《实时全局光照：GI 探针、SSGI、体积光照与 Lumen 思路》

一个场景的亮度分成两部分：直接光（从光源直达表面）与间接光（光在物体间弹跳后到达）。直接光好算，间接光则是"真实感"的分水岭——没有 GI 的画面像舞台布光，有了 GI 才像自然世界。实时渲染的 GI 难题在于：精确 GI 需要路径追踪（见 光线追踪与混合渲染），成本太高。于是业界用一条光谱：烘焙 Lightmap（最便宜）、光照探针（动态物体）、屏幕空间 SSGI（临场感）、直到 Lumen/RTGI（全动态）。本文按成本从低到高梳理这条谱系，并给出选型决策。

一、直接光与间接光

一句话：直接光是光源直达的光，间接光是弹过一圈的光；间接光让阴影区不再死黑、让色彩在场景中"洇染"，是真实感的主要来源。

1.1 渲染方程视角

渲染方程把出射辐射度写成直接项与间接项之和：

L_o = L_e + ∫ f_r · L_i · cosθ dω
            ├─ 直接项：光源直接照射
            └─ 间接项：来自场景其他表面的反射光

实时渲染对直接项做得非常好（Shadow Map、级联阴影见 光照与阴影），间接项则靠近似——因为它的积分维度是"全场景所有表面"。

1.2 间接光的两种形态

1.3 天光（Sky Light）

没有天光时"天空"也可以被视为一个巨大光源：环境贴图（Cubemap/HDRI）提供从上到下的辐射，是最廉价的 GI 起点。天光 + 环境光遮蔽（AO）就能让静态场景立起"空间感"，是 GI 的第一步。

二、烘焙光照与 Lightmap

一句话：烘焙（Baking）用离线渲染器把间接光预计算进 Lightmap（逐纹素光照图），运行时只是采样——代价全在制作期，运行时几乎为零。

2.1 烘焙流程

1. 建模 → 拆 UV2（第二套光照 UV，与纹理 UV 分离）；
2. 离线光照（Radiosity / 路径追踪 / 辐射度）计算每个纹素的漫反射间接光照；
3. 输出 Lightmap 纹理（通常 RGBA16F 或 RGBM 编码）；
4. 运行时采样 Lightmap，乘以反照率即可。

// GLSL：Lightmap 采样
vec3 gi = texture(lightmap, vUv2).rgb * texture(albedoTex, vUv).rgb;
color = directLight * albedo + gi;   // 直接 + 间接

2.2 优缺点

2.3 烘焙的变体

• Baked GI（纯 Lightmap）：静态场景专用；
• 间接 Lightmap + 动态直光：Lightmap 只存间接光，直光实时算——灯光变暗时间接光同步变暗；
• Lightmass / 烘焙工具：Unreal Lightmass、Unity GPU Progressive Lightmapper 等。

编码上 Lightmap 常用 RGBM（RGB + Multiplier）或 LDR+AO，降低带宽；高动态范围需求用 RGB9_E5 或 RG11B10F。

三、Irradiance Volume：光照探针

一句话：Lightmap 覆盖静态表面，动态物体没法采样表面光照，于是用"体素网格里的探针"记录周围空间的光照，运行时按位置插值——这是动态物体 GI 的标准方案。

3.1 探针（Light Probe）

在场景空间布点（网格、球体、随机），每个探针预计算该点的辐照度（irradiance）——来自各个方向的天光/间接光入射的积分结果，常存为：

• 球谐（Spherical Harmonics，SH）系数：通常 3 阶 9 个系数，压缩方向信息；
• 或预滤波 Cubemap：存方向辐射，采样更直接但更占空间。

// 探针数据：一阶/二阶/三阶 SH 系数
struct SH9 {
    float r[9], g[9], b[9];   // 每通道 9 个 SH 系数
};

3.2 运行时插值

动态物体按位置取周围 8 个探针（网格布局）或 K 近邻，做权重插值，把 SH 系数按法线方向求值得到漫反射 GI：

// GLSL：SH 采样漫反射间接光
vec3 shEval(const in SH9 sh, vec3 n) {
    // 用法线方向对 SH 基函数求值（省略系数展开）
    float r = dot(sh.r, basis(n));
    float g = dot(sh.g, basis(n));
    float b = dot(sh.b, basis(n));
    return vec3(r, g, b);
}

