7.3 实时全局光照的方案货架

7.3 实时全局光照的方案货架

前两节解决了"怎么省"和"怎么救"，本节正面回答那个终极问题：全局光照本身，实时预算里装得下吗？答案是装不下完整的，但货架上有六七种"局部版本"任你挑——每种都是在 6.3 族谱基础上砍掉某个维度换帧率。本节把货架逐层过一遍：烘焙与探针的静态派、屏幕空间的取巧派、光追探针与混合管线的全动态派，最后给一套可执行的选型流程。

第一层货架：烘焙与探针（静态或半静态）

最便宜的全局光是预先算好的。光照贴图把静态表面的间接光烘焙成纹理，静态场景里效果满分、运行时零成本——代价是动态物体享受不到（角色身上没有环境反射的光色变化）。探针是它的动态补丁：在场景里按网格摆放光照探针，每个探针存一份周围入射光的球面表示（低阶球谐是主流），动态物体走到哪就插值周围探针的系数——角色脸上有环境色了，成本是每物体几十次插值。探针的软肋在漏光：探针存的是"体积化"的光照，墙两侧的探针插值会让角色贴墙时身上透出墙那边的光。工程解法从简单到复杂依次是：探针避开墙摆放、给探针配遮挡系数、以及下面要说的动态光追探针。

第二层货架：屏幕空间近似（快但近视）

屏幕空间方案从已渲染的画面里"顺便"提取光照信息：屏幕空间反射沿深度缓冲的反射方向步进找交点，屏幕空间 GI 用相邻像素的颜色差分近似入射辐射。共同优点是只读现成缓冲，成本极低；共同的死穴也一致——视野之外一无所知。第 1 章那面照不到窗外霓虹的镜子就是它们的照妖镜：光源在画面外、反射体在画面外、被遮挡的表面，全都拿不到。所以工业界把屏幕空间方案定位成"第一层近似的兜底"：能覆盖的部分用它（便宜），覆盖不到的落回更贵的方案或直接接受缺失。

第三层货架：光追探针与混合管线（全动态）

硬件光追成熟后，货架的顶层换成了全动态方案。光追探针（以距离场探针与动态漫反射探针为代表）把探针从"烘焙的罐头"变成"现场采集的鲜货"：每个探针每帧向场景发射几十条射线采样入射辐照度与最近距离，存进八面体映射；物体照常插值，但光照是当前帧的——门开了，走廊的光真的会流进来。射线预算的算术：一百乘一百的探针网格乘每探针六十四射线，按需稀疏更新（近处密、远处疏、可见性优先）才压得进预算。混合管线则把整个第 6 章按预算切分：光栅化管主体着色，光追接管屏幕外依赖的效果——阴影射线查硬阴影、反射射线查镜面、探针射线查漫反射 GI，各路输出进 7.2 的降噪器再合成。商业引擎的现行旗舰方案正是混合管线的集大成：表面缓存把场景材质烘成可快速查询的卡片，屏幕空间追踪打头阵，光线步进与硬件光追兜底，全链路时序化。它们共同验证了本章的判断：实时 GI 不是"一个算法"，而是"一组方案在预算里的排班"。

图：方案货架的三层与各自的失效边界

实验台：给一间正在燃烧的房间配光

完整选型案例。场景：燃烧的房屋，火焰作为动态光源，家具可破坏翻倒，目标旗舰平台 60 帧。第一步判动态性：光源动（火焰闪烁）、遮挡动（家具翻倒）、间接光必须响应——烘焙与静态探针整层出局。第二步初配中层：屏幕空间 GI 兜底近处，火焰的直接光照用光栅化管线的逐光源前向渲染。第三步补顶层：一个跟随相机稀疏更新的光追探针网格（近处 64 射线、远处 16 射线，可见性裁剪优先更新近探针）提供全动态漫反射 GI，火焰的间接光由此照亮墙面；硬阴影用主光源阴影射线。第四步验收：家具翻倒瞬间墙面光斑跟着移动且无闪烁——探针更新节奏与时序降噪咬合良好；贴墙观察时角色身上出现轻微漏光——探针按可见性加权后消除。解读：这套排班的每一层都有兜底与失效说明，选型文档里写清楚"什么情况下这层会错"，比堆参数重要得多。变式：若目标平台是移动端，顶层出局，火焰间接光降级为预计算的"燃烧光照探针动画"——用美术资产买回动态感的假象，成本几乎归零。

