Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Серия вокселей в стеке с одним затененным вокселем.
Иллюстрация сетки вокселей, содержащей значения цвета
Vg graphics.svg
Часть серии по:
Графика видеоигр
Типы
Темы
Списки

В 3D компьютерной графики , вокселей представляет собой значение на регулярной сетке в трехмерном пространстве . Как и в случае с пикселями в двумерном растровом изображении , сами воксели обычно не имеют своего положения (то есть координат ), явно закодированного с их значениями. Вместо этого системы рендеринга определяют положение вокселя на основе его положения относительно других вокселей (т. Е. Его положения в структуре данных , составляющей единое объемное изображение ).

В отличие от пикселей и вокселей, многоугольники часто явно представлены координатами их вершин (в виде точек ). Прямым следствием этой разницы является то, что многоугольники могут эффективно представлять простые трехмерные структуры с большим количеством пустых или однородно заполненных пространств, в то время как воксели превосходно представляют пространства с регулярной выборкой, которые неоднородно заполнены.

Воксели часто используются для визуализации и анализа медицинских и научных данных (например, ГИС ). [1] Некоторые объемные дисплеи используют воксели для описания своего разрешения . Например, кубический объемный дисплей может отображать воксели размером 512 × 512 × 512.

Слово voxel возникло аналогично слову «пиксель», где vo представляет « объем », а el - «элемент»; [2] аналогичные образования с el  для «element» включают слова «pixel» и « texel ». [2]

Одно из определений: «Воксель - это изображение области трехмерного пространства, ограниченное заданными размерами, которое имеет свои собственные координаты узловой точки в принятой системе координат, свою собственную форму , свой собственный параметр состояния, который указывает его принадлежность к некоторым моделируемый объект и имеет свойства моделируемой области ». Это определение имеет следующее преимущество. Если во всей модели используется фиксированная форма вокселей, гораздо проще работать с узловыми точками вокселей , то есть с тремя координатами этой точки. Но есть и простая форма записи - индексы элементов в модельном наборе, то есть целочисленные координаты. Элементами модельного набора в данном случае являются параметры состояния,указание принадлежности вокселя моделируемому объекту или его отдельным частям, включая их поверхности. [3]

Рендеринг [ править ]

Объем, описываемый как воксели, может быть визуализирован либо прямым рендерингом объема, либо извлечением изоповерхностей многоугольника, которые повторяют контуры заданных пороговых значений. Походные кубов алгоритм часто используется для извлечения изоповерхности, однако другие методы существуют , а также.

Оба трассировки лучей и луч литья , а также растеризации , могут быть применены к данным вокселей для получения 2D растровой графики для изображения на мониторе.

Растеризация инкрементальной ошибки [ править ]

Другой метод для вокселей включает в себя растровую графику, в которой просто прослеживают лучи каждого пикселя дисплея в сцену, отслеживая член ошибки, чтобы определить, когда перейти . Типичная реализация будет отслеживать каждый пиксель дисплея, начиная с нижней части экрана, используя так называемый y-буфер. Когда достигается воксель, который имеет более высокое значение y на дисплее, он добавляется к y-буферу, замещая предыдущее значение, и связывается с предыдущим значением y на экране, интерполируя значения цвета. У растеризации вокселей есть серьезный недостаток, когда применяется преобразование, которое вызывает серьезное искажение . 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 . Изгой» ы графический движок , в основномкомбинация лучей литья ( высоты ) двигателя, используемая для визуализации ландшафта, а также наложение текстуры полигон двигательиспользуемым для отображения объектов. Раздел «Программирование движка» в титрах игры в руководстве имеет несколько подразделов, связанных с графикой, среди них: «Движок ландшафта», «Движок многоугольника», «Движок воды и теней» и «Движок спецэффектов». [5] Хотя изгойчасто упоминается как предшественник воксельной технологии [6], что 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, которые смоделированы с использованием многоугольников с наложенной текстурой. Когда был разработан Outcast , термин «воксельный движок» в применении к компьютерным играм обычно относился к движку лучей (например, движку VoxelSpace ). На странице технологии движка веб-сайта игры ландшафтный движок также называется «движком Voxels». [7] Движок основан исключительно на программном обеспечении ; он не полагается на аппаратное ускорение через 3Dвидеокарта . [8]

Джон Кармак также экспериментировал с вокселями для движка Quake III . [9] Одной из таких проблем, которую назвал Кармак, было отсутствие графических карт, разработанных специально для такого рендеринга, требующего программного рендеринга.