3.3 探针布置与陷阱

• 间距：探针太疏会插值出错误光照，太密成本高；按场景几何复杂度自适应；
• 遮挡：探针无法感知墙体，跨墙插值会"漏光"（light leaking）——用可见性/体积烘焙修正；
• 动态探针：可用低分辨率反射（上一帧深度）实时更新少数探针，支撑部分动态 GI。

四、反射探针与镜面 GI

一句话：漫反射 GI 解决"暗部泛光"，镜面 GI 解决"高光与环境倒影"——反射探针把场景快照进 Cubemap，运行时按粗糙度做 mipmap 采样，一帧搞定大部分镜面间接光。

4.1 反射探针（Reflection Probe）

在场景位置放一个探针，渲染周围 6 面 Cubemap（或等距柱状），预过滤成带 mip 的粗糙度序列：mip0 最锐（镜面），mipN 最糊（粗糙）。运行时 PBR 采样：

采样级别 ≈ 粗糙度（roughness）→ mip level
粗糙度低 → 采 mip0（锐利倒影）
粗糙度高 → 采高 mip（糊成漫反射色）

// GLSL：PBR 镜面间接光采样（split-sum 近似）
vec3 R = reflect(-V, N);
float lod = roughness * MAX_MIP_LEVEL;
vec3 prefiltered = textureLod(envCube, R, lod).rgb;
vec2 brdf = texture(brdfLUT, vec2(NdotV, roughness)).rg;
vec3 specularGI = prefiltered * (F0 * brdf.x + brdf.y);

4.2 探针的局限与修补

• 一个探针只能覆盖小范围，大场景需要多个探针 + 混合；
• 探针快照是静态的，移动物体不会反映在倒影里；
• 补偿：**SSR（屏幕空间反射）**用上一帧深度/颜色重建反射，见 后处理管线；探针 + SSR 是 AAA 的标准镜面 GI 组合。

4.3 平面反射（Planar Reflection）

水平面/地面常用专门的平面反射：以平面镜像相机渲染一次场景。成本高（全场景重渲），但水面这类大面积镜面效果远超探针。实时方案常把"探针 + SSR + 平面反射"按表面类型分配。

五、SSGI：屏幕空间全局光照

一句话：SSGI 把屏幕空间当成场景的"代理"——用上一帧的颜色与深度，在屏幕空间做光线步进采样，把远处理深处隐藏的间接光"带回来"，零额外场景数据却有临场感。

5.1 原理

SSGI（Screen-Space Global Illumination）与 SSR 同源：

1. 对每个像素，随机采样半球若干方向；
2. 用深度缓冲沿方向做光线步进（Ray March），找到命中点；
3. 把命中点上一帧的颜色当作该方向的入射光；
4. 累加所有命中样本，得到漫反射/镜面间接光。

SSGI 一次命中:
  像素 P → 采样方向 D → 步进到表面 S → 取 S 的上一帧颜色作为入射光
  多个方向命中 → 平均 → 叠加到 P 的 GI

5.2 优点与硬伤

• 优点：无需任何场景预处理；动态（几何、灯光、动画都实时反映）；可与探针/Lightmap 叠加补足动态细节。
• 硬伤：只能看到屏幕内的信息——被屏幕边缘切掉或藏在背面的间接光永远采不到，常配合"上一帧颜色 + 时域累积"减轻空洞。

// GLSL：SSGI 单方向步进示意
vec3 march(inout vec3 dir) {
    vec3 p = worldPos + normal * bias;
    for (int i = 0; i < STEPS; ++i) {
        p += dir * stepLen;
        vec4 sp = projView * vec4(p, 1.0);
        vec2 uv = sp.xy / sp.w * 0.5 + 0.5;
        float depth = texture(depthTex, uv).r;
        if (uv 越界) break;
        if (sp.z < depth) {
            return texture(prevColorTex, uv).rgb;   // 命中 → 取色
        }
    }
    return vec3(0.0);                               // 未命中
}

5.3 时域降噪

SSGI 的随机采样噪声很大，必须配时域累积 + 降噪（原理见 抗锯齿与时序）：用运动向量把上帧结果重投影，与当前帧混合，把噪声平均成平滑的间接光。

六、动态 GI 思路：Lumen 与 RTGI

一句话：全动态 GI 是终极形态——Lumen 用"软件光追 + 全局表面缓存"模拟多次弹跳，RTGI 用硬件光追直接算间接光；前者省显存、通用，后者物理准确但成本高。

