01 Voxel GI：原理与管线

QSTX2026/9/5大约 7 分钟

本文是系列的入口：先说明全局光照要解决什么问题，再说明为什么用有限体素场景表示承载间接光，最后把一帧中的数据阶段和 Render Graph 的调度关系串起来。这里保留总体认知，体素写入、光照采样和滤波的实现细节分别由后续文章展开。

一、全局光照

渲染方程可以写成出射辐射亮度：

L_o(x,\omega_o)=L_e(x,\omega_o)+\int_\Omega f_r(x,\omega_i,\omega_o)L_i(x,\omega_i)\max(\mathbf n\cdot\omega_i,0)\,\mathrm d\omega_i

其中 $L_e$ 是表面自发光，积分项表示来自半球各方向的入射光经过材质反射后的结果。

直接光沿一条可见路径从光源到达表面；间接光至少经过一次表面反射。墙面接收方向光后照亮地面，地面再把光反射到相机可见的物体上，这就是实时 GI 要近似的传播过程。

在当前实现中，体素阶段保存表面属性与自发光，光照阶段将方向光可见性与表面属性组合成直接辐射；可选的间接阶段再从场景表示中查询反弹辐射。两类结果保持清晰的阶段语义：

L_{direct}=L_e+L_{sun}\,V_{sun}\,\max(\mathbf n\cdot\mathbf l,0)\,A

L_{final}=L_{direct}+L_{bounced}\,A\,I_{indirect}

这里 $V_{sun}$ 是方向光阴影得到的可见性， $A$ 是 Albedo。全局光照（Global Illumination，GI）关心的正是遮挡、反射、发光和多次反弹共同形成的整体光能分布。

不同实时 GI 方案的核心差异在于“把场景光照存在哪里，以及怎样查询它”。下面的比较用于定位 Voxel GI，并不表示项目同时实现了所有方案。

Voxel GI 选择有限范围的规则三维网格保存 Albedo、Normal、Opacity、Emissive 与 Radiance。Screen Trace 则从相机深度和法线重建世界位置，再在体素空间中查询它；它是屏幕端的查询组织方式，不替代场景体素化。

体素把连续的场景几何转换为规则三维网格。规则网格的查询坐标直接，适合通过 Compute Shader 并行构建，也适合使用三维纹理在空间中进行邻域采样。体素数据是可复用的场景缓存，不是最终画面的替代品：相机可见范围之外的几何仍可以参与屏幕端的间接光查询。

体素网格使用世界空间轴对齐立方体。Volume 的影响区域只决定相机何时启用 GI，独立的 Voxelization Bounds 才决定三维网格覆盖的世界范围。对原始 Bounds 取最长轴，可以得到三个方向统一的采样单位：

side=\max(size_x,size_y,size_z),\qquad voxelSize=\frac{side}{voxelResolution}

这套约定避免长方体在三个轴上使用不同的体素尺寸，也让体素步进、边界求交和空间查询共享同一个坐标契约。体素网格、体素中心和 3D UV 的具体定义将在空间契约章节中明确。