GCL学术成果：TOG 2025-用于光场调控的端到端表面优化

5月 26, 2025 1 分钟阅读时长

【论文标题】End-to-end Surface Optimization for Light Control

【作者】孙宇欧1，邓柏林2，张举勇1

【单位】中国科学技术大学1，英国卡迪夫大学2

背景与问题

光在我们的日常生活中起着至关重要的作用，数千年来人类一直在探索如何精确调控光线。本文针对自由曲面光学器件的逆向设计展开研究，旨在实现光源到目标图案的精确光传输控制，这一技术在艺术创作、建筑设计、医疗设备和能源收集等领域具有重要应用价值。

当前，计算机图形学、计算摄影和几何光学等领域已有多种方法尝试解决这一问题，但现有技术往往存在两个主要局限：一是未能直接优化最终光分布与目标的差异，导致重建误差累积；二是缺乏对光学表面可制造性的考虑。针对这些不足，我们提出了一种端到端的优化框架，通过可微分渲染模型直接最小化模拟光场与目标图案的差异，同时引入分段平滑正则化约束以确保设计结果适合CNC加工制造。

图1. 根据目标图像（左上）设计的透镜形状（左下）。渲染效果（右上）与实拍结果（右下）均可证实光线经过该透镜产生的光场分布与目标图像高度吻合。
图1. 根据目标图像（左上）设计的透镜形状（左下）。渲染效果（右上）与实拍结果（右下）均可证实光线经过该透镜产生的光场分布与目标图像高度吻合。

解决方案

我们的方法包含两个关键技术突破：首先，基于最优传输理论设计了初始化策略，通过动态建立网格面片与目标区域的对应关系，有效避免了局部最优解；其次，开发了物理精确的无采样渲染模型，结合像素值与梯度的双重优化目标，实现了微米级的控制精度。实验表明，无论是数字模拟还是实际加工的物理原型，我们的方法都能显著提升光场调控的保真度，为高精度光学设计提供了新的解决方案。这一成果不仅推动了计算机图形学的发展，也为医疗、能源等跨学科领域的光学应用开辟了新途径。更多细节与说明详见我们的论文。

图2. 我们的方法采用迭代优化框架。通过交替执行两个核心步骤——最优传输与可微渲染，我们得以精细调整曲面几何，充分还原目标图像细节。
图2. 我们的方法采用迭代优化框架。通过交替执行两个核心步骤——最优传输与可微渲染，我们得以精细调整曲面几何，充分还原目标图像细节。

实验结果

我们通过目标图像与实拍图像的对比来评估算法效果。图3展示了本方法设计的光学模型渲染效果及其实体样件产生的焦散图像。尽管实际光源与理想模型存在偏差，且加工和抛光工艺会引入微小瑕疵，实拍图像仍能与目标图像高度吻合。更多实验结果详见我们的论文。

图3. 针对平行光源和点光源优化设计透镜结构，并制作了对应的实体样件。光线透过样件产生的真实光场与本方法渲染模型生成的结果保持高度一致。
图3. 针对平行光源和点光源优化设计透镜结构，并制作了对应的实体样件。光线透过样件产生的真实光场与本方法渲染模型生成的结果保持高度一致。

视频展示

技术贡献

在这项工作中，我们的核心贡献包括：

  1. 我们提出了一种可微分渲染模型，该模型能够精确描述以网格表示的光学器件表面所产生的成像效果。该模型通过物理真实的光通量追踪算法，实现了对复杂光学效应的准确建模。

  2. 我们开发了一种端到端的优化算法，直接对光学器件表面形状进行优化。该算法在最小化目标图像与生成图像差异的同时，通过引入制造工艺约束条件，确保最终设计方案既能精确复现目标图像，又具备实际可加工性。

  3. 我们创新性地提出了基于网格面片的最优传输初始化策略。这一策略通过建立网格面片与目标区域的动态对应关系，有效避免了优化过程陷入局部最优解，显著提升了算法的收敛效率。

三个创新点相辅相成，共同构成了一个完整的高精度光学器件表面设计解决方案。

论文发表

该工作已被计算机图形学顶刊ACM Transactions on Graphics (TOG) 2025录用接收，并将于SIGGRAPH 2025大会报告。

论文原文

Yuou Sun, Bailin Deng, Juyong Zhang. End-to-end Surface Optimization for Light Control. ACM Transactions on Graphics (TOG) 2025.

学术成果