TranSplat: Instant Cross-Scene Object Relighting in Gaussian Splatting via Spherical Harmonic Transfer

📄 arXiv: 2503.22676v4 📥 PDF

作者: Boyang Yu, Yanlin Jin, Yun He, Akshat Dave, Guha Balakrishnan

分类: cs.CV

发布日期: 2025-03-28 (更新: 2025-12-09)

💡 一句话要点

TranSplat：基于球谐传递的高斯溅射即时跨场景物体光照重定向

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)

关键词: 高斯溅射 光照重定向 球谐函数 辐射传递 逆渲染

📋 核心要点

  1. 现有基于逆渲染的高斯溅射光照重定向方法计算成本高昂，限制了其在实时应用中的使用。
  2. TranSplat 利用球谐函数理论，通过简单的系数乘积实现跨场景光照传递，避免了复杂的 BRDF 计算。
  3. 实验表明，TranSplat 在保持与传统方法相当的性能的同时，显著降低了运行时间，提升了效率。

📝 摘要（中文）

TranSplat 是一种快速且准确的物体光照重定向方法，用于将 3D 物体从源高斯溅射 (GS) 场景转移到目标 GS 场景。TranSplat 基于一个针对具有径向对称 BRDF 的物体的跨场景光照重定向的理论辐射传递恒等式，该恒等式仅涉及物体、源和目标环境图的球谐外观系数的简单乘积，而无需显式计算场景量（例如，BRDF 本身）。TranSplat 是第一个展示如何在 GS 框架内使用此理论恒等式来执行光照重定向的方法，并且通过直接从源和目标场景 GS 表示自动推断未知的源和目标环境图。我们在多个合成和真实场景和物体上评估了 TranSplat，证明了其 3D 物体光照重定向性能与最近的基于传统逆渲染的 GS 方法相当，但运行时间仅为其一小部分。虽然 TranSplat 在理论上最适合径向对称 BRDF，但结果表明 TranSplat 仍然可以在真实场景中提供感知上逼真的渲染，并为使用 GS 框架进行光照重定向开辟了一条有价值的轻量级途径。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决高斯溅射场景中，将3D物体从一个场景快速且准确地光照重定向到另一个场景的问题。现有基于逆渲染的方法需要估计BRDF等复杂参数，计算量大，耗时较长，难以满足实时应用的需求。

核心思路：论文的核心思路是利用球谐函数(Spherical Harmonics, SH)来表示环境光照和物体外观，并基于一个理论上的辐射传递恒等式，将跨场景的光照重定向问题转化为球谐系数的简单乘积运算。这种方法避免了显式地计算BRDF等复杂场景参数，从而大大降低了计算复杂度。论文假设物体的BRDF具有径向对称性，虽然这个假设在现实场景中不总是成立，但实验结果表明，该方法在实际应用中仍然可以获得较好的效果。

技术框架：TranSplat 的整体框架可以概括为以下几个步骤：1) 从源场景和目标场景的高斯溅射表示中推断出环境光照的球谐系数；2) 将源场景中的3D物体的球谐外观系数与源场景的环境光照球谐系数进行解耦；3) 将解耦后的物体球谐外观系数与目标场景的环境光照球谐系数进行组合，得到目标场景中的物体光照效果；4) 使用高斯溅射渲染器渲染最终结果。

关键创新：TranSplat 的关键创新在于：1) 将球谐函数理论应用于高斯溅射框架中的跨场景光照重定向问题，提出了一种高效的光照传递方法；2) 提出了一种从高斯溅射表示中自动推断环境光照球谐系数的方法，无需额外的环境光照信息；3) 证明了即使在BRDF不完全满足径向对称性的情况下，该方法仍然可以获得感知上逼真的渲染效果。与现有方法的本质区别在于，TranSplat避免了复杂的逆渲染过程，而是通过简单的球谐系数运算来实现光照重定向。

关键设计：论文中关键的设计包括：1) 使用球谐函数表示环境光照和物体外观，并选择合适的球谐阶数以平衡计算复杂度和渲染质量；2) 设计了一种损失函数，用于从高斯溅射表示中推断环境光照球谐系数，该损失函数包括渲染一致性损失和正则化项；3) 采用了一种迭代优化算法，用于求解环境光照球谐系数。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

TranSplat 在合成和真实场景中都取得了良好的效果。与基于逆渲染的传统方法相比，TranSplat 在保持相当的光照重定向质量的同时，显著降低了运行时间。具体来说，TranSplat 的运行时间仅为传统方法的一小部分，这使得它更适合于实时应用。此外，实验结果还表明，即使在 BRDF 不完全满足径向对称性的情况下，TranSplat 仍然可以获得感知上逼真的渲染效果。

🎯 应用场景

TranSplat 在虚拟现实、增强现实、游戏开发等领域具有广泛的应用前景。它可以用于快速地将3D物体从一个虚拟场景移植到另一个场景，并保持逼真的光照效果。例如，在游戏开发中，可以使用 TranSplat 将角色模型从一个光照环境快速地转移到另一个光照环境，从而提高游戏开发的效率和质量。此外，TranSplat 还可以用于创建更加逼真的虚拟现实和增强现实体验。

📄 摘要（原文）

We present TranSplat, a method for fast and accurate object relighting for the 3D Gaussian Splatting (GS) framework when transferring a 3D object from a source GS scene to a target GS scene. TranSplat is based on a theoretical radiance transfer identity for cross-scene relighting of objects with radially symmetric BRDFs that involves only taking simple products of spherical harmonic appearance coefficients of the object, source, and target environment maps without any explicit computation of scene quantities (e.g., the BRDFs themselves). TranSplat is the first method to demonstrate how this theoretical identity may be used to perform relighting within the GS framework, and furthermore, by automatically inferring unknown source and target environment maps directly from the source and target scene GS representations. We evaluated TranSplat on several synthetic and real-world scenes and objects, demonstrating comparable 3D object relighting performance to recent conventional inverse rendering-based GS methods with a fraction of their runtime. While TranSplat is theoretically best-suited for radially symmetric BRDFs, results demonstrate that TranSplat still offers perceptually realistic renderings on real scenes and opens a valuable, lightweight path forward to relighting with the GS framework.