GCL学术成果：SIGGRAPH 2025-轻量化静态全局光照烘焙

5月 22, 2025 1 分钟阅读时长

【论文标题】WishGI: Lightweight Static Global Illumination Baking via Spherical

Harmonics Fitting

【作者】朱均可1，吴泽涵2，张启兴1，廖诚* 2，黄章进* 1

【单位】中国科学技术大学1，腾讯游戏2

背景与问题

全局光照（Global Illumination，GI）是指模拟场景中所有光线交互的过程，包括直接光照和间接光照。高质量的全局光照技术能显著提升虚拟场景的真实感，为用户带来更沉浸的体验。在大多数虚拟场景中，静态物体构成了场景的主体部分。通过预计算和光照烘焙技术，可大幅降低实时运行时的计算开销，因此静态全局光照烘焙技术近年来备受关注。

在各类静态全局光照技术中，我们重点关注面向低端平台的优化方案。由于硬件性能限制，这类平台往往面临严峻的内存与算力挑战。现有基于光照探针（Probe）的技术方案需在场景中存储大量球谐函数数据，并在渲染时依赖像素级插值计算，这给低端平台带来了显著的存储压力和运行时性能负担。Epic Games通过将探针分布到物体表面，并采用基于组件的插值方式来降低运行时开销，使其得以在移动端运行。但该方案应用于结构复杂的物体时会出现光照质量下降的问题。Sloan等人提出的方案基于物体表面计算光照，并将存储数据简化为光强和主要光方向，这使其成为工业界应用最广泛的方法。然而在低端平台上，由于精度限制和压缩伪影，该方案会产生视觉瑕疵。此外，UV映射的使用导致内存空间出现间隙浪费。

针对上述问题，我们的目标是设计一种轻量化的静态全局光照烘焙技术，在保证良好运行效率的同时，实现对半球空间光照的高精度烘焙。

图1 法线贴图会在切线空间中扰动几何法线，因此，我们需要烘焙半球空间的光照数据。此外，由于场景中可能会存在同一三角网格的多个实例，所有在局部模型空间中的操作需要能够适用于全部实例。
图1 法线贴图会在切线空间中扰动几何法线，因此，我们需要烘焙半球空间的光照数据。此外，由于场景中可能会存在同一三角网格的多个实例，所有在局部模型空间中的操作需要能够适用于全部实例。

解决方案

面对上述挑战，本文的核心思想是利用远离奇异点的光滑场流线作为布局边界，这使得奇异点能够被包裹在布局内部，从而形成更直的布局边界并减少奇异点的扭曲影响。为实现这一目标，我们摒弃了直接施加几何限制（例如禁止路径穿过场奇点的n环邻域）的传统思路，转而引入一种基于场平滑度的间接度量来控制划分质量，确保划分边界保持在场平滑度较高的区域内。基于这一思想与度量，该论文开发了实用的布局划分算法：在场平滑度控制下，先迭代地生成路径形成初始布局，再删除冗余路径实现布局简化。更多细节与说明详见我们的论文。

我们的工作在保持高精度的同时实现了优越的运行性能，支持细节层级（LOD）系统，并能通过极少的内存实现整个场景的昼夜变换（Time of Day，TOD）。此外，该方案能以极低的内存占用呈现良好的光照效果，有效减少像素着色器的采样开销，避免引入额外的Render pass，非常适合低端平台的静态全局光照需求。

实验结果

我们对不同复杂程度的单个物体与完整的场景均进行了详细的测试，在同等光照质量下，我们的工作所占用内存约为行业内主流方法的5%。

图2 针对不同复杂度的单个模型的测试。
图2 针对不同复杂度的单个模型的测试。

图3 针对整个场景的测试。
图3 针对整个场景的测试。

我们在OPPO、小米、三星等各品牌手机上均进行了帧率测试，本工作的测试平均帧率达到行业领先水平。我们还对本工作的运行参数进行了详细测试，结果表明我们的方法能够有效减少像素着色器的负担，能良好适配低端平台。

表1 本方法在每个像素的平均采样次数为3.08次，优于Lightmap的5.14次，远优于体积光照贴图的12.20次，同时在内存读取带宽、Basepass Time均具有一定的优势。
表1 本方法在每个像素的平均采样次数为3.08次，优于Lightmap的5.14次，远优于体积光照贴图的12.20次，同时在内存读取带宽、Basepass Time均具有一定的优势。

技术贡献

在这项工作中，我们的贡献主要包括：

  1. 提出了一种光照重建方法，能有效减少片段着色器的采样计算，避免额外的渲染通道，从而确保卓越的运行时性能。

  2. 提出了一种光照烘焙方法，通过球谐函数拟合来烘焙有效光照信息，提高有效信息利用率并实现更高精度。

  3. 提出了一种逆向探针分布方法，在局部空间为每个网格生成独特的探针关联关系，以减少球谐函数数据冗余。该关联关系可离线生成，并保证同一网格所有实例的光照质量一致性。

论文发表

该工作已被计算机图形学顶会SIGGRAPH 2025接收，并将发表于顶级期刊《ACM Transactions on Graphics》。该期刊2024-2025年度影响因子为7.8，是计算机科学与软件工程领域的一区刊物之一。

论文原文

Junke Zhu, Zehan Wu, Qixing Zhang, Cheng Liao, Zhangjin Huang. WishGI: Lightweight Static Global Illumination Baking via Spherical Harmonics Fitting. ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH), 44(4), 2025.

学术成果