Journal of Graphics ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (3): 472-491.DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2026030472
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XU Xiaofeng, XU Yanning, WANG Lu(
)
Received:2025-10-17
Accepted:2026-01-16
Online:2026-06-30
Published:2026-06-30
Contact:
WANG Lu
Supported by:CLC Number:
XU Xiaofeng, XU Yanning, WANG Lu. A survey on the application of control variate techniques in rendering[J]. Journal of Graphics, 2026, 47(3): 472-491.
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URL: http://www.txxb.com.cn/EN/10.11996/JG.j.2095-302X.2026030472
| 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|
| [ | 漫反射主导的简单场景 | 使用预设的常数环境光项作为全局低频控制项 | 仅适用于光照分布平滑的场景,难以捕捉局部照明变化 | 1.11× |
| [ | Phong模型(含漫反射和镜面反射)的场景 | 构建自适应细分的 5D树结构,每个节点存储入射辐射亮度 | 存储与构建开销大;效果依赖于树结构质量和缓存策略设计 | 1.33× |
Table 1 Comparative analysis in indirect illumination applications
| 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|
| [ | 漫反射主导的简单场景 | 使用预设的常数环境光项作为全局低频控制项 | 仅适用于光照分布平滑的场景,难以捕捉局部照明变化 | 1.11× |
| [ | Phong模型(含漫反射和镜面反射)的场景 | 构建自适应细分的 5D树结构,每个节点存储入射辐射亮度 | 存储与构建开销大;效果依赖于树结构质量和缓存策略设计 | 1.33× |
Fig. 2 Equal-time comparison of different components of reference [11] direct illumination sampling method in a scene with over 5 000 lights and high occlusion ((a) Proportional; (b) Scalable; (c) ML (overfitting); (d) MAP for mean; (e) d + MAP for variance; (f) e + regression; (g) f + visibility model; (h) g + control variate)
Fig. 6 Equal-sample comparison of trained light selection (Trained) and different combinations of defensive light selection techniques ((a) Uniform; (b) NoMax)[22]
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 光源辐射 近似 | [ | 大面积光源、环境贴图照亮的场景 | 预计算面积光或环境贴图的辐射贡献值 | 控制变量近似质量依赖于简化假设,适用性受限于场景复杂度 | 2× |
| [ | 多光源场景 | 构建光源簇,将光源簇贡献的估计作为 控制变量 | 仅为经验增强,缺少理论保证 | 3.6× ~9.3× | |
| 可见性 近似 | [ | 环境贴图中 受遮挡的直接光照 | 使用稀疏采样构建可见性缓存,结合 近似BRDF构造控制变量 | 遮挡剧烈区域可见性缓存精度会下降,影响 估计效果 | 0.8× ~4.7× |
| [ | 毛发环境光照下 的漫反射 | 使用球谐解析表达构造控制变量,差值 项建模遮挡贡献 | 适用场景受限,遮挡较多区域或高频反射难以 准确建模 | ↗ | |
| [ | 布料等结构 重复纹理表面 | 纹素聚类共享平均遮挡,控制变量为 聚类期望乘每簇贡献 | 聚类需合理设计,非结构化表面效果下降 | 30× | |
| [ | 多边形光源 或门户遮挡环境光 | 函数分解为球谐展开与修正项的乘积, 球谐展开项作为控制变量 | 遮挡剧烈或高频时误差仍大;球谐展开带宽 有限 | 1.1× ~2.7× | |
| 采样PDF | [ | 直接照明、 辐照度缓存 | 组合BRDF采样与光源采样,利用最小 二乘求解得到最优系数 | 系数稳定性对样本量敏感,难扩展至高维渲染 场景 | 1.1× ~1.5× |
| [ | 光源选择优化、 多光源/大光源渲染 | 在MIS中推导最优权重,构造等价控制 变量项以达到最小方差 | 实现复杂;控制变量的估计依赖解线性系统 | 2.7× ~9.9× | |
