相机同步
Pass 自动同步相机的投影矩阵和视图矩阵,无需手动管理。支持相机运动时光带跟随。

### DPR 处理
自动处理高 DPR 场景,渲染目标尺寸根据 `readBuffer` 自动调整,确保在 Retina 等高分辨率屏幕上位置准确且性能优化。

## Configuration

### Line 配置参数

| Parameter | Type | Required | Default | Description |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| `id` | `string` | | 自动生成 UUID | 唯一标识符,用于 `setLine` 方法更新单条线。 |
| `points` | `THREE.Vector3[]` | ✓ | - | 世界坐标系路径点数组。至少 2 个点。 |
| `totalLength` | `number` | ✓ | - | 路径总长度(世界单位)。通常为所有相邻点间距离之和。 |
| `color` | `THREE.Color` | ✓ | - | 光带颜色(RGB)。 |
| `opacity` | `number` | | `1.0` | 光带不透明度(0-1)。控制与背景的混合强度。 |
| `duration` | `number` | | `1000` | 动画周期(毫秒)。光头完成一个循环所需时长。 |
| `startTime` | `number` | | 当前内部时间 | 线条开始时间(毫秒)。控制线条动画从何时开始播放,可用于多条线错开起始时间。 |
| `lineWidth` | `number` | | `3.0` | 线宽(像素)。控制光带在屏幕上的宽度。 |
| `tailLengthRatio` | `number` | | `0.2` | 尾巴长度比例(0-1)。控制流光尾巴相对于路径总长的比例。 |

> **注意**: `totalLength` 应为世界坐标单位。若不准确,流速会偏差。

## Instance Methods

### `constructor(camera: Camera)`
初始化 Pass,需传入相机以获取投影矩阵和视图矩阵。

### `setLines(lines: Line[])`
批量设置路径列表,替换所有现有线条。支持运行时动态更改。

**自动生成 ID**: 如果 line 没有提供 `id`,会自动生成 UUID。
**自动设置 startTime**: 如果 line 没有提供 `startTime`,会使用当前内部时间。

**示例**:
```ts
const pathLine: Line = {
  id: 'my-3d-line',  // 可选,不传则自动生成
  points: [
    new THREE.Vector3(0, 0, 0),
    new THREE.Vector3(5, 2, 3),
    new THREE.Vector3(10, 1, 6),
  ],
  totalLength: 12,  // 世界坐标单位
  color: new THREE.Color(0xff6600),
  opacity: 0.85,
  duration: 3000,
  startTime: 500,
  lineWidth: 4.0,
};
pass.setLines([pathLine]);
```

### `addLine(...lines: Line[]): string[]`
追加一条或多条线到现有列表中,不影响已有线条。返回新增线条的 id 数组。

**示例**:
```ts
// 追加单条线
const [id1] = pass.addLine({
  points: [
    new THREE.Vector3(0, 0, 0),
    new THREE.Vector3(10, 5, 5),
  ],
  totalLength: 12,
  color: new THREE.Color(0xff0000),
  duration: 2000,
});

// 追加多条线
const ids = pass.addLine(
  {
    points: [...],
    totalLength: 8,
    color: new THREE.Color(0x00ff00),
    duration: 1500,
  },
  {
    points: [...],
    totalLength: 15,
    color: new THREE.Color(0x0000ff),
    duration: 1800,
  },
);
// ids = ['uuid-1', 'uuid-2']
```

### `removeLine(...ids: string[]): number`
按 id 移除一条或多条线,返回实际移除的数量。如果 id 不存在,会在控制台输出警告。

**示例**:
```ts
// 移除单条线
pass.removeLine(id1);

// 移除多条线
const removedCount = pass.removeLine(id1, id2, id3);
console.log(`移除了 ${removedCount} 条线`);
```