Comanche также был первым коммерческим симулятором полета, основанным на воксельной технологии. NovaLogic использовала проприетарный движок Voxel Space, разработанный для компании Кайлом Фриманом [10] (полностью написанный на языке Ассемблер ) для создания открытых ландшафтов. [11] Этот метод рендеринга позволил создать гораздо более детализированный и реалистичный ландшафт по сравнению с симуляциями, основанными на векторной графике того времени. [8]

Галерея [ править ]

  • Воспроизвести медиа

    3D-рендеринг микроконтактной томографии листа листа, разрешение около 40 мкм / воксель при просмотре в полном размере

  • (Сглаженный) рендеринг набора данных вокселей для макромолекулы

Данные [ редактировать ]

Воксель представляет собой одиночный образец или точку данных на равномерно распределенной трехмерной сетке. Эта точка данных может состоять из одного фрагмента данных, например непрозрачности, или нескольких фрагментов данных, таких как цвет 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 эта недостающая информация может быть восстановлена ​​и / или аппроксимирована, например, с помощью интерполяции.

В компьютерной томографии ( изображена КТ брюшной полости ) воксели создаются путем умножения поля зрения (FOV) на диапазон сканирования .

Значение воксела может представлять различные свойства. При КТ- сканировании значения являются единицами Хаунсфилда , что дает непрозрачность материала для рентгеновских лучей. [12] : 29 С помощью МРТ или УЗИ можно получить разные типы значений .

Воксели могут содержать несколько скалярных значений, в основном векторные (тензорные) данные; в случае ультразвукового сканирования с данными в B-режиме и доплеровскими данными плотность и объемный расход регистрируются как отдельные каналы данных, относящиеся к одним и тем же позициям вокселей.

Хотя воксели обеспечивают точность и глубину реальности, они, как правило, представляют собой большие наборы данных, и ими сложно управлять с учетом пропускной способности обычных компьютеров. Однако за счет эффективного сжатия и обработки больших файлов данных интерактивную визуализацию можно включить на компьютерах потребительского рынка.

Другие значения могут быть полезны для немедленного 3D- рендеринга , например, вектор нормали к поверхности и цвет .

Использует [ редактировать ]

Обычно воксели используются для создания объемных изображений в медицине и представления местности в играх и симуляторах. Воксельный ландшафт используется вместо карты высот из-за его способности отображать выступы, пещеры, арки и другие трехмерные объекты ландшафта. Эти вогнутые объекты не могут быть представлены на карте высот, потому что представлен только верхний «слой» данных, оставляя все под ним заполненным (объем, который в противном случае был бы внутренней частью пещер или нижней стороной арок или выступов).

Компьютерные игры [ править ]

