threejs-procedural-materials

程序化材质

构建因果图，而不是一组通道效果：

stable coordinates -> structural causes -> identity weights
  -> causal modifiers -> filtered microstructure
  -> NodeMaterial PBR slots -> final-image owner

标准的不透明／发光 PBR 使用 MeshStandardNodeMaterial，只有当表面需要其额外波瓣或传输属性时才使用 MeshPhysicalNodeMaterial。通过赋值节点插槽，而不是替换整个片元输出，保留 Three.js 的光照、环境、阴影和能量处理。

对于多系统场景，$threejs-choose-skills 是可选的协调器。场负责共享标量／向量因果量，几何负责轮廓，水负责表面／传输，最终图像管线负责色调映射和显示转换。使用每个动态或跨系统因果量时，都要声明其单位、坐标／参考系约定、生产者和消费者归属、版本、空间／时间支持范围及滤波方式、有效域、误差界限、更新频率和过时规则。视觉材质状态不会因此成为另一个模拟归属方。

在分配存储、调度由计算着色器写入的因果贴图或编译基于存储的材质分支之前，先初始化并检查渲染器：

await renderer.init();
if (renderer.backend.isWebGPUBackend !== true) {
  throw new Error('Native WebGPU is required for procedural material GPU branches.');
}
const { features, limits } = renderer.backend.device;

根据已初始化的特性和限制，选择采样／存储绑定、可写格式和滤波方式。

1. 固定坐标、因果量和身份

根据物理因果量或创作因果量，选择 UV、对象、世界、径向或生成纹理空间。以米或声明的美术单位记录尺度。只有在表示不同因果量时，混合空间才有效，例如在对象空间颗粒上叠加世界高度湿度。

定义归一化材质身份权重，并为每种身份指定响应束：

linear base reflectance
roughness alpha and metal/dielectric endpoint
resolved height/normal spectrum plus removed variance
causal modifiers such as wetness, wear, heat, or coverage
semantic/material ID and diagnostic color

所有通道都使用相同的滤波权重。硬性语义资格与可见混合宽度保持分离。当一个 GGX 波瓣近似亚像素混合时，混合 alpha=roughness^2，再通过 sqrt(alpha) 还原粗糙度。

涉及地形或海床时，在连接海岸距离、湿度、浅水、泡沫或焦散之前，先阅读底质与水的归属。

完成此步骤的标准：每个 PBR 通道都能追溯到同一坐标／尺度约定中的具名因果量和身份权重；任何零权重区域都有硬性语义回退。

2. 根据缺陷和成本选择映射方式

按以下顺序选择：

1. 当接缝和纹素密度失真均达标时，使用 UV。
2. 当图层具有相同的尺寸、格式、mip、颜色语义和采样器策略时，使用纹理数组。
3. 当不满足数组约束且有明确归属的 mip 安全边距时，使用图集。
4. 对于主导方向或顶面／侧面拆分，使用单轴／双轴投影。
5. 只有在没有成本更低的参数化方式能保留尺度时，才使用三平面映射。
6. 只有在观察到的缺陷是重复，而非参数化问题时，才使用随机平铺。

分别统计绑定数和实际执行的采样次数。已安装的 r185 triplanarTexture() 对每个绑定的纹理执行三次投影采样，并使用法线绝对值作为权重；它不会重新定向切线空间法线，也不提供随机平铺。数组／图集可减少绑定数，但不会减少采样次数。

在使用图集、纹理数组、三平面映射或随机平铺之前，请阅读 映射与滤波。

完成此步骤的标准：所选映射解决了观察到的缺陷；每种纹理的颜色／数据语义和 mip 策略都已明确；编译后的绑定／采样次数符合目标管线要求，且新增采样的价值经过了测量。

3. 将共享成因接入 NodeMaterial 插槽

仅管理材质所需的插槽：

colorNode             linear identity color and causal shifts
roughnessNode         identity alpha plus filtered modifiers
metalnessNode         conductor/dielectric identity
normalNode            normalMap, texture bump, or shared-height gradient
aoNode                local cavity/contact term
opacity/mask/alphaTest cutout or dissolve
emissiveNode          actual scene-linear emitted radiance
positionNode          visible local displacement
castShadowPositionNode matching caster displacement
castShadow/maskShadow matching cutout or dissolve

在 r185 中，receivedShadowPositionNode 是独立的世界空间接收器覆盖项；除非明确推导并验证了替代方案，否则应将其留空。可见位移和投射阴影位移共用一个局部空间成因。发光输入 HDR 材质结果；泛光和色调映射仍由下游负责。

