[發明專利]一種基于可微分渲染的非球面透鏡設計方法

在審

• 申請號: 202210444779.0
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114741812A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 岳濤;黃志煒;胡雪梅
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06T15/06;G06T15/04;G06T17/30;G02B27/00
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務所 32305
• 代理人: 李媛媛

1.一種基于可微分渲染的非球面透鏡設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，利用含校正因子的球面方程式對非球面透鏡建模，然后使用泊松曲面重建算法得到其對應的三維模型，其中，含校正因子的球面方程式用于計算非球面透鏡面上各個采樣點的空間坐標和法向量，泊松曲面重建用于求解采樣點對應的透鏡表面；

步驟2，將步驟1所構建的三維模型加載至基于光線追蹤的可微分渲染系統中，渲染預設場景通過非球面透鏡后的生成圖像；

步驟3，完善所述可微分渲染系統的內部計算圖，在生成圖像和非球面透鏡設計參數之間建立映射關系；

步驟4，計算生成圖像和對應的參考圖像的損失函數，通過梯度下降法對非球面透鏡的設計參數進行優化。

2.根據權利要求1所述的一種基于可微分渲染的非球面透鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，給定一個笛卡爾坐標系(x,y,z)，z軸與光軸重合，(x,y)組成了與光軸垂直的平面，令ρ＝x²+y²，所述含校正因子的球面方程式如下：

其中c表示非球面透鏡面的中心曲率，κ表示圓錐系數，a_2i表示校正因子中的高階系數。

3.根據權利要求1所述的一種基于可微分渲染的非球面透鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，所述泊松曲面重建算法通過將非球面透鏡表面的離散采樣點信息轉化到連續可積的表面函數上，從而構造出擬合程度高的隱式表面。

4.根據權利要求1所述的一種基于可微分渲染的非球面透鏡設計方法，其特征在于，步驟2中，所述基于光線追蹤的可微分渲染系統包括：

非球面透鏡模塊，用于讀取非球面透鏡對應的三維模型，并將其放置在預設場景與傳感器之間；

像素著色模塊，用于從傳感器的像素上發出光線，追蹤其穿過預設場景的路徑來計算對應像素的顏色，渲染預設場景通過非球面透鏡后的生成圖像。

5.根據權利要求4所述的一種基于可微分渲染的非球面透鏡設計方法，其特征在于，步驟3中，完善可微分渲染系統的內部計算圖的步驟如下：

首先，通過分析系統中非球面透鏡模塊和像素著色模塊建立的計算圖，發現其只能讀取到生成圖像I關于非球面透鏡上各頂點位置V的梯度

接著，依據步驟1中含校正因子的球面方程式，為非球面透鏡的頂點位置V和設計參數θ建立映射關系：

V＝H(θ)

θ＝{c,κ}

生成圖像和非球面透鏡設計參數之間通過鏈式法則建立了間接的映射關系：

最終，實現了從生成圖像到非球面透鏡設計參數的梯度回傳，方便之后不斷地在迭代中直接更新透鏡設計參數。

6.根據權利要求1所述的一種基于可微分渲染的非球面透鏡設計方法，其特征在于，步驟4中，非球面透鏡設計參數的優化采用平均絕對誤差進行約束：

LOSS＝||I-I_ref||₁

其中，I是場景通過非球面透鏡后在傳感器上生成的圖像，I_ref是對應的參考圖像。