  • 3D Dot Game Heroes использует воксели для представления графики в стиле ретро.
  • 7 Days to Die - это игра ужасов на выживание с открытым миром, основанная на вокселях, разработанная The Fun Pimps Entertainment .
  • Ace of Spades использовалдвижок Voxlap Кена Сильвермана до того, как был переписан в специальныйдвижок OpenGL .
  • Amok использует воксели для своего окружения. [13]
  • Armored Fist 3 - это компьютерная игра от Novalogic, в которой использовалась технология рендеринга на основе вокселей.
  • Blade Runner - это видеоигра, в которой для рендеринга персонажей и артефактов использовались воксели.
  • Castle Story , разрабатываемая стратегическая игра в реальном времени о строительстве замка, имеет рельеф, состоящий из сглаженных вокселей.
  • Comanche - серия компьютерных игр, созданных NovaLogic , в которыхдля рендеринга ландшафтаиспользоваласьвоксельная растеризация Voxel Space . [14]
  • Command & Conquer: Tiberian Sun , Command & Conquer: Red Alert 2 и Command & Conquer: Yuri's Revenge - компьютерные игры, разработанные Westwood Studios , в которых для рендеринга большинства транспортных средств использовались воксели.
  • 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 , содержит процедурно генерируемые воксельные ландшафты.
  • Delta Force - это компьютерная игра, созданная Novalogic, в которой использовался собственный движок рендеринга Voxel Space .
  • Dual Universe - это MMORPG с одним осколком вселенной, в которой вокселы используются для создания космических кораблей, цивилизаций и космических станций.
  • EverQuest Next и EverQuest Next: Landmark , отмененные MMORPG от Sony Online Entertainment , широко используют вокселы для создания мира, а также контента, создаваемого игроками.
  • Hexplore , многопользовательская ролевая игра, использует воксельный движок, позволяющий игроку вращать игровое поле с изометрической визуализацией.
  • Ion Fury использует вокселы для визуализации оружия и пикапов как части ретро-стиля игры .
  • Master of Orion III использует воксельную графику для визуализации космических сражений и солнечных систем. Бои, в которых одновременно отображалось 1000 кораблей, медленно рендерились на компьютерах без аппаратного ускорения графики.
  • Medieval Engineers - это вторая инженерная игра на основе вокселей от Keen Software House, вдохновленная средневековыми технологиями.
  • Minecraft является песочницей видео игрыкоторая использует воксели для хранения местности данных , [15] , но не использует воксельную рендерингу методов . Вместо этого он использует рендеринг полигонов для отображения каждого воксела в виде кубического «блока».
  • Miner Wars 2081 - это игра с открытым миром 6DOF, созданная Keen Software House, которая использует собственный механизм рендеринга вокселей VRage, позволяющий пользователю деформировать местность астероидов, позволяя формировать туннели.
  • No Man's Sky - космическая игра, состоящая из процедурно генерируемых звездных систем, содержащих исследуемые планеты, луны и астероиды, состоящие из вокселей. Воксельный движок позволяет как разрушение, так и создание ландшафта.
  • Outcast - это компьютерная игра в жанре экшн от третьего лица, созданная бывшим бельгийским разработчиком видеоигр Appeal [16], в которой пейзажи визуализированы с помощью воксельного движка. [17]
  • Planet Coaster - это симулятор строительства и управления 2016 года,разработанный и опубликованный Frontier Developments, в котором используется воксельный редактор ландшафта. [18]
  • Resogun - это основанная на вокселях игра-стрелялка с боковой прокруткой 2013 года, разработанная финским разработчиком Housemarque .
  • Roblox использует воксели для ландшафта.
  • Robocraft , автомобильная боевая игра, в которой игроки создают боевые машины из вокселей и готовых компонентов.
  • ScrumbleShip , игра-симулятор космического корабля MMO , находящаяся в разработке (по состоянию на 2017 год), визуализирует каждый внутриигровой компонент и повреждает эти компоненты, используя от десятков до тысяч вокселей.
  • Shadow Warrior и Blood используют движок сборки для рендеринга вокселей шутера от первого лица вместо спрайтов в качестве опции для многих предметов и декораций. Duke Nukem 3D имеет созданный фанатами пакет в похожем стиле.
  • В Shattered Steel использовались деформирующие ландшафты с использованием воксельной технологии.
  • Альфа Центавра Сида Мейера использует воксельные модели для визуализации единиц.
  • SkySaga: Infinite Isles - это MMORPG с песочницей на основе вокселей, разработанная Radiant Worlds и опубликованная Smilegate .
  • Space Engineers - это космическая песочница на основе вокселей, разработанная и изданная Keen Software House.
  • StarMade , игра-песочница на основе вокселей, действие которой происходит в космосе, разработано и издано Робином «Schema» Промесбергером.
  • Песочница
  • Trove - это MMORPG на основе вокселей со строительными элементами, разработанная и изданная Trion Worlds . [19]
  • Vangers - это компьютерная игра, в которой для двухуровневой системы ландшафта используются воксели. [20]
  • Vox , выпущенная в 2012 году, представляет собой исследовательскую / ролевую игру на основе вокселей, ориентированную на контент, создаваемый игроками.
  • Voxatron , компьютерная игра, созданная Lexaloffle, состоит и генерируется полностью с использованием вокселей. [21] [22]
  • Voxelstein 3D - это шутер от первого лица, который рендерит полностью разрушаемый уровень с врагами (также полностью разрушаемый) с помощью только вокселей.
  • Werewolf - это компьютерная игра от Novalogic, в которой используется технология рендеринга на основе вокселей. Первоначально он был в комплекте и поставлялся сигрой Comanche 2, хотя это были две отдельные игры.
  • Worms 4: Mayhem использует движок на основе вокселей для имитации деформации земли, как в старых играх 2D Worms.