| [ | 多光源选择、全局照明、高维路径引导 | 在空间子域共享控制变量系数 | 系数的训练与存储代价较高,需离线优化和 场景分区 | 1.01×~3.28× |
Table 2 Comparative analysis in direct illumination applications
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 光源辐射 近似 | [ | 大面积光源、环境贴图照亮的场景 | 预计算面积光或环境贴图的辐射贡献值 | 控制变量近似质量依赖于简化假设,适用性受限于场景复杂度 | 2× |
| [ | 多光源场景 | 构建光源簇,将光源簇贡献的估计作为 控制变量 | 仅为经验增强,缺少理论保证 | 3.6× ~9.3× | |
| 可见性 近似 | [ | 环境贴图中 受遮挡的直接光照 | 使用稀疏采样构建可见性缓存,结合 近似BRDF构造控制变量 | 遮挡剧烈区域可见性缓存精度会下降,影响 估计效果 | 0.8× ~4.7× |
| [ | 毛发环境光照下 的漫反射 | 使用球谐解析表达构造控制变量,差值 项建模遮挡贡献 | 适用场景受限,遮挡较多区域或高频反射难以 准确建模 | ↗ | |
| [ | 布料等结构 重复纹理表面 | 纹素聚类共享平均遮挡,控制变量为 聚类期望乘每簇贡献 | 聚类需合理设计,非结构化表面效果下降 | 30× | |
| [ | 多边形光源 或门户遮挡环境光 | 函数分解为球谐展开与修正项的乘积, 球谐展开项作为控制变量 | 遮挡剧烈或高频时误差仍大;球谐展开带宽 有限 | 1.1× ~2.7× | |
| 采样PDF | [ | 直接照明、 辐照度缓存 | 组合BRDF采样与光源采样,利用最小 二乘求解得到最优系数 | 系数稳定性对样本量敏感,难扩展至高维渲染 场景 | 1.1× ~1.5× |
| [ | 光源选择优化、 多光源/大光源渲染 | 在MIS中推导最优权重,构造等价控制 变量项以达到最小方差 | 实现复杂;控制变量的估计依赖解线性系统 | 2.7× ~9.9× | |
| [ | 多光源选择、全局照明、高维路径引导 | 在空间子域共享控制变量系数 | 系数的训练与存储代价较高,需离线优化和 场景分区 | 1.01×~3.28× |
Fig. 10 Flowchart of CRESPO et al.’s [32] method for a one-dimensional integration problem ((a) Original integrand and PDF; (b) Map integrand to primary space; (c) Select region with highest error; (d) Subdivide and update; (e) Final piecewise control variate; (f) Monte Carlo sample of the residual)
Fig. 11 Comparison flowchart of SALAüN et al.’s[33] method and the MC method for a one-dimensional integration problem ((a) Original integrand; (b) Sampling; (c) Constant function fitting; (d) Analytic integration; (e) Polynomial function fitting; (f) Summation)
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 有限元基函数 表示 | [ | 漫反射、光泽表面中的低频全局照明可交互 渲染 | 将出射辐射率分解为有限元近似项和 蒙特卡罗残差项,前者作为控制变量 | 需迭代更新多个分量,存储与计算 开销大,对镜面反射效果有限 | 10× |
| [ | 高质量实时全局光照 | 构建局部有限元结构,使用路径采样构建 多个近似光场作为控制变量 | 实现复杂,需维护高维结构并进行层级 路径映射 | 10×~13 | |
| 多项式函数 表示 | [ | 单次间接反射,全局 光照近似 | 使用一阶B样条函数拟合方向网格中的 辐射率估计 | 高镜面反射下路径集中,拟合效果下降 | 77× |
| [ | 低各向异性参与介质 | 在5D层次结构中缓存估计值并用一阶 B样条拟合,估计值作为控制变量 | 高各向异性介质中路径复杂,控制变量 效果下降 | 15.3× | |
| [ | 非均匀介质透射率、 低阶散射、全局照明 | 在主采样空间中自适应构建多项式控制 变量,结合嵌套求积规则细化采样区域 | 高维下维数灾难严重,低采样率可能 导致图像中块状伪影 | ↗ | |
| [ | 直接光照、少次间接 反射的全局照明 | 在主采样空间中使用最小二乘回归拟合 多项式函数作为控制变量 | 高维或多次反射下回归稳定性下降, 复杂回归函数开销较大 | 1.4× | |
| 神经网络 表示 | [ | 多种复杂全局光照任务 | 使用归一化流结构建模控制变量函数和 其积分值 | 高频高光材质拟合精度不足,训练和 推理开销大 | 3.4×~20 |
Table 3 Comparative analysis in global illumination applications
