PowerGS: Display-Rendering Power Co-Optimization for Neural Rendering in Power-Constrained XR Systems

📄 arXiv: 2509.21702v1 📥 PDF

作者: Weikai Lin, Sushant Kondguli, Carl Marshall, Yuhao Zhu

分类: cs.GR

发布日期: 2025-09-25

备注: 10 pages, Accepted to Siggraph Asia 2025

🔗 代码/项目: GITHUB

💡 一句话要点

PowerGS：面向功率受限XR系统的神经渲染显示-渲染功率协同优化

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

关键词: 3D高斯溅射 神经渲染 功率优化 扩展现实 协同优化 注视点渲染 低功耗设计

📋 核心要点

  1. 现有3DGS模型在功率受限的XR设备上效率不足，无法满足低功耗需求。
  2. PowerGS通过联合优化渲染和显示功耗，在保证质量的前提下，显著降低总体功耗。
  3. 实验结果表明，PowerGS相比现有3DGS模型，总功耗降低高达86%，同时保持了较好的渲染质量。

📝 摘要（中文）

3D高斯溅射(3DGS)结合了经典的基于图像的渲染、基于点的图形和现代可微技术，为传统的基于物理的渲染提供了一种有趣的替代方案。然而，3DGS系列模型对于需要在瓦特级功耗下运行的功率受限的扩展现实(XR)设备来说效率远不够高。本文介绍了PowerGS，这是第一个在质量约束下联合最小化3DGS渲染和显示功耗的框架。我们提出了一个通用的问题公式，并表明解决该问题相当于：1) 识别显示和渲染功率所覆盖范围内的等质量曲线；2) 识别给定曲线上功率最小的点，该点在曲线的适当参数化下具有闭式解。PowerGS还支持注视点渲染，以进一步节省功耗。大量的实验和用户研究表明，与最先进的3DGS模型相比，PowerGS实现了高达86%的总功率降低，同时在主观和客观质量上的损失最小。代码可在https://github.com/horizon-research/PowerGS 获取。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决在功率受限的XR设备上，如何高效渲染3D高斯溅射(3DGS)模型的问题。现有3DGS模型计算复杂度高，功耗大，无法直接应用于移动XR设备。因此，如何在保证渲染质量的前提下，最小化渲染和显示功耗是本研究的核心问题。

核心思路：PowerGS的核心思路是联合优化渲染和显示功耗。通过分析渲染功耗和显示功耗之间的关系，找到在满足特定渲染质量约束下的最小功耗点。这种协同优化方法能够充分利用渲染和显示之间的互补性，从而实现更低的功耗。

技术框架：PowerGS框架主要包含两个阶段：1) 识别等质量曲线：通过实验或模型分析，确定在不同渲染和显示功率组合下，能够达到相同渲染质量的曲线。2) 寻找最小功耗点：在等质量曲线上，利用闭式解或其他优化方法，找到功耗最小的点。此外，PowerGS还支持注视点渲染，进一步降低功耗。

关键创新：PowerGS的关键创新在于首次提出了渲染和显示功耗的协同优化方法。与传统的只关注渲染功耗优化方法不同，PowerGS充分考虑了显示功耗的影响，并通过联合优化，实现了更低的总体功耗。此外，PowerGS还提供了一个通用的问题公式，可以应用于不同的3DGS模型和显示技术。

关键设计：PowerGS的关键设计包括：1) 等质量曲线的参数化：选择合适的参数化方法，能够简化最小功耗点的求解过程。论文中可能采用了多项式或其他函数来拟合等质量曲线。2) 最小功耗点的求解：论文利用闭式解来快速找到最小功耗点，这需要对等质量曲线进行适当的参数化。3) 注视点渲染的集成：PowerGS支持注视点渲染，通过降低非注视区域的渲染质量，进一步降低功耗。具体实现可能涉及到调整高斯球的密度或渲染分辨率。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，PowerGS在保证渲染质量的前提下，与最先进的3DGS模型相比，总功耗降低高达86%。主观用户研究也表明，PowerGS在视觉质量上没有明显的损失。这些结果充分证明了PowerGS在功率受限XR设备上的有效性和优越性。

🎯 应用场景

PowerGS可广泛应用于各种功率受限的XR设备，如移动VR/AR头显、智能眼镜等。通过降低渲染功耗，可以延长设备的续航时间，提升用户体验。此外，PowerGS还可以应用于云渲染场景，降低服务器的功耗，提高渲染效率。该研究对于推动XR技术的普及和发展具有重要意义。

📄 摘要（原文）

3D Gaussian Splatting (3DGS) combines classic image-based rendering, pointbased graphics, and modern differentiable techniques, and offers an interesting alternative to traditional physically-based rendering. 3DGS-family models are far from efficient for power-constrained Extended Reality (XR) devices, which need to operate at a Watt-level. This paper introduces PowerGS, the first framework to jointly minimize the rendering and display power in 3DGS under a quality constraint. We present a general problem formulation and show that solving the problem amounts to 1) identifying the iso-quality curve(s) in the landscape subtended by the display and rendering power and 2) identifying the power-minimal point on a given curve, which has a closed-form solution given a proper parameterization of the curves. PowerGS also readily supports foveated rendering for further power savings. Extensive experiments and user studies show that PowerGS achieves up to 86% total power reduction compared to state-of-the-art 3DGS models, with minimal loss in both subjective and objective quality. Code is available at https://github.com/horizon-research/PowerGS.