- 第 1 阶段 – 基于物理样品的材料表征。
- 第 2 阶段 – 根据表征或可用数据进行材料建模
- 第 3 阶段 – 用于快速材料迭代的外观仿真。
对于任何大众消费品行业而言，美学是必不可少的参数。这些物体通常由几种材料组成，这些材料相互影响并与光线相互作用，这会影响每种材料的视觉方面，从而影响最终产品的感知。对于产品设计师来说，能够在产品开发过程的早期预测特定元素或最终对象的外观，而不必依赖物理样品，这是一个至关重要的优势。
对于传统的美学渲染器而言，基础的渲染并不具备物理精度，其渲染结果不能指导产品工程开发，毫无疑问，光学计算引擎是不二之选，常规光学软件专注于光学量化分析，ocean软件不仅具备传统光学软件量化分析功能，且尤其擅长处理这类复杂的外观场景计算。
特别是宝石类产品，其复杂的形状和光学特性，为精确的数字模拟带来了艰巨的挑战。它们复杂的几何形状，加上特定的表面和体积特性，使它们的光相互作用的动力学变得复杂。实现高精度的数字表示需要广泛考虑光学定律和复杂的计算模型。
借助OCEAN™模拟软件，可以通过根据材料测量和属性生成图像和数据来创建特定珠宝的虚拟原型。它支持对不同参数进行快速迭代，并确保对美学方面的精确控制，尤其是颜色和表面光洁度。
考虑几何形状和光线的影响来预测宝石外观：
了解宝石的复杂形状和光学特性：
宝石形状的复杂性，加上其复杂的光学特性，对精确的数字模拟提出了重大挑战。宝石有多种形状，从简单的几何形状到具有许多刻面和曲线的高度不规则形式。每个刻面与光的相互作用都不同，导致宝石表面的反射、折射和吸收发生变化。此外，宝石的内部结构（包括杂质、内含物和结构缺陷）进一步复杂化了它们的光学行为。
图 1：由于宝石形状复杂，每个刻面与光的相互作用都不同。
实现精确的数字模拟需要捕捉这些复杂形状和光学特性的细微差别，这需要仔细考虑光学定律以及复杂的计算模型和算法。必须仔细考虑表面粗糙度、材料成分和光源特性等因素才能产生逼真的结果。此外，宝石特性固有的可变性带来了不确定性，因此难以准确预测光在不同条件下如何与宝石相互作用。
用于科学精确宝石模拟的OCEAN™工作流程：
OCEAN™建模工作流程是一种系统化方法，它集成了多个步骤，以准确模拟宝石在数字环境中的外观和行为。
第一步是分析宝石的几何形状，通常来自 CAD 数据。这些数据被导入到Ocean™中，并作为后续仿真和建模过程的基础。
下一步是对宝石的光学特性进行仔细分析。这包括对体积和表面特性的检查。仔细检查宝石的介电特性（折射率、吸收系数）和散射特性等体积特性。还评估了表面特性，例如宝石是不透明还是半透明、平整度或粗糙度以及反射率。此外，还考虑了发射特性和变形模式，例如划痕或磨损。这些特性中的每一个对于准确捕捉光线如何与宝石相互作用都至关重要。
第三阶段涉及在特定场景、特定照明和环境条件下进行数字观察和迭代。此过程允许工程师和设计师在受控的虚拟环境中观察和测量光与宝石之间的相互作用。这支持多种应用，包括确认或改进特定的多材料珠宝设计，在生产昂贵的物理样品之前评估宝石的外观，以及迭代材料成分以实现所需的美学效果。
使用虚拟原型制作的最有价值的好处之一是在迭代阶段节省了大量时间，因为物理镶嵌宝石是一个漫长的过程，需要数周或数月的时间。有了 Ocean™，这第三阶段缩短到数小时。
图 3：用于生成预测图像和照明量化的海洋™工作流程，以实现科学准确的宝石模拟。
检查光线对宝石外观的影响：
光线对宝石的外观有着深远的影响。光和宝石材料之间的相互作用涉及复杂的光学过程，这些过程会显着影响宝石的视觉特性。
这种相互作用的核心是宝石材料对光波长的选择性吸收和反射，决定了它们感知的颜色。例如，红宝石等宝石的吸收光谱在绿色和蓝色区域呈现峰值，从而形成其特有的红色调。
此外，宝石刻面的光学设计在增强亮度和分散效果方面起着关键作用。它们不同的角度会影响光的传播。必须考虑刻面界面的全内反射和光散射等因素，从而影响宝石的整体亮度和亮度。
质地和表面特性也对宝石的光学行为有很大影响。表面粗糙度或平整度会影响光的反射和散射，从而影响光泽度和透明度等现象。层状宝石结构，例如蛋白石中的结构，呈现出迷人的光干涉现象，导致其彩虹色特性。
在模拟宝石的外观时，还必须考虑光源本身的特性以及背景的光学特性。
在下面的示例中，我们说明了宝石方面的变化，具体取决于光源的类型。
照明：envmap « 办公室 »
照明：偏振天空（程序化）
照明：envmap « Office »
照明：圆形泛光灯
图 4：光源对单个宝石外观的影响图示。使用 Ocean™ 生成的模拟
从宝石的几何形状和光线出发，我们现在将讨论表面处理和体积特性对宝石外观的影响。通过Ocean™，我们将探索精确的色彩控制和视觉效果，优化材料选择，将创意愿景变为现实。
考虑宝石表面处理和体积特性来预测宝石外观：
使用材料测量、3D 数据并遵循光学定律，Ocean™ 能够预测各种宝石的外观。它还考虑了对宝石外观有影响的表面处理和体积特性。这种方法提供了一种全面而有效的方式来增强材料选择和优化设计。