Редакторы [ править ]

В то время как визуализация научного объема не требует изменения фактических данных вокселей, редакторы вокселей могут использоваться для создания рисунков (особенно 3D- пиксельной графики ) и моделей для игр на основе вокселей. Некоторые редакторы ориентированы на единый подход к редактированию вокселей, в то время как другие смешивают различные подходы. Вот некоторые общие подходы:

  • На основе срезов: объем нарезается по одной или нескольким осям, и пользователь может редактировать каждое изображение индивидуально с помощью инструментов редактора 2D-растра . Они обычно хранят информацию о цвете в вокселях.
  • Скульптура: аналогична векторной копии, но без ограничений топологии. Они обычно хранят информацию о плотности в вокселях и не имеют информации о цвете.
  • Строительные блоки: пользователь может добавлять и удалять блоки, как игрушечный конструктор .

Доступно несколько редакторов вокселей, которые не привязаны к конкретным играм или движкам. Их можно использовать как альтернативу или дополнение к традиционному трехмерному векторному моделированию.

Расширения [ править ]

Обобщение воксела - это токсел или временной воксель . [23] Это используется в случае набора данных 4D , например, последовательности изображений, которая представляет трехмерное пространство вместе с другим измерением, таким как время. Таким образом, изображение может содержать 100 × 100 × 100 × 100 токселов, которые можно рассматривать как серию из 100 кадров объемного изображения 100 × 100 × 100 (эквивалент для трехмерного изображения будет показывать двумерное поперечное сечение изображения в каждом кадре). Хотя для хранения и обработки таких данных требуется большой объем памяти, он позволяет представлять и анализировать пространственно-временные системы.

См. Также [ править ]

  • Максель - материальный элемент
  • Пиксель - элемент изображения
  • Ресел - элемент разрешения
  • Редкое воксельное октодерево
  • Texel - элемент текстуры
  • Тиксель - тактильный элемент
  • Томография
  • Объемная сетка
  • Объемный рендеринг