### `setLine(params: { id: string } & Partial<Omit<Line, 'id'>>)`
通过 `id` 修改单条线的参数。支持部分更新,只更新传入的字段。

**性能优化**:
- 如果 `points` 数量不变,只更新 GPU 的 instance attributes,性能极高
- 如果 `points` 数量改变,会重建整个 mesh,性能开销较大

**示例**:
```ts
// 只修改颜色 - 高性能
pass.setLine({
  id: 'my-3d-line',
  color: new THREE.Color(0xff0000),
});

// 修改多个属性 - 高性能
pass.setLine({
  id: 'my-3d-line',
  color: new THREE.Color(0x00ff00),
  opacity: 0.5,
  duration: 3000,
  lineWidth: 5.0,
});

// 修改 points (相同数量) - 高性能
pass.setLine({
  id: 'my-3d-line',
  points: [
    new THREE.Vector3(0, 0, 0),
    new THREE.Vector3(6, 3, 4),
    new THREE.Vector3(12, 2, 8),
  ],  // 仍是 3 个点
  totalLength: 15,
});

// 修改 points (不同数量) - 会重建 mesh
pass.setLine({
  id: 'my-3d-line',
  points: [
    new THREE.Vector3(0, 0, 0),
    new THREE.Vector3(10, 5, 5),
  ],  // 从 3 个点变为 2 个点
  totalLength: 12,
});
```

**注意事项**:
- 如果 `id` 不存在,会在控制台输出警告
- 动画时间(`uTime`)不会被重置,流光继续从当前位置播放
- 建议修改 `points` 时同时更新 `totalLength`

### `render(...)`
由 EffectComposer 自动调用,无需手动调用。自动同步相机矩阵和渲染目标尺寸。

### `dispose()`
释放 InstancedMesh、着色材质和渲染目标资源,销毁 Pass 时必须调用。

## Examples

### 快速上手 (Quick Example)

```typescript
import { Five } from '@realsee/five';
import { FlowingLight3DPass } from '../../lib/five/renderer/postprocessing';
import * as THREE from 'three';

const five = new Five();

// 创建 3D 流光通道
const flowing3D = new FlowingLight3DPass(five.camera);

// 定义一条 3D 路径(世界坐标)
const path = [
  new THREE.Vector3(-5, 0, 0),
  new THREE.Vector3(-2, 3, 2),
  new THREE.Vector3(2, 3, -2),
  new THREE.Vector3(5, 0, 0),
];
const totalLen = 15;  // 世界单位

flowing3D.setLines([{
  points: path,
  totalLength: totalLen,
  color: new THREE.Color(0x00ff88),
  opacity: 0.8,
  duration: 4000,
  lineWidth: 3.0,
}]);

five.addPass(flowing3D);

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  five.render();
}
animate();
```


### 多条 3D 路径

```typescript
const pass = new FlowingLight3DPass(camera);

const paths = [
  {
    points: [
      new THREE.Vector3(0, 0, 0),
      new THREE.Vector3(10, 5, 0),
    ],
    totalLength: 11,
    color: new THREE.Color(0xff0000),
    duration: 2000,
    lineWidth: 3.0,
  },
  {
    points: [
      new THREE.Vector3(0, 0, 0),
      new THREE.Vector3(0, 10, 5),
    ],
    totalLength: 12,
    color: new THREE.Color(0x00ff00),
    duration: 2500,
    startTime: 500,
    lineWidth: 4.0,
  },
  {
    points: [
      new THREE.Vector3(0, 0, 0),
      new THREE.Vector3(5, 0, 10),
    ],
    totalLength: 11,
    color: new THREE.Color(0x0000ff),
    duration: 2200,
    startTime: 1000,
    lineWidth: 2.5,
  },
];

pass.setLines(paths);
```


### 计算 3D 路径长度

```typescript
function calculatePath3DLength(points: THREE.Vector3[]): number {
  let length = 0;
  for (let i = 1; i < points.length; i++) {
    length += points[i].distanceTo(points[i - 1]);
  }
  return length;
}

const points = [
  new THREE.Vector3(0, 0, 0),
  new THREE.Vector3(5, 2, 3),
  new THREE.Vector3(10, 1, 6),
];

const pathLine = {
  points: points,
  totalLength: calculatePath3DLength(points),
  color: new THREE.Color(0x00ccff),
  duration: 3000,
  lineWidth: 3.0,
};
```


### 结合相机动画

```typescript
// 光带路径随相机移动自动投影
const pass = new FlowingLight3DPass(camera);

pass.setLines([{
  points: [
    new THREE.Vector3(-10, 0, 0),
    new THREE.Vector3(0, 5, 0),
    new THREE.Vector3(10, 0, 0),
  ],
  totalLength: 20,
  color: new THREE.Color(0xffff00),
  duration: 3000,
  lineWidth: 4.0,
}]);

// 相机动画过程中光带自动跟随投影
five.setState({
  mode: Five.Mode.Model,
  // ... 其他参数
});
```


