Воксель


![]() |
Часть серии о |
Графика видеоигр |
---|
Воксель — это трехмерный аналог пикселя . Он представляет значение в регулярной сетке в трехмерном пространстве . Воксели часто используются при визуализации и анализе медицинских и научных данных (например, географических информационных систем (ГИС)). [ 1 ]
Как и в случае с пикселями в 2D растровом изображении , сами воксели обычно не имеют своей позиции (т.е. координат ), явно закодированной вместе с их значениями. Вместо этого системы рендеринга определяют положение воксела на основе его положения относительно других вокселей (т. е. его положения в структуре данных , которая составляет одно объемное изображение ). Некоторые объемные дисплеи используют вокселы для описания своего разрешения . Например, кубический объемный дисплей может отображать 512×512×512 (или около 134 миллионов) вокселей.
В отличие от пикселей и вокселей, многоугольники часто явно представляются координатами их вершин (в виде точек ). Прямым следствием этого различия является то, что полигоны могут эффективно представлять простые трехмерные структуры с большим количеством пустого или однородно заполненного пространства, в то время как воксели превосходно представляют пространства с регулярной выборкой, которые неоднородно заполнены.
Одно из определений:
Воксель — это изображение ограниченной заданными размерами области трехмерного пространства, имеющее свои координаты узловой точки в принятой системе координат, свою форму , свой параметр состояния , указывающий на ее принадлежность к какому-либо моделируемому объекту, и свойствами обладающее моделируемый регион.
Это определение имеет следующее преимущество. Если в рамках всей модели используется фиксированная форма вокселей, то гораздо проще работать с узловыми точками вокселей (т.е. тремя координатами этой точки). Однако существует простая форма записи: индексы элементов набора моделей (т.е. целочисленные координаты). Элементами модельного набора в данном случае являются параметры состояния, указывающие на принадлежность вокселя моделируемому объекту или его отдельным частям, включая их поверхности. [ 2 ]
Этимология
[ редактировать ]Слово «воксель » возникло по аналогии со словом « пиксель », где vo представляет « объем » (вместо «изображения» пикселя), а el представляет «элемент»; [ 3 ] аналогичное образование с el для «элемента» - это слово « texel ». [ 3 ] Термин «гипервоксель» является обобщением термина «воксель» для пространств более высокой размерности .
Рендеринг
[ редактировать ]Объем, описанный как вокселы, можно визуализировать либо путем прямой объемной визуализации , либо путем извлечения изоповерхностей многоугольника , которые следуют контурам заданных пороговых значений. Алгоритм марширующих кубов часто используется для извлечения изоповерхностей, однако существуют и другие методы.
И трассировка лучей , и приведение лучей , а также растеризация могут применяться к воксельным данным для получения растровой 2D-графики для отображения на мониторе.
Дополнительная растеризация ошибок
[ редактировать ]Другой метод обработки вокселей включает в себя растровую графику, при которой просто трассируется лучами каждый пиксель дисплея в сцене, отслеживая ошибки, чтобы определить, когда следует сделать шаг . Типичная реализация трассирует лучи для каждого пикселя дисплея, начиная с нижней части экрана, используя так называемый y-буфер. Когда достигается воксель, имеющий более высокое значение y на дисплее, он добавляется в буфер y, переопределяя предыдущее значение, и соединяется с предыдущим значением y на экране, интерполируя значения цвета. Существует серьезный недостаток растеризации вокселей, когда применяется преобразование, которое приводит к серьезному сглаживанию . Преимуществом была возможность растеризации с использованием дешевых целочисленных вычислений на ЦП без аппаратного ускорения . [ 4 ]
Outcast и другие видеоигры 1990-х годов использовали эту графическую технику для таких эффектов, как отражение и рельефное отображение , а также обычно для рендеринга ландшафта . в Outcast Графический движок основном представлял собой комбинацию движка преобразования лучей ( карты высот ), используемого для рендеринга ландшафта, и наложения текстур, движка полигонального используемого для рендеринга объектов. Раздел «Программирование движка» в руководстве по играм имеет несколько подразделов, связанных с графикой, среди них: «Ландшафтный движок», «Многоугольный движок», «Движок воды и теней» и «Движок специальных эффектов». [ 5 ] Хотя Outcast часто называют предшественником воксельной технологии, [ 6 ] это несколько вводит в заблуждение. На самом деле игра не моделирует трехмерные объемы вокселей. Вместо этого он моделирует землю как поверхность, которую можно рассматривать как состоящую из вокселей. Земля украшена объектами, смоделированными с использованием полигонов с текстурами. Когда разрабатывался Outcast , термин «воксельный движок» применительно к компьютерным играм обычно относился к движку преобразования лучей (например, движку VoxelSpace ). На странице технологий движка веб-сайта игры ландшафтный движок также называется «движком вокселей». [ 7 ] Движок основан исключительно на программном обеспечении ; он не использует аппаратное ускорение с помощью 3D- графической карты . [ 8 ]
Джон Кармак также экспериментировал с вокселями для движка Quake III . [ 9 ] Одной из таких проблем, на которые указал Кармак, было отсутствие видеокарт, разработанных специально для такого рендеринга, требующего программного рендеринга.