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 有限元基函数 表示 | [ | 漫反射、光泽表面中的低频全局照明可交互 渲染 | 将出射辐射率分解为有限元近似项和 蒙特卡罗残差项,前者作为控制变量 | 需迭代更新多个分量,存储与计算 开销大,对镜面反射效果有限 | 10× |
| [ | 高质量实时全局光照 | 构建局部有限元结构,使用路径采样构建 多个近似光场作为控制变量 | 实现复杂,需维护高维结构并进行层级 路径映射 | 10×~13 | |
| 多项式函数 表示 | [ | 单次间接反射,全局 光照近似 | 使用一阶B样条函数拟合方向网格中的 辐射率估计 | 高镜面反射下路径集中,拟合效果下降 | 77× |
| [ | 低各向异性参与介质 | 在5D层次结构中缓存估计值并用一阶 B样条拟合,估计值作为控制变量 | 高各向异性介质中路径复杂,控制变量 效果下降 | 15.3× | |
| [ | 非均匀介质透射率、 低阶散射、全局照明 | 在主采样空间中自适应构建多项式控制 变量,结合嵌套求积规则细化采样区域 | 高维下维数灾难严重,低采样率可能 导致图像中块状伪影 | ↗ | |
| [ | 直接光照、少次间接 反射的全局照明 | 在主采样空间中使用最小二乘回归拟合 多项式函数作为控制变量 | 高维或多次反射下回归稳定性下降, 复杂回归函数开销较大 | 1.4× | |
| 神经网络 表示 | [ | 多种复杂全局光照任务 | 使用归一化流结构建模控制变量函数和 其积分值 | 高频高光材质拟合精度不足,训练和 推理开销大 | 3.4×~20 |
Fig. 16 The decomposed tracking method constructs partially free paths (yellow segments) in heterogeneous media without evaluating spatially varying collision parameters[42]
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 | 内存查询 节省 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 自由路径 采样 | [ | 非均匀介质、 程序化介质渲染 | 引入虚拟粒子构造上限消光系数, 基于该函数进行采样,并结合拒绝 采样修正,确保无偏估计 | 上限消光系数需覆盖介质原本消光 系数且尽可能紧密,否则冗余采样多 | ↗ | — |
| [ | 高分辨率非均匀介质、光谱渲染 | 将介质分解为均匀控制分量与异质 残差分量,分别采样并取较小者; 控制分量作为控制变量以提升效率 | 控制分量拟合需合理,残差分量仍需Delta Tracking;扩展到波长相关介质 需增加复杂度 | 1.6×~3.5 | 42% ~58% |
Table 4 Comparative analysis in free-path sampling applications
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 | 内存查询 节省 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 自由路径 采样 | [ | 非均匀介质、 程序化介质渲染 | 引入虚拟粒子构造上限消光系数, 基于该函数进行采样,并结合拒绝 采样修正,确保无偏估计 | 上限消光系数需覆盖介质原本消光 系数且尽可能紧密,否则冗余采样多 | ↗ | — |
| [ | 高分辨率非均匀介质、光谱渲染 | 将介质分解为均匀控制分量与异质 残差分量,分别采样并取较小者; 控制分量作为控制变量以提升效率 | 控制分量拟合需合理,残差分量仍需Delta Tracking;扩展到波长相关介质 需增加复杂度 | 1.6×~3.5 | 42% ~58% |
Fig. 17 Illustration of the application of control variates in reference[44] ((a) Original extinction coefficient; (b) Control extinction coefficient; (c) Residual extinction coefficient)
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 自由路径采样 | [ | 非均匀介质中的透射率估计 | 通过引入虚拟粒子将介质“均匀化”, 构建空间一致的组合消光系数作为 控制项 | 比率跟踪在高吸收/高散射场景下采样 次数多;残差项需保持非负,限制控制 变量表达能力 | 1.5× ~2.4× |
| [ | 非均匀及相关介质,任意透射率估计问题 | 将透射率估计转化为Volterra积分 表达,将Null-collision视为控制变量 变换 | 依赖积分表达的重构,构造与实现复杂; 高维路径采样设计仍具挑战 | ↗ | |
| [ | 高频或分形密度场景中的透射率估计 | 基于泰勒展开构建残差光学厚度估计器,端点匹配项作为控制变量修正误差 | 高阶估计器构造复杂,偏差-效率折中 设计需针对具体应用调整 | 1.5× ~13× |
Table 5 Comparative analysis in transmittance estimation applications
