Path-Traced Inverse Rendering with Global Illumination in 3D Gaussian Fields
作者: Junke Zhu, Hao Zhang, Yutian Zhu, Ang Li, Chenxiao Hu, Meng Gai, Fei Zhu, Zhangjin Huang, Sheng Li
分类: cs.GR
发布日期: 2026-06-08
💡 一句话要点
提出无喷溅路径追踪逆向渲染框架以解决光传输一致性问题
🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)
关键词: 路径追踪 逆向渲染 光传输 高斯场 蒙特卡洛方法 计算机图形学 全局光照
📋 核心要点
- 现有逆向渲染方法依赖于喷溅和屏幕空间优化，导致光传输不一致和材质估计不准确。
- 提出了一种无喷溅的路径追踪逆向渲染框架，统一了前向光传输和反向梯度传播。
- 实验结果显示，该方法在材质反演和路径追踪渲染质量上具有显著提升，生成更真实的阴影和反射效果。
📝 摘要（中文）
本论文提出了一种无喷溅的路径追踪逆向渲染框架，旨在解决现有方法在光传输一致性方面的不足。现有的逆向渲染方法依赖于喷溅和屏幕空间优化，导致材质与光照估计不准确。我们的方法在统一的光线追踪管道中定义了前向光传输和反向梯度传播，优化了材料和紧凑的球形高斯环境。通过大量实验，证明了该框架在材质反演和路径追踪渲染质量方面的竞争力，生成了更可信的阴影、反射和重光照效果。
🔬 方法详解
问题定义：本论文旨在解决现有逆向渲染方法在光传输一致性方面的不足，尤其是由于喷溅和屏幕空间优化导致的材质与光照估计不准确的问题。
核心思路：我们提出了一种无喷溅的路径追踪逆向渲染框架，核心思想是定义重叠高斯原件的路径空间等效交互模型，使得蒙特卡洛路径追踪在光传输积分上无偏，同时路径梯度在相同的光线追踪交互上重放。
技术框架：该框架包括前向光传输和反向梯度传播两个主要模块，所有操作均在统一的光线追踪管道中进行，优化材料和球形高斯环境，遵循完整的渲染方程。
关键创新：最重要的创新点在于无喷溅的路径追踪方法，避免了传统方法中由于喷溅导致的光传输不一致性，提供了更准确的材质和光照估计。
关键设计：在技术细节上，我们设计了适用于路径追踪的损失函数，确保了光传输的准确性，并采用了紧凑的球形高斯环境来提高渲染效率。通过优化这些参数，提升了渲染质量和计算性能。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的方法在材质反演和路径追踪渲染质量上显著优于传统方法，生成的阴影、反射和重光照效果更加可信。具体性能数据未提供，需进一步验证。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括计算机图形学、虚拟现实和增强现实等，能够为真实感渲染提供更高质量的材质和光照估计。其实际价值在于提升渲染效果的真实性，未来可能影响游戏开发、影视制作等多个行业。
📄 摘要（原文）
Ray tracing enables 3D Gaussian fields to serve as a representation for physically based light transport. Faithful inverse rendering requires forward rendering and backward optimization to be defined within a consistent light-transport pipeline. Existing inverse rendering methods estimate G-buffers via splatting and optimize materials in screen space, tying the recovered properties to a rasterization-based pipeline. This pipeline mismatch, together with simplified rendering equations that neglect indirect illumination, often leads to inconsistent shading, visible artifacts, and inaccurate material-lighting estimation under path-traced rendering. Therefore, we propose a splatting-free path-traced inverse rendering framework for 3D Gaussian fields, where forward light transport and backward gradient propagation are defined within a unified ray-tracing pipeline. Our key idea is to define a path-space equivalent interaction model for overlapping Gaussian primitives, under which Monte-Carlo-based path tracing is unbiased for the induced light-transport integral, while pathwise gradients are replayed over the same ray-traced interactions rather than splatting-derived screen-space buffers. The framework optimizes materials and a compact Spherical-Gaussian environment under the full rendering equation with ray-traced visibility and multi-bounce light transport. Extensive experiments demonstrate competitive material inversion and improved path-traced rendering quality, producing more plausible shadows, reflections, and relighting results under global illumination.