2026/7/26大约 5 分钟
全局光照 (Global Illumination) - 光在场景中的弹跳
引言：直接光 vs 间接光
一个点收到的光分两部分：
- 直接光（Direct）：直接来自光源。
- 间接光（Indirect / GI）：从其它表面弹跳来的光 —— 红墙旁的白墙会泛红、阴影里并非全黑。
全局光照 = 模拟间接光（多次弹跳）。它是"真实感"的关键，但也是最贵的部分（真正的多次弹跳是全局积分问题）。实时渲染的所有 GI 方案，本质都是在质量、动态性、性能之间做近似与取舍。
一、GI 方案总览
核心分野：烘焙（质量高、几乎免费运行时，但静态、占内存、不可动）vs 实时（动态、支持变化，但更贵、有噪声/延迟）。
二、烘焙类 GI
Lightmap（光照贴图）
- 原理：离线计算静态物体表面的间接光（含多次弹跳），烘焙成一张光照贴图，运行时直接采样叠加。
- 优点：质量高（可做全局光线追踪级烘焙）、运行时几乎零成本。
- 缺点：仅静态物体、静态光；占内存与磁盘；烘焙耗时；改光需重烘。
- 需要模型有第二套 UV（Lightmap UV，不重叠）。
Light Probe（光照探针）
- 原理：在空间中布置探针，烘焙各探针处的环境光照（通常用球谐 SH 存储）；动态物体移动时插值附近探针，获得间接光。
- 补足了 Lightmap 的空缺 —— 让会动的角色/物体也能吃到烘焙 GI。
Reflection Probe（反射探针）
- 烘焙局部环境的 Cubemap，供镜面反射采样（配合 PBR 的镜面 IBL）。
| 烘焙方案 | 服务对象 | 存储 |
|---|---|---|
| Lightmap | 静态表面的漫反射 GI | 光照贴图纹理 |
| Light Probe | 动态物体的漫反射 GI | 球谐系数（探针网格） |
| Reflection Probe | 镜面反射 | Cubemap |
三、实时 GI
屏幕空间 GI / 反射（SSGI / SSR）
- 原理：在屏幕空间用已有的深度/颜色缓冲，光线步进（ray marching）估计间接光/反射。
- 优点：全动态、开销相对可控、无需预计算。
- 缺点：只能利用屏幕内可见的信息 —— 屏幕外、被遮挡的内容无法贡献，边缘出屏会瑕疵；有噪声，需降噪。
Lumen（UE5，实时 GI + 反射）
- 核心思想：混合方案 —— 用屏幕空间 + 软件/硬件光线追踪对场景做距离场/网格的光线求交，实现全动态的多弹跳 GI 与反射，无需烘焙。
- 优点：动态光照/可变场景下仍有可信 GI；与 Nanite 配合。
- 代价：开销较高，有一定噪声/延迟，低端设备吃力。（细节以 UE 版本文档为准）
DDGI（Dynamic Diffuse GI，探针 + 光追）
- 核心思想：把 Light Probe 思路实时化 —— 用光线追踪动态更新一张探针体积里的辐照度（含可见性），运行时插值。相当于"会实时更新的 Light Probe"。
- 优点：动态、较平滑、相对可扩展。
- 代价：需光追能力，探针分辨率限制细节。
其它
- VXGI（体素锥追踪）：把场景体素化，用锥追踪估间接光；较老、开销大。
- 光线追踪 GI（路径追踪的实时近似）：最物理，但最贵，依赖 RT 硬件 + 强降噪。
四、横向对比
| 方案 | 动态性 | 质量 | 运行时开销 | 主要限制 |
|---|---|---|---|---|
| Lightmap | 静态 | 高 | 极低 | 只静态、占内存、需重烘 |
| Light Probe | 动态物体 | 中 | 低 | 探针密度限制精度 |
| SSGI/SSR | 全动态 | 中 | 中 | 只用屏幕内信息、边缘瑕疵、噪声 |
| Lumen | 全动态 | 高 | 高 | 低端吃力、噪声/延迟（UE5） |
| DDGI | 全动态 | 中-高 | 中-高 | 需光追、探针分辨率 |
| RT GI/路径追踪 | 全动态 | 最高 | 最高 | 需 RT 硬件 + 降噪 |
五、实践选型
- 移动端 / 性能敏感：Lightmap（静态）+ Light Probe（动态物体）+ Reflection Probe 是稳妥、廉价的经典组合。
- 需要动态时间/可破坏场景：考虑 SSGI（轻）或 Lumen/DDGI（重，需硬件支撑）。
- 高端 PC/主机、追求画质：Lumen / RT GI。
- 混合：常见做法是"烘焙打底 + 屏幕空间补充"，兼顾成本与动态。
GI 是画质与性能矛盾最尖锐的领域之一，务必结合性能分析按目标平台选型。
附：核心概念速查
| 概念 | 说明 |
|---|---|
| 间接光 / GI | 从其它表面弹跳来的光，真实感关键，最贵 |
| Lightmap | 烘焙静态表面 GI 到纹理，运行时几乎免费 |
| Light Probe | 烘焙空间光照（SH），供动态物体插值 |
| Reflection Probe | 烘焙 Cubemap 供镜面反射 |
| SSGI/SSR | 屏幕空间 GI/反射，全动态但只用屏幕内信息 |
| Lumen | UE5 混合实时 GI+反射，全动态、较贵 |
| DDGI | 光追实时更新的探针体积 GI |
| 球谐（SH） | 紧凑存储低频环境光照的手段 |
总结
- 全局光照（GI）模拟间接光的多次弹跳，是真实感渲染的核心，也是性能开销最大的环节之一。
- 烘焙类方案（Lightmap、Light Probe、Reflection Probe）质量高、运行时开销低，但仅适用于静态场景和静态光照。
- 实时 GI 方案（SSGI、Lumen、DDGI 等）支持动态光照和可变化场景，但需要更高的计算开销，并伴随噪声或延迟问题。
- 方案选型需在质量、动态性和性能之间权衡，根据目标平台选择合适的组合策略。