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 自由路径采样 | [ | 非均匀介质中的透射率估计 | 通过引入虚拟粒子将介质“均匀化”, 构建空间一致的组合消光系数作为 控制项 | 比率跟踪在高吸收/高散射场景下采样 次数多;残差项需保持非负,限制控制 变量表达能力 | 1.5× ~2.4× |
| [ | 非均匀及相关介质,任意透射率估计问题 | 将透射率估计转化为Volterra积分 表达,将Null-collision视为控制变量 变换 | 依赖积分表达的重构,构造与实现复杂; 高维路径采样设计仍具挑战 | ↗ | |
| [ | 高频或分形密度场景中的透射率估计 | 基于泰勒展开构建残差光学厚度估计器,端点匹配项作为控制变量修正误差 | 高阶估计器构造复杂,偏差-效率折中 设计需针对具体应用调整 | 1.5× ~13× |
Fig. 19 Performance comparison of different methods in procedurally generated cloud scenes ((a) Reference [49]; (b) Reference [44]; (c) Reference [42]; (d) Reference [40])
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 代理介质 建模 | [ | 程序化生成的介质、 单次散射路径估计 | 将真实介质替换为采样友好的代理 介质,并引入探索点拟合主消光函数 作为控制变量 | 控制变量的拟合质量依赖于探索点的分布和 插值方法,残差估计仍需合理设定采样密度 以避免偏差 | 3.0× ~6.8× |
| 多次散射 估计 | [ | 非均匀介质的多次散射、程序化介质渲染 | 构建体积分解模型,为每个子材质 分别指定采样和控制消光函数 | 控制与采样消光函数需在预处理阶段合理 设定,空间变化的逼近能力受限于粗网格 分辨率 | 1.8× ~2.9× |
Table 6 Comparative analysis in proxy medium modeling and multiple scattering estimation applications
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 | 质量提升 |
|---|---|---|---|---|---|
| 代理介质 建模 | [ | 程序化生成的介质、 单次散射路径估计 | 将真实介质替换为采样友好的代理 介质,并引入探索点拟合主消光函数 作为控制变量 | 控制变量的拟合质量依赖于探索点的分布和 插值方法,残差估计仍需合理设定采样密度 以避免偏差 | 3.0× ~6.8× |
| 多次散射 估计 | [ | 非均匀介质的多次散射、程序化介质渲染 | 构建体积分解模型,为每个子材质 分别指定采样和控制消光函数 | 控制与采样消光函数需在预处理阶段合理 设定,空间变化的逼近能力受限于粗网格 分辨率 | 1.8× ~2.9× |
Fig. 20 The online adaptive sampling framework designed by reference [51] (Including three modules: sample count estimation, control variate coefficient estimation, and estimation history update)
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 |
|---|---|---|---|---|
| 重渲染 | [ | 材质编辑下的图像 重渲染 | 使用原始图像作为控制变量,对材质变更 产生的辐射差异进行估计 | 差异图像可能在非局部区域中仍存在高方差问题 |
| [ | 几何变动下的图像 重渲染 | 使用前一帧图像作为控制变量,通过路径 空间变换构造残差路径积分 | 需构建稳定的路径映射;动态路径识别与变换 对实现有挑战性 | |
| 逆渲染 | [ | 可微渲染中的图像与梯度估计 | 引入递归控制变量,将前一轮估计结果与 当前帧残差结合 | 控制权重估计需协方差与方差信息;方法依赖 优化过程中帧间相似性 |
| 梯度域渲染 | [ | 图像空间梯度域重建 | 利用邻域像素估计作为控制变量,联合像素间差值构建复合估计器 | 差值估计需满足路径一致性 |
Table 7 Comparative analysis in other rendering applications
| 分类 | 文献 | 适用场景 | 控制变量的构建方式 | 缺点或局限性 |
|---|---|---|---|---|
| 重渲染 | [ | 材质编辑下的图像 重渲染 | 使用原始图像作为控制变量,对材质变更 产生的辐射差异进行估计 | 差异图像可能在非局部区域中仍存在高方差问题 |
| [ | 几何变动下的图像 重渲染 | 使用前一帧图像作为控制变量,通过路径 空间变换构造残差路径积分 | 需构建稳定的路径映射;动态路径识别与变换 对实现有挑战性 | |
| 逆渲染 | [ | 可微渲染中的图像与梯度估计 | 引入递归控制变量,将前一轮估计结果与 当前帧残差结合 | 控制权重估计需协方差与方差信息;方法依赖 优化过程中帧间相似性 |
| 梯度域渲染 | [ | 图像空间梯度域重建 | 利用邻域像素估计作为控制变量,联合像素间差值构建复合估计器 | 差值估计需满足路径一致性 |
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