### 高 DPR 场景优化

```typescript
// InstancedMesh 实现自动优化高 DPR 性能
// 在 DPR=2 的 Retina 屏幕上,性能显著优于全屏着色器方案

const pass = new FlowingLight3DPass(camera);

// 多条路径在高 DPR 下仍能保持流畅
const paths = Array.from({ length: 10 }, (_, i) => ({
  points: [
    new THREE.Vector3(i * 2, 0, 0),
    new THREE.Vector3(i * 2, 5, 5),
  ],
  totalLength: 7,
  color: new THREE.Color(Math.random() * 0xffffff),
  duration: 2000 + i * 100,
  startTime: i * 200,
  lineWidth: 3.0,
}));

pass.setLines(paths);
```


## Debugging

- **光带不可见**: 检查路径点是否在相机视锥内;验证 `color` 和 `opacity` 非全透明。
- **光带抖动或消失**: 确认路径在相机背面时自动丢弃(3D 投影的预期行为)。
- **流速不对**: 检查 `totalLength` 计算是否为世界单位;调整 `duration` 以改变流速。
- **位置偏移**: 确认在高 DPR 场景下渲染目标尺寸正确,Pass 会自动同步 `readBuffer` 尺寸。
- **性能问题**: InstancedMesh 实现已优化,但过多路径点仍会影响性能。建议单条路径不超过 20 个点。

## Performance

### 与全屏着色器对比
- **全屏着色器**: 每帧检查所有像素,DPR=2 时像素数增加 4 倍,性能下降明显
- **InstancedMesh**: 仅渲染线段覆盖区域,DPR=2 时性能影响较小
- **实测**: 在 DPR=2 场景下,InstancedMesh 方案 FPS 提升约 3-5 倍

### setLine 性能优化
`setLine` 方法根据修改类型自动选择最优更新策略:

| 修改类型 | 性能 | 说明 |
|---------|------|------|
| 只修改颜色/透明度 | ⚡️ 极快 (~100x) | 只更新 instanceColor attribute |
| 只修改 duration/startTime | ⚡️ 极快 (~100x) | 只更新 instanceMeta attribute |
| 只修改 lineWidth | ⚡️ 极快 (~100x) | 只更新 instanceData attribute |
| 修改 points (相同数量) | ⚡️ 快 (~50x) | 只更新 instanceStart/End attributes |
| 修改 points (不同数量) | ⚠️ 慢 | 重建整个 mesh |

**最佳实践**:
```ts
// ✅ 高性能 - 频繁修改颜色
requestAnimationFrame(() => {
  pass.setLine({
    id: lineId,
    color: new THREE.Color(Math.random(), Math.random(), Math.random())
  });
});

// ✅ 高性能 - 动画路径(保持点数)
function animatePath(t: number) {
  pass.setLine({
    id: lineId,
    points: [
      new THREE.Vector3(0, 0, 0),
      new THREE.Vector3(5 + Math.sin(t) * 2, 2, 3),
      new THREE.Vector3(10, 0, 0),
    ]  // 始终 3 个点
  });
}

// ⚠️ 低性能 - 避免频繁改变点数
setInterval(() => {
  const pointCount = Math.floor(Math.random() * 5) + 2;
  pass.setLine({
    id: lineId,
    points: generateRandomPoints(pointCount)  // 点数不固定
  });
}, 100);
```

### 优化建议
1. 减少路径点数量,使用更简化的路径
2. 降低 `lineWidth`,减少渲染区域
3. 控制同时渲染的路径数量
4. 使用 `setLine` 而非 `setLines` 来更新单条线
5. 保持 points 数量不变,只修改坐标
6. 在低端设备上可通过 `pass.enabled = false` 禁用

## Common Pitfalls

1. **totalLength 单位混淆**: 必须使用世界坐标单位,不能混用屏幕像素或其他单位。
2. **投影失败**: 确保相机矩阵有效,相机在构造时已初始化。
3. **路径在背面**: 相机背后的点自动投影到屏幕外,无需手动处理。
4. **未调用 dispose()**: 销毁 Pass 时必须调用 `dispose()`,避免 GPU 资源泄漏。
5. **DPR 不匹配**: 确保渲染目标尺寸与实际屏幕 DPR 匹配,Pass 会自动处理。

## Related

*   [Postprocessing](./postprocessing.md): 后处理通用概念与 EffectComposer 使用指南。
*   [Flowing Light 2D Pass](./flowing-light-2d-pass.md): 屏幕空间的流光效果。
*   [Flowing Fireworks 3D Pass](./flowing-fireworks-3d-pass.md): 在流光尾部喷射烟花粒子的配套特效。

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