一套混合管线的伪码骨架

三层货架不是并列选项，多数项目最终把它们叠成一条混合管线——先用便宜层兜底，再让贵层补关键短板。落地骨架长什么样，十行伪码抓住全部分工：

function frame_gi(gbuffer, probes, prevHistory):
    # 第一层：屏幕空间兜底，全分辨率、零射线
    ssGi = screen_space_gi(gbuffer)
    # 第二层：光追探针，稀疏网格、低射线数
    for probe in probes.dirty_or_visible(camera):
        probe.radiance = trace_diffuse(probe.pos, rays = 48,
                                       visibility_clip = true)
    # 插值：像素取周围 4 探针，按距离与可见性加权
    ptGi = interpolate(probes, gbuffer.pos, gbuffer.normal)
    # 第三层：镜面反射走逐像素射线，7.1 的半分辨率配方
    refl = trace_reflection_halfres(gbuffer)
    # 汇合：屏幕空间为主、探针补屏外、时序累计降噪
    gi = denoise(temporal_accumulate(blend(ssGi, ptGi, refl)))
    return gi
​

骨架里三个词各有讲究。脏探针指被动态光源或移动物体波及的探针，只更新它们是稀疏更新的前提；可见性裁剪指先做一次便宜的遮挡测试、再决定要不要花射线；汇合处的按深度渐变混合给屏幕空间方案留了兜底位——探针插值在近处永远不如屏幕空间锐利，两者按距离渐变交接是主流做法。把这段骨架记熟，读任何商业引擎的全局光照模块都有地图在手。

顺手回答一个立项会高频问题：探针网格密度怎么定？经验值是房间级密度（两三米间距）配近处加密。探针的任务是表达低频漫反射间接光，网格过密只会把更新与插值成本推高、画质增益趋零——全局光照的频率上限由漫反射自身决定，探针密度超过它纯属浪费。这也解释了探针与屏幕空间为何是互补而非竞争：一个管低频全覆盖，一个管高频近场锐利。

最后补一条升级路线图供排期参考：第一步上烘焙与探针（画面立涨、成本趋零），第二步接屏幕空间与反射射线（动态性补齐），第三步再上全动态光追探针与降噪（圣杯收编）。倒着做是新手最常见的浪费——还没有探针体系就先追全动态全局光照，预算与团队都会被拖垮。排期表的另一面是验收标准：每升一层都要在目标场景拿到可量化的画质提升（误差指标或盲测得分），拿不出就缓行该层。

骨架与排期之外留一个工程提醒收尾：混合管线里每一层的输出都要有独立的调试开关——只看探针层、只看屏幕空间层、只看光追层，三张中间图常驻调试视图。混合方案排障的第一步永远是"把混合拆开看单层"，哪层坏了一眼定案；没有分图层调试的混合管线，出问题就是一团浆糊。这个习惯第 9 章的热图方法论会正式收编，这里先用起来。到此，实时预算下的三件武器——采样优化、降噪、方案货架——全部交货。

本节要点回顾

• 实时 GI 是货架不是算法：静态烘焙、探针插值、屏幕空间、光追探针、混合管线，动态性与成本同步上升。
• 烘焙与探针便宜到几乎免费，代价是动态光源与漏光；探针避墙、遮挡加权是漏光的初级处方。
• 屏幕空间方案的死穴是视野：只能当第一层兜底，画面外依赖一律要上层方案接盘。
• 光追探针让 GI 全动态化，射线预算靠稀疏更新与可见性裁剪压进毫秒级。
• 选型先判动态性：光源动不动、遮挡动不动、间接光要不要响应——三问定层级。

方案货架配齐了，但它的一切前提是"射线查询本身要快"。下一章下到硬件层：RT Core、图形 API 与整个软件生态。