GRTX: Efficient Ray Tracing for 3D Gaussian-Based Rendering

📄 arXiv: 2601.20429v1 📥 PDF

作者: Junseo Lee, Sangyun Jeon, Jungi Lee, Junyong Park, Jaewoong Sim

分类: cs.GR, cs.AR, cs.CV

发布日期: 2026-01-28

备注: To appear at the 32nd International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA 2026)

💡 一句话要点

GRTX：通过软硬件协同优化实现高效的3D高斯渲染光线追踪

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

关键词: 3D高斯溅射 光线追踪 渲染 加速结构 硬件加速

📋 核心要点

  1. 传统基于光栅化的3D高斯渲染方法存在局限性，而直接光线追踪方法效率较低，存在加速结构臃肿和冗余遍历等问题。
  2. GRTX的核心思想是将各向异性高斯通过光线空间变换视为单位球，从而简化加速结构，并利用硬件加速实现遍历检查点。
  3. 实验结果表明，GRTX在显著提升光线追踪性能的同时，保持了较低的硬件成本，为高效的3D高斯渲染提供了新的解决方案。

📝 摘要（中文）

3D高斯溅射因其卓越的渲染性能和视觉质量而被广泛应用于各种应用中。虽然大多数现有方法依赖于光栅化来渲染高斯函数，但最近的研究已经开始探索光线追踪方法，以克服光栅化固有的基本限制。然而，当前的高斯光线追踪方法存在效率低下的问题，例如膨胀的加速结构和冗余的节点遍历，这大大降低了光线追踪的性能。本文提出了GRTX，一套软硬件优化方案，可以为基于3D高斯的光线追踪渲染提供高效支持。首先，我们引入了一种新颖的方法来构建用于高斯图元的精简加速结构。我们的关键见解是，各向异性高斯可以通过光线空间变换被视为单位球体，这大大减少了BVH大小和遍历开销。其次，我们提出了专用的硬件支持，用于光线追踪单元内的遍历检查点。这通过从检查点节点恢复遍历，而不是在每个后续轮次中从根节点重新开始，从而消除了多轮追踪期间的冗余节点访问。我们的评估表明，与基线光线追踪方法相比，GRTX显着提高了光线追踪性能，而硬件成本可以忽略不计。

🔬 方法详解

问题定义：现有基于光栅化的3D高斯渲染方法在处理复杂场景时存在局限性，例如难以处理透明度和全局光照效果。虽然基于光线追踪的方法可以克服这些限制，但直接对3D高斯进行光线追踪会导致加速结构（如BVH）的体积庞大，并且在多重采样或迭代求精时会产生大量的冗余节点遍历，严重影响渲染效率。

核心思路：GRTX的核心思路是通过变换将各向异性高斯函数在光线空间中转换为单位球体。这种变换简化了加速结构的构建，显著减小了BVH的大小，并降低了遍历的计算复杂度。此外，GRTX还引入了硬件加速的遍历检查点机制，避免了在多轮光线追踪中重复访问相同的BVH节点。

技术框架：GRTX的整体框架包括两个主要部分：优化的加速结构构建和硬件加速的遍历检查点。首先，在预处理阶段，将3D高斯图元变换到光线空间，并构建优化的BVH加速结构。然后，在光线追踪阶段，利用专用的硬件单元进行光线与BVH节点的相交测试，并支持遍历检查点功能，以便在多轮光线追踪中快速恢复遍历状态。

关键创新：GRTX的关键创新在于将各向异性高斯函数通过光线空间变换转化为单位球体，从而大幅简化了加速结构的构建和遍历过程。与直接对3D高斯进行光线追踪的方法相比，GRTX避免了复杂的相交测试和庞大的加速结构，显著提高了光线追踪的效率。此外，硬件加速的遍历检查点机制也是一个重要的创新，它有效地减少了冗余的节点访问，进一步提升了渲染性能。

关键设计：光线空间变换的具体实现细节未知，论文中可能包含变换矩阵的推导和计算方法。硬件加速的遍历检查点机制可能涉及到对现有光线追踪硬件架构的修改，例如增加额外的寄存器或缓存来存储遍历状态。具体的参数设置和损失函数未知，可能需要根据具体的应用场景进行调整。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过实验验证了GRTX的有效性，结果表明，与基线光线追踪方法相比，GRTX能够显著提高渲染性能，同时保持较低的硬件成本。具体的性能提升幅度未知，但摘要中强调了“显著提高”，表明GRTX在效率方面取得了重要突破。实验可能对比了不同场景下的渲染时间、帧率和内存占用等指标。

🎯 应用场景

GRTX技术可广泛应用于需要高质量和高性能渲染的领域，例如虚拟现实、增强现实、游戏开发、电影特效和科学可视化。通过提高3D高斯渲染的光线追踪效率，GRTX能够支持更复杂的场景和更逼真的视觉效果，从而提升用户体验和应用价值。未来，GRTX有望成为下一代渲染引擎的关键技术之一。

📄 摘要（原文）

3D Gaussian Splatting has gained widespread adoption across diverse applications due to its exceptional rendering performance and visual quality. While most existing methods rely on rasterization to render Gaussians, recent research has started investigating ray tracing approaches to overcome the fundamental limitations inherent in rasterization. However, current Gaussian ray tracing methods suffer from inefficiencies such as bloated acceleration structures and redundant node traversals, which greatly degrade ray tracing performance. In this work, we present GRTX, a set of software and hardware optimizations that enable efficient ray tracing for 3D Gaussian-based rendering. First, we introduce a novel approach for constructing streamlined acceleration structures for Gaussian primitives. Our key insight is that anisotropic Gaussians can be treated as unit spheres through ray space transformations, which substantially reduces BVH size and traversal overhead. Second, we propose dedicated hardware support for traversal checkpointing within ray tracing units. This eliminates redundant node visits during multi-round tracing by resuming traversal from checkpointed nodes rather than restarting from the root node in each subsequent round. Our evaluation shows that GRTX significantly improves ray tracing performance compared to the baseline ray tracing method with a negligible hardware cost.