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La simulazione ottica nell’illuminazione automotive: dal cristallo Swarovski alla personalizzazione

La collaborazione tra Swarovski e BMW per i fari della BMW i7 elettrica non è un caso isolato di stile applicato alla tecnologia. I cristalli del gioielliere, già integrati nei fari della Mercedes-Benz Classe S Coupé, rispondono a criteri funzionali oltre che estetici. Mike Grove, applications engineering manager di Ansys (parte di Synopsys), specializzato in simulazione ottica basata sulla fisica, osserva che il vetro di qualità superiore offre migliori prestazioni fotometriche. I cristalli, quindi, hanno scopi funzionali nei fari dell’auto, ma sono principalmente stilistici, perché conferiscono un aspetto di lusso. L’illuminazione automobilistica non è solo un aspetto funzionale del veicolo, ma parte integrante dell’identità del marchio.

Ansys e il ray tracing per la progettazione dei fari

Per la progettazione e l’analisi dei fari, Ansys mette a disposizione Ansys Zemax OpticStudio, originariamente sviluppato da Ken Moore e poi acquisito da Ansys. Secondo Grove, si tratta della soluzione di riferimento per la progettazione di sistemi ottici, che si tratti di fotocamere o di illuminazione automobilistica di proiezione. A un livello superiore, per visualizzare come i diversi fasci e proiezioni influenzano il veicolo e i suoi interni, Ansys offre Ansys Speos, un pacchetto di simulazione ottica integrato con CAD dotato di strumenti dedicati alla progettazione dell’illuminazione. L’azienda propone anche Ansys AVxcelerate, una piattaforma per testare e validare sensori e illuminazione in tempo reale.

Una volta progettata la luce, spiega Grove, è possibile utilizzare AVxcelerate per testare come si comporterà in ambienti virtuali dinamici. Si ottengono non solo valori di illuminamento in lux, ma anche la proiezione della luce nell’ambiente, come illumina i cartelli stradali, i veicoli vicini e i pedoni, e il suo impatto sulla percezione dei sensori. Grove sottolinea che il ray tracing è il cuore della simulazione della luce. Di conseguenza, la maggior parte della simulazione ottica beneficia dell’accelerazione GPU. Per calcolare luminanza, intensità o luminosità, per vedere come i raggi luminosi viaggiano dalla sorgente all’ambiente e come interagiscono con film e materiali complessi, è necessario eseguire il ray tracing, con milioni o addirittura trilioni di riflessi luminosi. La GPU è quindi fondamentale nell’accelerazione del ray tracing.

Eseguire una simulazione luminosa con ray tracing all’interno dell’abitacolo, ad esempio, rivela l’uniformità della propagazione della luce, le perdite di luce, i punti caldi e le zone d’ombra. L’obiettivo è illuminare determinati oggetti per il conducente e i passeggeri, con una luce né troppo intensa né troppo debole, misurabile in luminanza, e con uno stile specifico: bianco freddo, bianco caldo, bianco neutro o un colore preciso. Per Grove, nella simulazione della luce il packaging spaziale è un fattore importante: lo spazio fisico disponibile per il sistema di illuminazione nel progetto complessivo del veicolo determina la tecnologia ottica utilizzabile, portando spesso a progetti più sofisticati che possono essere realizzati solo con la progettazione e la simulazione ottica.

Autodesk e la sfida dei materiali nella simulazione

Autodesk Alias, pacchetto 3D per il design industriale, è uno standard per i designer automobilistici. Per la visualizzazione, Autodesk VRED è un pacchetto di prototipazione virtuale e simulazione visiva con integrazione AR/VR che consente di sperimentare un veicolo prima che sia completamente costruito. Insieme, garantiscono un flusso di lavoro di progettazione automobilistica rapido, di alta qualità e collaudato, con un attrito minimo nello scambio di dati.

Secondo Marek Trawny, director of Product Management, Automotive and Concept Design di Autodesk, l’obiettivo è aiutare i clienti ad accelerare il processo di progettazione, dalla progettazione generale (inclusa la visualizzazione dell’illuminazione) al processo decisionale. Nella simulazione, i parametri di input determinano l’accuratezza e l’affidabilità del risultato. Per la simulazione della luce, il problema più grande per gli utenti sono le proprietà dei materiali che non possono essere determinate visivamente, come i coefficienti di scattering, gli indici di rifrazione, gli spettri di colore o la densità, spiega Pascal Seifert, senior technical product manager di Autodesk. L’accesso alle proprietà delle sorgenti luminose e dei LED, come il flusso luminoso o la temperatura di colore, è più semplice perché queste informazioni sono generalmente fornite dal produttore. In questo contesto, è importante che l’applicazione supporti queste unità come parametri di input e le elabori correttamente.

Le proprietà dei materiali sono molto più complesse, specialmente gli effetti che si verificano all’interno del volume del materiale, come l’assorbimento o le imperfezioni introdotte durante lo stampaggio a iniezione. Autodesk lavora a stretto contatto con produttori come Covestro, la cui libreria di materiali Imagio fornisce ai clienti comuni materiali misurati che possono essere importati direttamente in VRED.

VRED può produrre formati video e immagine standard, ma trasmettere il carattere della luce in queste forme è a volte inadeguato. Come spiega Seifert, si lavora con intensità e colori che non possono essere visualizzati su un normale schermo RGB. Un monitor non può mai essere luminoso come una lampada reale, quindi ciò che si vede sullo schermo è di solito un’approssimazione e richiede competenza e interpretazione. Sebbene i valori quantificabili come la luminosità siano importanti, lo storytelling è altrettanto rilevante. Un’opzione per trasmettere la sensazione dell’auto è far sperimentare al cliente l’illuminazione interna ed esterna in modo immersivo con visori AR/VR. VRED supporta Varjo, HTC Vive e Meta Quest, tra gli altri.

Si tratta di una visuale in prima persona di cosa significa essere in auto. In questo caso, l’obiettivo non è l’accuratezza, ma la storia che si vuole raccontare. Per la simulazione dell’illuminazione dell’abitacolo, un modello 3D dettagliato dello spazio è essenziale. Si progetta la luce in combinazione con la geometria circostante, come il pannello della portiera o il bagagliaio, per vedere come la luce rimbalza e si riflette su di essi. Sul parabrezza, ad esempio, è necessario evitare alcune riflessioni, come quelle dei decori cromati, perché potrebbero distorcere la visuale della strada. Questi potenziali problemi possono essere risolti con approcci diversi, come l’uso di rivestimenti speciali, materiali diversi, il cambiamento del posizionamento della sorgente luminosa o la modifica della geometria dell’abitacolo. Alla fine, spiega Seifert, è spesso necessario trovare un compromesso che rimanga economico pur preservando l’intento progettuale.

Verso un’illuminazione predittiva e personalizzata

Un’auto moderna dotata di sensori è in grado di rilevare cose che il conducente non ha ancora notato e di agire di conseguenza, come rilevare la pioggia e attivare il tergicristallo. Grove prevede che i sistemi di illuminazione possano comportarsi in modo simile, utilizzando la stessa tecnologia degli smartphone per rilevare quando i display non sono abbastanza luminosi e regolare la luce. La crescente personalizzazione dei beni di consumo suggerisce un trend analogo nel settore automobilistico. Trawny osserva che i costruttori si stanno impegnando per offrire un’esperienza personalizzata per il conducente: quando si sale in auto, si viene riconosciuti e le impostazioni vengono regolate di conseguenza, dal movimento del sedile alla riorganizzazione degli interni in base alle aspettative, dall’illuminazione all’interazione con i dispositivi multimediali.