Comanche также был первым коммерческим симулятором полета, основанным на воксельной технологии. NovaLogic использовала собственный движок Voxel Space, разработанный для компании Кайлом Фриманом. [ 10 ] (написан полностью на ассемблере ) для создания открытых ландшафтов. [ 11 ] Эта техника рендеринга позволяла создавать гораздо более детализированный и реалистичный ландшафт по сравнению с симуляциями, основанными на векторной графике того времени. [ 8 ]
Галерея
[ редактировать ]-
3D-рендеринг микроКТ- скана кусочка листа, разрешение около 40 мкм/воксель при просмотре в полном размере.
-
(Сглаженный) рендеринг набора данных вокселей для макромолекулы.
Данные
[ редактировать ]Воксель представляет собой один образец или точку данных на регулярно расположенной трехмерной сетке. Эта точка данных может состоять из одного фрагмента данных, например непрозрачности, или нескольких фрагментов данных, например цвета в дополнение к непрозрачности. Воксель представляет собой только одну точку на этой сетке, а не объем; пространство между каждым вокселем не представлено в наборе данных на основе вокселей. В зависимости от типа данных и предполагаемого использования набора данных недостающая информация может быть реконструирована и/или аппроксимирована, например, посредством интерполяции.

Значение воксела может представлять различные свойства. При компьютерной томографии значения выражаются в единицах Хаунсфилда , что определяет непрозрачность материала для рентгеновских лучей. [ 12 ] : 29 Различные типы значений получаются с помощью МРТ или УЗИ .
Воксели могут содержать несколько скалярных значений, по существу векторные (тензорные) данные; в случае ультразвукового сканирования с B-режимом и допплеровскими данными плотность и объемный расход фиксируются как отдельные каналы данных, относящиеся к одним и тем же позициям вокселей.
Хотя вокселы обеспечивают точность и глубину реальности, они обычно представляют собой большие наборы данных, и ими сложно управлять, учитывая пропускную способность обычных компьютеров. Однако благодаря эффективному сжатию и манипулированию большими файлами данных интерактивная визуализация может быть реализована на компьютерах потребительского рынка.
Другие значения могут быть полезны для немедленного 3D- рендеринга , например, вектор нормали к поверхности и цвет .
Технологии расширения вокселей в 4- и 5-мерные данные находятся в стадии изучения. [ 13 ]
Использование
[ редактировать ]Использование вокселей включает объемное изображение в медицине и представление местности в играх и симуляциях. Воксельный ландшафт используется вместо карты высот из-за его способности отображать выступы, пещеры, арки и другие трехмерные элементы ландшафта. Эти вогнутые объекты не могут быть представлены на карте высот, поскольку представлен только верхний «слой» данных, а все, что находится под ним, остается заполненным (объем, который в противном случае был бы внутренней частью пещер или нижней стороной арок или выступов).
Компьютерные игры
[ редактировать ]- 3D Dot Game Heroes использует вокселы для представления графики в стиле ретро.
- 7 Days to Die — это воксельная игра ужасов на выживание в открытом мире, разработанная The Fun Pimps Entertainment .
- Ace of Spades использовала Кена Сильвермана движок Voxlap , прежде чем была переписана на специальный движок OpenGL .
- Amok использует вокселы для создания своего окружения. [ 14 ]
- Armored Fist 3 — компьютерная игра, созданная Novalogic , в которой использовалась технология рендеринга на основе вокселей.
- Blade Runner — видеоигра, в которой для рендеринга персонажей и артефактов использовались вокселы.
- Castle Story , разрабатываемая стратегия в реальном времени, посвященная строительству замков, имеет ландшафт, состоящий из сглаженных вокселей.
