В отличие от пикселей и вокселей, многоугольники часто явно представляются координатами их вершин (в виде точек ). Прямым следствием этого различия является то, что многоугольники 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.
Воксели часто используются при визуализации и анализе медицинских и научных данных (например, географических информационных систем (ГИС)). [1] Некоторые объемные дисплеи используют вокселы для описания своего разрешения . Например, кубический объемный дисплей может отображать 512×512×512 (или около 134 миллионов) вокселей.
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 обладающее свойствами 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
Слово воксель произошло по аналогии со словом « пиксель », где vo представляет « объем » (вместо пикселя «изображение»), а el представляет «элемент»; [3] Аналогичным образованием с el для «элемента» является слово « texel ». [3]
Термин «гипервоксель» является обобщением термина «воксель» для пространств более высокой размерности .
Рендеринг
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.
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 . Графический движок Outcast в основном представлял собой комбинацию движка преобразования лучей ( карты высот ), используемого для рендеринга ландшафта, и полигонального движка наложения текстур, 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 Фрименом [10] (полностью написанный на языке ассемблера ) для создания открытых ландшафтов. [11] Этот метод рендеринга позволял создавать гораздо более детализированный и реалистичный ландшафт по сравнению с симуляциями, основанными на векторной графике того времени. [8]
Галерея
3D-рендеринг микроКТ- скана кусочка листа, разрешение около 40 мкм/воксель при просмотре в полном размере.
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 можно получить 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, как правило, 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
Обычное использование вокселей включает объемную визуализацию 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
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.
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 используют вокселы для создания мира, а также контент, генерируемый игроками.
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.
Minecraft — это видеоигра -песочница , в которой для хранения данных о местности используются вокселы, [16] но не используются методы рендеринга вокселей. Вместо этого он использует рендеринг полигонов для отображения каждого вокселя в виде кубического «блока». [17]
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.
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 ландшафтами, визуализированными с помощью воксельного движка.
Trove — это воксельная MMORPG со строительными элементами, разработанная и изданная Trion Worlds . [20]
Vangers — компьютерная игра, использующая вокселы для своей двухуровневой системы ландшафта. [21]
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. [22] [23]
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.
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 инструменты двухмерного растрового редактора . 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
Обобщением воксела является токсель , или временной воксел. [24] Это используется в случае набора 4D- данных, например, последовательности изображений, которая представляет 3D-пространство вместе с другим измерением, таким как время. 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 .
^ Хмелевский, С., Томпальский, П. (2017). «Оценка заметности наружной рекламы в средствах массовой информации с использованием воксельного подхода». Прикладная география , 87:1–13 doi :10.1016/j.apgeog.2017.07.007. Загрузка препринта: «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 I. (2015). «Методология разработки 3D-графического редактора для микромоделирования деталей из армированных волокном композитных материалов». Достижения в области инженерного программного обеспечения . Достижения в области инженерного программного обеспечения, том 90, декабрь 2015 г., страницы 76–82. 90 : 76–82. doi : 10.1016/j.advengsoft.2015.07.001.
^ аб 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 . ISBN978-0-201-12110-0. Эти ячейки часто называют вокселами (элементами объема) по аналогии с пикселями.
^ «Вокселы». tnlc.com . Архивировано из оригинала 17 апреля 2014 г.
^ Руководство для изгоев . Инфограммы. 1999. с. 34.
^ Бертух, Манфред (2009). "«Klötzchenwelten» [Миры маленьких кубиков] в журнале c't Magazin, выпуск 04/2009». C't: Magazin für Computertechnik . Ганновер: Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG: 183. ISSN 0724-8679.
^ «Изгой – Технология: Рай». archive.org . 7 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 7 мая 2006 г.
^ ab «Воксельный движок местности. Архивировано 13 ноября 2013 г. в Wayback Machine », введение. В сознании программиста, 2005 год.
^ «Немного истории - технология 3D-рендеринга следующего поколения: кастинг воксельных лучей» . 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 - 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.
^ «Краткая история игр Voxel. | Блог DjArcas» . Архивировано из оригинала 18 декабря 2013 г. Проверено 18 декабря 2013 г.
^ «Формат фрагмента: формат блока» . Майнкрафт википедия . Проверено 24 сентября 2023 г.
^ «Учебники/Единицы измерения: расстояние» . Майнкрафт википедия . Проверено 24 сентября 2023 г.
^ "Апелляция 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.
^ Ars Technica (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 RGBD-видео на основе графов». Конференция IEEE 2014 по компьютерному зрению и распознаванию образов . стр. 344–351. arXiv : 1801.08981 . дои :10.1109/CVPR.2014.51. ISBN978-1-4799-5118-5. S2CID 519623.
