全局光照——从 Lightmap 到 Lumen

一、全局光照在做什么#

之前学过的 Phong/PBR 光照模型都是局部光照——每个像素只考虑它自己直接接收到光源的光。但在真实世界中：

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阳光 → 打在地板上 → 反射黄色光 → 照亮白墙（白墙变成暖色）
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阳光 → 穿过红色窗帘 → 整个房间偏红

GI（Global Illumination）模拟的就是——光线弹射。 太阳直射光只是第一跳，第二跳、第三跳的光线弹射让场景明亮且充满环境色。没有 GI 的画面最明显的问题就是”阴影死黑”——在阴影里的物体完全看不到，而现实中因为有墙面、地面的反弹光，阴影里的物体只是暗一点点。

二、Lightmap——离线烘焙的静态 GI#

1 思路#

不实时算反弹光。在打包时把场景的所有间接光照预先算好，烤（Bake）到一张纹理上：

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场景的每个静态物体 → 展开 UV（Lightmap UV，不同于纹理 UV）
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                  → 光追（Path Tracing，模拟数千次弹射）
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                  → 把结果烤到 Lightmap 纹理
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运行时：Sample Lightmap → 直接加间接光照结果，零额外计算开销

2 优劣#

优点	缺点
运行时几乎零开销	只对静态物体有效——动的物体没有 GI
质量极高（可以追踪几千次弹射）	Lightmap 数据量巨大（1080p 全场景可能上百 MB）
一次烘焙，永久复用	场景改动就要重新烘焙（迭代慢）
适合手游——算力不够但内存相对宽裕	动态光源无法参与 GI

Lightmap 至今仍然是移动端 GI 的标配方案。

三、Lumen——UE5 的实时 GI#

1 设计目标#

Lumen 要在没有硬件光追的设备上提供实时 GI——并做到 60fps。它的方案是用一系列近似替代精确计算。

2 三步走#

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Step 1: Surface Cache
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  → 把每个网格体的表面属性（BaseColor、Normal）缓存到虚拟纹理页面里
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  → 这样后续不用反复采样 GBuffer
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Step 2: 快速光线步进
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  → Lumen 不做三角形级别的光追（太慢）
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  → 用 SDF（Signed Distance Fields）或 Mesh Distance Fields 做光线步进
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  → SDF 存的是"离最近的表面有多远"——光线步进可以从这个信息大步跳跃
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Step 3: Radiance Cache（辐亮度缓存）
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  → 在场景中稀疏地采样（Probes）
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  → 对每个 Probe 累积弹射后的光照信息
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  → 渲染时从最近的 Probes 插值

3 SDF 光线步进：不用三角形怎么做光追#

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传统 RT：沿着光线方向，一步步找三角形相交
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SDF 步进：
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  查询"当前位置离最近的表面多远"（SDF 值 d）
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  → 沿着光线方向前进 d（因为 d 距离内不可能碰到任何表面，大步跳！）
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  → 继续查询 SDF 值 → 继续前进
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  → 当 d < 阈值时 → 命中表面

SDF 光追一个大场景可能只需 20-30 步，而逐像素遍历三角形可能需要成千上万步。

4 Lumen 的两个模式#

	Software Ray Tracing（默认）	Hardware Ray Tracing
做光追的数据结构	SDF / Mesh Distance Fields	BVH（真正的三角形）
精度	较低（SDF 有近似误差）	高（真正的三角形求交）
性能	快	需要 RT 卡（RTX/AMD RT）
反射质量	较模糊	清晰
适用的场景	所有设备（DX11 也能跑）	高端 PC/次世代主机

UE5 在这两个模式间可以动态切换——反射用 SDF 模糊近似，需要精确镜面反射时切到 HW RT。

四、Screen Space GI#

Lumen 还有个备用方案：屏幕空间追踪（Screen Space Trace）。

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对渲染目标上的每个像素：
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  → 在屏幕空间做光线步进（沿着深度缓冲做 March）
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  → 如果光线在屏幕里碰到物体（看深度变化）→ 读取那一点的颜色作为反弹光
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  → 如果光线走出了屏幕边缘 → 回退到 SDF 追踪或放弃

Screen Space 的问题是——光线走出屏幕就断了。 你脚下的地面，经常有一半在屏幕外——Screen Space GI 处理不了这种情况。Lumen 的 Screen Space Trace 只作为补充，主体靠 SDF 追踪。

五、三种 GI 方案的对比#

	Lightmap	Lumen (SDF)	Lumen (HW RT)	传统 Path Tracing
实时性	完全烘焙	实时	实时	离线（每帧几十秒）
动态物体	不支持	支持	支持	支持
动态光源	不支持	支持	支持	支持
质量	极高（离线）	中等（近似）	高	极高（Ground Truth）
硬件要求	极低	中等	RT 卡	无（离线）
适用场景	手游、静态场景	全平台实时 GI	高端 PC/主机	电影 VFX、烘焙

Lumen 的价值在于把 GI 从”高端 PC 特权”变成了”所有平台都可用”。

六、Lumen 在开放世界场景里#

一个小型室内房间的间接光照其实不一定需要 Lumen——范围小、光源固定，Lightmap 或 SSGI 可能就够了。但在开放世界城镇、地下城和动态昼夜场景里，如果能用 Lumen 做实时反射和软阴影，湿润地面、金属护甲和洞穴墙面的材质表现会明显提升。

这也是 UE5 的一个设计哲学——默认开 Lumen，让小型项目免费获得高质量 GI。关了（Project Settings → Rendering → Dynamic Global Illumination Method → None）也能跑，回到传统的 Lightmap + SkyLight。

七、总结#

概念	一句话
GI	不只直射光，还有弹射光——阴影不黑、白墙偏暖
Lightmap	离线烘焙间接光照到纹理——运行时零开销，但只对静态有效
SDF	存”离最近表面的距离”——光线步进可以大步跳跃
Surface Cache	把网格表面属性缓存到虚拟纹理——避免反复采样 GBuffer
Radiance Cache	场景中稀疏 Probe → 累积弹射光照 → 渲染时插值
Lumen 双模式	SDF 追踪（软光追，全平台）+ HW RT（硬光追，高端平台）

Lumen 的本质是用多层近似（SDF 步进 + Surface Cache + Radiance Cache + Screen Space Trace）替代精确的三角形光追——牺牲一点点质量，换取巨大的性能提升。理解了这套”近似链”，你才理解现代实时 GI 的设计核心。