- Cloudpunk , приключенческая игра в стиле киберпанк, почти полностью основана на вокселях.
- Серия Comanche — серия компьютерных игр, созданных NovaLogic , в которых для рендеринга местности использовалась воксельная растеризация Voxel Space . [ 15 ]
- Command & Conquer: Tiberian Sun , Command & Conquer: Red Alert 2 и Command & Conquer: Yury's Revenge — компьютерные игры, созданные Westwood Studios , в которых для рендеринга большинства транспортных средств использовались вокселы.
- Crysis , а также Cryengine 2 и Cryengine 3 используют комбинацию карт высот и вокселей для своих систем ландшафта.
- Cube World — ролевая игра в жанре экшн , в которой представлены процедурно генерируемые воксельные ландшафты.
- Delta Force — компьютерная игра, созданная Novalogic с использованием собственного движка рендеринга Voxel Space .
- Dual Universe — это MMORPG с одним фрагментом вселенной, в которой вокселы используются для создания космических кораблей, цивилизаций и космических станций.
- Ensrouded — это ролевая игра на выживание, основанная на Voxel. Релиз от Keen Games в феврале 2023 г.
- EverQuest Next и EverQuest Next: Landmark , отмененные MMORPG от Sony Online Entertainment , широко использовали вокселы для создания мира, а также контент, генерируемый игроками.
- Hexplore , многопользовательская ролевая игра, использует воксельный движок, позволяющий игроку вращать изометрически визуализированное игровое поле.
- Hytale — это будущая воксельная ролевая игра-песочница, разработанная Hypixel Studios и финансируемая Riot Games .
- Master of Orion III использует воксельную графику для визуализации космических сражений и солнечных систем. Сражения, в которых одновременно отображалось 1000 кораблей, медленно визуализировались на компьютерах без аппаратного графического ускорения.
- Medieval Engineers — вторая воксельная инженерная игра от Keen Software House, вдохновленная средневековыми технологиями.
- Minecraft — это видеоигра -песочница , в которой для хранения данных о местности используются вокселы . [ 16 ] но не использует методы воксельного рендеринга . Вместо этого он использует рендеринг полигонов для отображения каждого вокселя в виде кубического «блока». [ 17 ]
- Moonglow Bay — это ролевая видеоигра о рыбалке, выпущенная в 2021 году и разработанная Bunnyhug с использованием стиля воксельной графики.
- Miner Wars 2081 — это игра с открытым миром с 6 степенями свободы, созданная Keen Software House , в которой используется собственный движок воксельного рендеринга VRage, позволяющий пользователю деформировать ландшафт астероидов, позволяя формировать туннели.
- Nivalis — это будущий кусочек жизни в стиле киберпанк, действие которого происходит в воксельном мире, ранее представленном в Cloudpunk.
- No Man's Sky — это игра об исследовании космоса, состоящая из процедурно генерируемых звездных систем, содержащих исследуемые планеты, луны и астероиды, состоящие из вокселей. Воксельный движок позволяет как разрушать, так и создавать ландшафт.
- Outcast — компьютерная игра в жанре экшн от третьего лица, созданная бывшим бельгийским разработчиком видеоигр Appeal. [ 18 ] с пейзажами, созданными с помощью воксельного движка.
- Phase Zero — неизданная в 2002 году в жанре экшн - шутер видеоигра для Atari Jaguar , пейзажи которой создаются с помощью движка Voxel Space .
- Planet Coaster — это симулятор строительства и управления 2016 года , разработанный и опубликованный Frontier Developments , в котором используется редактор ландшафта на основе вокселей. [ 19 ]
- Resogun — это воксельная видеоигра-стрелялка с боковой прокруткой 2013 года, разработанная финским разработчиком Housemarque .
- Roblox использует воксели для ландшафта, а также для примитивного глобального освещения и теней.
- Robocraft — автомобильная боевая игра, в которой игроки строят боевые машины из вокселей и готовых компонентов.
- Shadow Warrior и Blood используют движок Build для воксельного рендеринга шутеров от первого лица вместо спрайтов в качестве опции для многих предметов и декораций. У Duke Nukem 3D есть созданный фанатами пакет в похожем стиле.
- В Shattered Steel ландшафты деформируются с использованием воксельной технологии.
- «Альфа Центавра» Сида Мейера использует воксельные модели для рендеринга юнитов.