6.1 Lumen（UE5）的核心思路

Lumen 不追求逐像素精确，而是：

• 全局表面缓存（Global Surface Cache）：把场景网格的材质与光照缓存到低分辨率图集，供光线命中时查色；
• 软件光追 + Mesh SDF：用有向距离场（SDF）做光线步进，命中表面缓存取色；
• 屏幕空间优先：能命中屏幕空间的先用（快），命中不到才查 SDF/表面缓存；
• 多次弹跳：把一次弹跳的结果再当作光源做第二次弹跳，模拟漫反射扩散。

Lumen 一次弹跳:
  屏幕空间命中（快） → 有则取屏幕颜色
  ↓ 未命中
  SDF 步进（Mesh SDF） → 命中 → 查 Global Surface Cache
  ↓
  反射/漫反射间接光 → 再次弹跳迭代

6.2 RTGI（硬件光追 GI）

用 RT Core（见 光线追踪）对间接光发射少量光线，命中后采样材质与光照，再经时域降噪。物理上更准确，但每像素几十根间接光线 + 降噪的开销仍高于 Lumen 的软光追。

6.3 动态 GI 对比

七、混合方案与工程选型

一句话：现实中几乎没人只用一种 GI——主流的混合是"烘焙打底、探针管动态物体、SSGI/光追补细节"，按平台预算把成本阶梯排列。

7.1 经典混合架构

7.2 按平台选型

• 低端移动：Lightmap + 探针 + 天光，几乎零动态 GI；
• 中端移动/PC：Lightmap + 探针 + SSGI + 反射探针；
• 高端 PC / 主机：Lumen 或 RTGI + 屏幕空间降噪；
• 影视/离线：路径追踪全精确。

7.3 工程决策清单

• 场景几何是否静态？（静态多 → 烘焙收益大）
• 是否有日夜/开关灯？（有 → 需要动态 GI 至少管灯光）
• 移动物体多吗？（多 → 探针/动态探针必需）
• 高端平台还是全平台？（预算决定是否上 Lumen/RTGI）

// 概念：运行时 GI 组合的开关策略
struct GISettings {
    bool useBaked;      // Lightmap 采样
    bool useProbes;     // SH 探针插值
    bool useSSGI;       // 屏幕空间步进
    bool useRT;         // 硬件光追（可选）
};
// 高端平台开 RT，中端降级到 SSGI，低端只剩 baked + probes

八、移动端与降级策略

一句话：移动端几乎没有实时多次弹跳的预算，工程重点是把 GI 质量"做进烘焙、省在运行时"，并把动态部分限制在探针与廉价 SSGI 上。

8.1 移动端预算特征

• 带宽与功耗是硬约束，全屏 GI Pass 每秒几十 MB 读写不可接受；
• 无光追硬件，Lumen 式软光追也不现实（除非降分辨率 + 降采样率）；
• 结论：烘焙优先，动态 GI 用探针与低分辨率 SSGI。

8.2 移动端 GI 组合

8.3 降级技巧

• 半分辨率 GI 缓冲 + 上采样（GI 是低频信号，低分辨率感知损失小）；
• 帧交替计算 SSGI（隔帧更新，配合时域累积）；
• 探针网格稀疏化 + 可见性预计算，减少运行时插值错误；
• 用 GL_EXT_texture_compression 压缩 Lightmap，降带宽。

总结

实时全局光照是一张"成本—精度"光谱：烘焙 Lightmap 用离线算力换运行零成本，光照探针让动态物体共享空间光照，SSGI 用屏幕空间信息补充临场细节，Lumen 用软件光追 + 表面缓存逼近全动态多次弹跳，RTGI 则用硬件光追换取物理精确。工程上几乎总是混合使用，把各层的成本按平台预算阶梯排列。

实践路径：先搭"天光 + Lightmap + SH 探针 + 反射探针"的最小 GI 栈，用 RenderDoc 检查静态场景的暗部不再死黑；再加 SSGI 观察动态物体的临场感；高端平台再评估 Lumen/RTGI。每一步都以"间接光是否可信"为验收标准，避免叠加过多 GI 层导致光影打架。