两个案例研究说明了虚拟原型在宝石外观中的多功能性：多涂层宝石和光散射到宝石的体积中。这些研究展示了在使用数字宝石模拟时对颜色方面的精确控制和特定着色效果的创建。
使用多涂层宝石实现色彩精度：
使用 PVD 涂层和额外的油墨应用优化颜色：
为了获得特定的颜色方面，表面宝石的底部是PVD涂层的。可以在涂层顶部涂上额外的墨水。
图 5：根据美学要求应用宝石表面处理
虚拟原型制作可以通过迭代PVD涂层或附加油墨在各种参数（如成分、厚度、位置）上的应用来精确控制颜色方面。这些技术使工程师能够精确地实现宝石表面处理所需的美学变化。
图 6：侧视图 – 宝石表面处理的各种模拟。使用 Ocean™ 生成的模拟。
图 6：35° 视图 – 宝石表面处理的各种模拟。使用 Ocean™ 生成的模拟。
分析美学变化的定向涂层效果：
涂层可用于珠宝行业，以实现特定的光反射效果。由于宝石的复杂形状会导致宝石表面涂层厚度的变化，因此很难预测整个物体上会出现的颜色差异。
使用 Ocean™，可以在具有不同方向的刻面上再现定向单层涂层，使这些变化可见，并允许产品设计师预测颜色和反射变化。
图 7：对具有不同方向的刻面进行定向涂层的模拟。使用 Ocean™ 生成的模拟。
通过对不同的涂层设计进行数字化试验，设计人员能够最大限度地减少材料浪费和生产成本，并减少原型制作阶段所花费的时间。虚拟测试不同的涂层方向有助于确定最节省资源的方法，同时实现所需的美观并提供精确的色彩控制。
探索宝石体积特性：通过光散射的着色效果：
使用集成到宝石体积中的纳米颗粒可以获得特殊的着色效果。根据米氏理论，海洋™能够预测导致光与这些纳米颗粒之间相互作用的外观。我们在一篇专门的文章Mie 散射颜色感知与模拟中探讨了这一现象。这种方法提供了对宝石材料中光相互作用的细致入微的理解，从而产生独特而迷人的视觉效果。
光散射到宝石的体积中会导致双色行为，其中吸收和散射的光会导致互补色。虚拟原型设计可以探索这些现象，从而在宝石设计中创造令人惊叹的美学效果。
在下面的示例中，由于玻璃介质中具有可变尺寸的金属纳米颗粒，可以观察到双色行为。
图 8：模拟体积中的光散射，包括不同大小的金属纳米球，从而产生细微的着色效果。从左到右：40nm银球，高密度40nm银球，60nm金球，蔓越莓玻璃（熔融玻璃和金球混合）。使用 Ocean™ 生成的模拟。
预测宝石在珠宝组合物中的外观，考虑与其他复杂材料的相互作用：
在珠宝行业，宝石通常与其他材料相结合，创造出独特的设计。这些组合会产生特定的交互，可能需要长时间的迭代过程才能找到最佳匹配。
通过在原型设计阶段使用 Ocean™，设计师和产品经理可以通过以下 3 个步骤在短时间内准确评估最佳选项：
使用案例：使用OCEAN™模拟软件进行环形外观评估：
在考虑各种候选材料（如金属和宝石）的戒指外观评估的背景下，Eclat Digital提出了一种综合方法，包括每种材料的材料表征、模型构建和外观模拟。
金属：预测仿真的挑战和解决方案：
金属在表征和精确仿真方面存在挑战，因为金属表面光洁度和极化效应等特性。通过将介电函数测量与仿真相结合，虚拟样机可以在不需要新测量的情况下使用不同的表面状态进行迭代，从而深入了解金属的内在特性及其外观变化。
图 9：灰金的介电函数测量和结果可视化。使用 Ocean™ 生成的模拟。
宝石：准确预测祖母绿强度变化
为了找到最佳成分，祖母绿和沙弗莱石宝石会根据吸收和扩散特性检查其强度和颜色变化。海洋™可以处理大量表格材料数据，无论是理论的还是测量的。材料测量的介绍和材料模拟的基本原理在专门的文章中展开。
图 10：祖母绿宝石的吸收测量。使用 Ocean™ 生成的模拟
Ocean™ 的虚拟原型设计通过促进产品开发中的迭代过程和与所有利益相关者的讨论，弥合了材料科学和产品设计之间的差距。
通过对材料进行科学逼真的模拟，研发工程师可以观察材料的吸收和扩散特性的影响，从而找到满足产品设计师特定审美偏好的最佳元素。
产品设计迭代：评估材料组合以评估最终产品的外观：
Ocean™为珠宝设计的研发提供了必要的工具。为了评估产品的最终外观，我们的仿真软件允许产品设计师和材料工程师对复杂的材料相互作用进行快速的现场迭代，调整组合和属性。
下面使用 Ocean™ 生成的材料组合模拟说明了基于科学的虚拟原型制作的迭代过程。
图 11：材料组合的 3 次迭代的原位观察。使用 Ocean™ 生成的模拟
结论 – 迭代数字原型设计以优化产品设计
由于宝石的几何形状、表面和体积特性以及光线之间的复杂相互作用，因此很难预测宝石的外观。
事实证明，Ocean™ 工作流程是克服数字宝石模拟挑战的关键，为工程师和设计师提供了强大的工具，以实现对宝石美学的精确控制。通过对宝石特性的仔细分析和迭代的数字原型制作，Ocean™ 能够优化材料决策、最大限度地降低生产成本并实现创意愿景。
随着珠宝行业的不断发展，Ocean™ 是使专业人士能够突破宝石设计界限的重要工具。凭借其全面的功能和科学的方法，Ocean™使数字模拟和准确的外观预测相结合成为可能。
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