- SkySaga: Infinite Isles — это воксельная MMORPG-песочница, разрабатываемая Radiant Worlds и издаваемая Smilegate .
- Space Engineers — это воксельная игра-песочница, действие которой разворачивается в космосе, разработанная и изданная Keen Software House.
- Starbase на основе вокселей — массовая многопользовательская ролевая онлайн-игра , действие которой разворачивается в космосе, разрабатываемая и издаваемая Frozenbyte .
- StarMade — воксельная игра-песочница, действие которой происходит в космосе, разработанная и изданная Робином «Шема» Промесбергером.
- Teardown — воксельная игра с полностью разрушаемым окружением, разработанная и изданная студией Tuxedo Labs.
- Песочница
- Trove — это воксельная MMORPG со строительными элементами, разработанная и изданная Trion Worlds . [ 20 ]
- Vangers — компьютерная игра, использующая вокселы для своей двухуровневой системы ландшафта. [ 21 ]
- Veloren — это приключенческая ролевая игра, действие которой разворачивается в огромном фэнтезийном мире. [ 22 ]
- Vox , выпущенная в 2012 году, представляет собой исследовательскую/ролевую игру на основе вокселей, ориентированную на контент, создаваемый игроками.
- Voxatron , компьютерная игра, созданная Lexaloffle, полностью создана и сгенерирована с использованием вокселей. [ 23 ] [ 24 ]
- Werewolf — компьютерная игра, созданная Novalogic , в которой использовалась технология рендеринга на основе вокселей. Первоначально он был в комплекте и поставлялся вместе с игрой Comanche 2 , хотя это были две отдельные игры.
- Worms 4: Mayhem использует воксельный движок для имитации деформации земли, как и в старых 2D-играх Worms.
- Minetest использует их для рендеринга узлов.
Редакторы
[ редактировать ]Хотя визуализация научных объемов не требует изменения фактических воксельных данных, редакторы вокселей можно использовать для создания произведений искусства (особенно 3D- пиксельной графики ) и моделей для игр на основе вокселей. Некоторые редакторы ориентированы на один подход к редактированию вокселей, в то время как другие смешивают различные подходы. Некоторые общие подходы:
- На основе срезов: объем нарезается по одной или нескольким осям, и пользователь может редактировать каждое изображение индивидуально, используя двухмерного растрового редактора инструменты . Обычно они хранят информацию о цвете в вокселах.
- Скульптура: аналогична векторному аналогу , но без ограничений топологии. Обычно они хранят информацию о плотности в вокселах и не имеют информации о цвете.
- Строительные блоки: пользователь может добавлять и удалять блоки, как в игрушке -конструкторе .
Доступно несколько воксельных редакторов, не привязанных к конкретным играм или движкам. Их можно использовать в качестве альтернативы или дополнения к традиционному трехмерному векторному моделированию.
Расширения
[ редактировать ]Обобщением воксела является токсель , или временной воксел. [ 25 ] Это используется в случае набора 4D- данных, например, последовательности изображений, которая представляет 3D-пространство вместе с другим измерением, например временем. Таким образом, изображение может содержать 100×100×100×100 токселей, которые можно рассматривать как серию из 100 кадров объемного изображения размером 100×100×100 (эквивалентом трехмерного изображения будет отображение двухмерного поперечного сечения). изображения в каждом кадре). Хотя хранение и манипулирование такими данными требует больших объемов памяти, это позволяет представлять и анализировать системы пространства-времени .
См. также
[ редактировать ]- Максель – материальный элемент
- Пиксель – элемент изображения
- Плоская перегородка
- Resel – элемент разрешения
- Разреженное октодерево вокселей
- Тексель – элемент текстуры
- Тиксель – тактильный элемент
- Томография
- Объемная сетка
- Объемный рендеринг
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хмелевский, С., Томпальский, П. (2017). «Оценка заметности наружной рекламы в средствах массовой информации с использованием воксельного подхода». Прикладная география , 87:1–13. дои : 10.1016/j.apgeog.2017.07.007 . Скачать препринт: «Оценка заметности наружной рекламы с помощью воксельного подхода (доступна загрузка в формате PDF)» . Архивировано из оригинала 2 октября 2017 г. Проверено 2 октября 2017 г.
- ^ Щурова, Екатерина Ивановна (2015). «Методология разработки 3D-графического редактора для микромоделирования деталей из армированных волокном композитных материалов». Достижения в области инженерного программного обеспечения . 90 . Достижения в области инженерного программного обеспечения, том 90, декабрь 2015 г., страницы 76–82: 76–82. doi : 10.1016/j.advengsoft.2015.07.001 .