数据纹理使用 NoColorSpace；编码为 sRGB 的颜色使用 SRGBColorSpace，而线性 sRGB HDR 使用 LinearSRGBColorSpace。其他颜色编码需要使用其声明的转换；创作时指定颜色空间并不意味着就是 sRGB。通过 RenderPipeline.outputColorTransform 或一次 renderOutput()，确保最终输出转换只有一个负责者。

当每个受管理的插槽都有一个成因、可见/阴影遮罩与位移保持一致、颜色/数据编码正确，且没有材质节点重复执行最终输出转换时，此步骤即告完成。

4. 过滤微结构与镜面响应

在扰动法线之前，先过滤高度/法线频带。片元表面梯度须在导数一致的控制流中计算；顶点/计算位移使用解析梯度或存储的梯度。在各级 mip 中保留法线均值及方差，而不是将均值归一化后丢弃其长度。

Three.js r185 已在 getRoughness() 中加入几何法线变化。自定义镜面抗锯齿只添加尚未解析的材质细节方差。添加程序化凹凸、自定义法线过滤或粗糙度方差前，请先阅读导数法线与镜面抗锯齿。

当标量程序化高度同时用于法线细节和镜面抗锯齿时，请阅读过滤高度法线示例。根据完整的变形后 Jacobian 谱范数提供无量纲的 footprintCyclesPerSample、以每个长度单位的周期数表示的物理支撑频率，以及围绕所提供均值的正频带半宽。heightHalfAmplitude 使用与表面相同的长度单位。它将衰减、移除的斜率方差、双面表面的梯度法线处理以及 roughness^2 扩宽整合到一条因果路径中。字面量输入会按 f32 精度检查；动态节点需要通过等效的生产端准入检查。退化的表面坐标系会返回基础法线和 normalValid=false，而不是对零向量归一化。验证条件数下限，并确保完整的导数路径保持一致。

当所有保留的频带都通过投影足迹检查、移除的斜率/法线方差只被计入一次，且无后期处理的近/中/远距离对比能够排除随距离变化的锐化和掠射角闪烁时，此步骤即告完成。

5. 自主管理动态状态和实例级状态

一个材质图服务一个批次。静态实例差异使用属性；只有在实测更新／访问模式更有优势时，才使用存储缓冲支持的实例数据来实现由 GPU 负责的高频变化。溶解、湿润度、变体或生命周期字段会根据同一稳定的对象／世界原因驱动可见遮罩和阴影遮罩。内置阴影重写不会自动复制动态不透明度／alpha 测试节点；请使用参考中介绍的共享布尔遮罩路径。替换材质节点图时，通过设置 material.needsUpdate = true 使 material.version 失效，以便重建缓存的投射体路径。

原因映射遵循程序化字段的直接计算与烘焙判定。静态映射只构建一次；动态映射按其所有者的更新频率更新，并使依赖的 mip 失效。计算任务的提交先于其消费渲染。在 r185 中，computeAsync() 不是 GPU 完成栅栏。

状态代次在被帧引用期间保持不可变。调整大小、材质标识变化、坐标变化、映射编码变化和设备丢失都会使依赖的历史记录、绑定和诊断信息失效。每种材质、纹理、存储资源和生成的变体都必须有明确的释放负责人。

满足以下条件即表示此步骤完成：每个动态原因都由一个负责人推进，每条实例记录都具有稳定的标识和重置行为，而且无需逐对象克隆材质或执行影响帧关键路径的 CPU 回读。

6. 诊断与验证

公开坐标模式／比例、标识权重与回退、每种结构性原因、映射权重／mip／边缘留白、绑定和采样次数、抗锯齿前后的粗糙度、法线均值／方差、可见物与投射体的一致性、原始自发光、未应用后期处理的美术效果，以及最终后期处理结果。

验证近景／中景／远景和运动视图；导体／电介质端点；所选滤波下的图集边缘留白；编译阶段限制；色彩空间标志；稳定的实例／阴影行为；以及在声称性能时的目标整帧耗时／字节数。

满足以下条件即表示此步骤完成：每种 PBR 标识、映射分支、滤波法线分支、动态状态、阴影路径、颜色转换、资源生命周期，以及声称的目标预算，都有直接的诊断证据。

完成

满足以下条件即表示材质系统完成：一个共享的原因／标识图为所有自主管理的 PBR 槽提供数据；映射与滤波决策有证据支持；材质细节在不同覆盖范围和运动下保持稳定；动态状态只有一个负责人和重置路径；原始材质输出、阴影、后期处理和资源生命周期彼此一致。