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хмелевский, Sz., Tompalski, P. (2017). «Оценка видимости наружной рекламы на основе вокселей». Прикладная география , 87: 1–13 doi : 10.1016 / j.apgeog.2017.07.007 . Скачать препринт: «Архивная копия» . Архивировано 2 октября 2017 года . Проверено 2 октября 2017 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  2. ^ a b Фоули, Джеймс Д .; Андрис ван Дам; Джон Ф. Хьюз; Стивен К. Файнер (1990). «Пространственно-разделительные представления; Детали поверхности». Компьютерная графика: принципы и практика . Серия системного программирования. Эддисон-Уэсли . ISBN 978-0-201-12110-0. Эти ячейки часто называют вокселями (элементами объема) по аналогии с пикселями.
  3. ^ Щурова, Екатерина I. (2015). Методология разработки трехмерного графического редактора для микромоделирования армированных волокном композитных деталей . Достижения в инженерном программном обеспечении Том 90, декабрь 2015 г., страницы 76-82. DOI : 10.1016 / j.advengsoft.2015.07.001 .
  4. ^ "Вокселы" . tnlc.com . Архивировано 17 апреля 2014 года.
  5. ^ Руководство изгоя . Инфограммы. 1999. с. 34.
  6. ^ Bertuch, Manfred (2009). « ' Klötzchenwelten' [Миры маленьких кубиков] в выпуске c't Magazin 04/2009». C't: Magazin für Computertechnik . Ганновер: Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG: 183. ISSN 0724-8679 . 
  7. ^ «ПРОГНОЗ - Технология: рай» . archive.org . 7 мая 2006 года Архивировано из оригинала 7 мая 2006 года.
  8. ^ a b « Воксельный движок местности, архивировано 13 ноября 2013 г. на Wayback Machine », введение. В голове программиста, 2005 год.
  9. ^ "Немного истории - Технология 3D-рендеринга нового поколения: Воксельное излучение" . tomshardware.com . 21 октября 2009 г.
  10. ^ "Изобретения, патенты и заявки на патенты Кайла Г. Фримена - поиск патентов Justia" . justia.com . Архивировано 01 февраля 2014 года.
  11. ^ "FlightSim.Com - NovaLogic получила патент на воксельный графический движок" . flightim.com . Архивировано 24 сентября 2015 года.
  12. ^ Novelline, Роберт. Основы радиологии Сквайра . Издательство Гарвардского университета. 5-е издание. 1997. ISBN 0-674-83339-2 . 
  13. ^ "Команда обзора: Амок". Ежемесячный журнал электронных игр . № 93. Зифф Дэвис . Апрель 1997. с. 53.
  14. ^ "Архивная копия" . Архивировано 18 декабря 2013 года . Проверено 18 декабря 2013 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  15. ^ «Формат блока: формат блока» . Майнкрафт вики . Архивировано 12 февраля 2016 года . Проверено 7 февраля 2016 .
  16. ^ «Обращение SA - MobyGames» . mobygames.com . Архивировано 19 декабря 2014 года.
  17. ^ «ПРОГНОЗ - Технология: рай» . outcast-thegame.com . Архивировано из оригинала на 2010-06-15 . Проверено 20 декабря 2009 .
  18. ↑ Зак, Роберт (4 апреля 2016 г.). « « Лучшего времени не было »: Planet Coaster едет, чтобы удовлетворить спрос на глубокие симуляторы» . Архивировано 4 июля 2016 года . Проверено 11 июля +2016 .
  19. ^ "Trove - Приключение Voxel MMO от Trion Worlds" . trovegame.com . Архивировано 22 июля 2014 года.
  20. ^ "АВАНГЕРЫ" . kdlab.com . Архивировано из оригинала на 2010-01-14 . Проверено 20 декабря 2009 .
  21. ^ Ars Technica. «У нас <3 вокселя: почему Voxatron - захватывающий инди-шутер» . Архивировано 13 октября 2011 года.
  22. ^ "Lexaloffle BBS :: Voxatron" . lexaloffle.com . Архивировано 08 января 2011 года . Проверено 12 января 2011 .
  23. ^ Хиксон, Стивен; Берчфилд, Стэн; Эсса, Ирфан; Кристенсен, Хенрик (2014). «Эффективная иерархическая сегментация RGBD-видео на основе графов». Труды конференции IEEE по компьютерному зрению и распознаванию образов : 344–351. arXiv : 1801.08981 . DOI : 10.1109 / CVPR.2014.51 . ISBN 978-1-4799-5118-5. S2CID  519623 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Игры с воксельной графикой на MobyGames
  • Основы вокселизации " Архивного "