- ^ Перейти обратно: а б Фоли, Джеймс Д.; Андрис ван Дам; Джон Ф. Хьюз; Стивен К. Файнер (1990). «Представления с пространственным разделением; Детализация поверхности». Компьютерная графика: принципы и практика . Серия «Системное программирование». Аддисон-Уэсли . ISBN 978-0-201-12110-0 .
Эти ячейки часто называют вокселами (элементами объема) по аналогии с пикселями.
- ^ «Воксели» . tnlc.com . Архивировано из оригинала 17 апреля 2014 г.
- ^ Руководство для изгоев . Инфограммы. 1999. с. 34.
- ^ Бертух, Манфред (2009). « 'Klötzchenwelten' [Миры маленьких кубиков] в номере журнала c't, 04/2009». C't: Журнал компьютерной техники . Ганновер: Heise Magazine Verlag GmbH & Co. KG: 183. ISSN 0724-8679 .
- ^ «ИЗГОНКА – Технологии: Рай» . archive.org . 7 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 7 мая 2006 г.
- ^ Перейти обратно: а б « Воксельный движок местности. Архивировано 13 ноября 2013 г. в Wayback Machine », введение. В сознании программиста, 2005 год.
- ^ «Немного истории – технология 3D-рендеринга нового поколения: воксельное моделирование» . tomshardware.com . 21 октября 2009 г.
- ^ «Изобретения, патенты и патентные заявки Кайла Г. Фримена - Поиск патентов Justia» . Justia.com . Архивировано из оригинала 1 февраля 2014 г.
- ^ «FlightSim.Com — компания NovaLogic получила патент на движок воксельной космической графики» . Flightsim.com . Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г.
- ^ Новеллин, Роберт. Основы радиологии Сквайра . Издательство Гарвардского университета. 5-е издание. 1997. ISBN 0-674-83339-2 .
- ^ Общество, Оптика. «Метод высокоскоростной лазерной записи может упаковать 500 терабайт данных на стеклянный диск размером с компакт-диск» . физ.орг . Проверено 31 октября 2021 г.
- ^ «Команда обзора: Амок». Ежемесячник электронных игр . № 93. Зифф Дэвис . Апрель 1997 г. с. 53.
- ^ «Краткая история Voxel-игр. | Блог DjArcas» . Архивировано из оригинала 18 декабря 2013 г. Проверено 18 декабря 2013 г.
- ^ «Формат блока: Формат блока» . Майнкрафт Вики . Проверено 24 сентября 2023 г.
- ^ «Учебники/Единицы измерения: Расстояние» . Майнкрафт Вики . Проверено 24 сентября 2023 г.
- ^ «Обращение SA — MobyGames» . mobygames.com . Архивировано из оригинала 19 декабря 2014 г.
- ^ Зак, Роберт (4 апреля 2016 г.). « Лучшего времени еще не было»: Planet Coaster призван удовлетворить спрос на игры с глубоким симулятором» . Архивировано из оригинала 4 июля 2016 года . Проверено 11 июля 2016 г.
- ^ «Trove — воксельное MMO-приключение из Trion Worlds» . trovegame.com . Архивировано из оригинала 22 июля 2014 г.
- ^ «ВАНГЕРС» . kdlab.com . Архивировано из оригинала 14 января 2010 г. Проверено 20 декабря 2009 г.
- ^ «Велорен» . Велорен.нет . Архивировано из оригинала 12 июня 2024 г. Проверено 12 июня 2024 г.
- ^ Арс Техника (14 января 2011 г.). «Мы <3 вокселя: почему Voxatron — захватывающий инди-шутер» . Архивировано из оригинала 13 октября 2011 г.
- ^ "Lexaloffle BBS::Voxatron" . lexaloffle.com . Архивировано из оригинала 8 января 2011 г. Проверено 12 января 2011 г.
- ^ Хиксон, Стивен; Берчфилд, Стэн; Эсса, Ирфан; Кристенсен, Хенрик (2014). «Эффективная иерархическая сегментация видео RGBD на основе графов». Конференция IEEE 2014 по компьютерному зрению и распознаванию образов . стр. 344–351. arXiv : 1801.08981 . дои : 10.1109/CVPR.2014.51 . ISBN 978-1-4799-5118-5 . S2CID 519623 .