Воксел

Воксельная модель. Один воксел соответствует одному кубику

Воксельное изображение макромолекулы рибосомы, созданное с использованием PyMOL.

Во́ксел (в разговорной речи во́ксель, англ. Voxel — образовано из слов: объёмный (англ. volumetric) и пиксел (англ. pixel) — элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве. Вокселы являются аналогами пикселов для трехмёрного пространства. Воксельные модели часто используются для визуализации и анализа медицинской и научной информации.

Представление в памяти

Воксельная модель кошки рядом с полигональной (векторная графика) моделью кота.

Как и в случае с пикселами, сами по себе вокселы не содержат информации о своих координатах в пространстве. Их координаты вычисляются из их позиции в трёхмерной матрице — структуре, моделирующей объёмный объект или поле значений параметра в трёхмерном пространстве.

Этим вокселы отличаются от объектов векторной графики, для которых известны координаты их опорных точек (вершин) и прочие параметры.

Воксельные модели имеют определенное разрешение. Каждый воксел имеет определенное значение, например, цвет.

Для хранения воксельной модели применяют массив размерами X×Y×Z. Несжатые воксельные модели (по сравнению с векторными) потребляют гораздо больше места в памяти для обработки. К примеру, одна несжатая модель размером 256×256×256 вокселей будет занимать память объёмом от 32 Мб (256*256*256=16777216 вокселей и как минимум 2 байта на воксель даже в 256-ти градациях серого, так как к ним надо добавить 256 градаций прозрачности, итого 16777216*2=33554432 байт=33554432/1024=32768 Кб = 32768/1024=32 Мб), в то время как векторной модели может потребоваться в десятки или даже сотни раз меньше.

Построение воксельного октодерева

Разреженное воксельное октодерево

Основная статья: Sparse Voxel Octree

Одной из новейших перспективных технологий, позволяющей делать эффективную детализацию воксельных объектов, является разреженное воксельное октодерево (sparse voxel octree). В числе её преимуществ: значительная экономия памяти, естественная генерация уровней детализации (аналога mipmap-карт), и высокая скорость обработки в рейкастинге.

Первый узел дерева — корень, является кубом, содержащим весь объект целиком. Каждый узел или имеет 8 кубов-потомков или не имеет никаких потомков. В результате всех подразбиений получается регулярная трёхмерная сетка вокселей.

Докселы

Докселы — это вокселы, изменяющиеся во времени. Как ряд картинок составляет анимацию, так и ряд воксельных моделей во времени могут составлять трёхмерную анимацию.

Области применения

Благодаря тому, что трёхмерная матрица хранит значение воксела для каждого единичного элемента объёмного пространства, воксельные модели хорошо подходят для моделирования непрерывных сред и полей значений (например, распределение угарного газа в атмосфере над городом), в то время как векторные более предназначены для моделирования дискретных объектов.

Медицинские данные

Модель, построенная из 150 слоев с МРТ с использованием алгоритма marching-cubes. Размер сетки 64x64x150

Ряд медицинских устройств, как, например, сканеры компьютерной томографии, трехмерное УЗИ, МРТ выдают послойную информацию при сканировании. По завершении сканирования строится воксельная модель. Значения вокселей в этом случае отражают данные с устройства. В компьютерной томографии, например, это прозрачность тела по шкале Хаунсфилда, то есть прозрачность для рентгеновских лучей.

Для воксельных моделей (например, медицинских данных со сканера МРТ) просто реализуется вывод любого сечения модели. Это дает возможность изучить любой срез данных.

Визуализация

Визуализация воксельной модели на трехмерном дисплее Perspecta volumetric

Основная статья: Объёмный рендеринг

Для воксельных моделей существует множество алгоритмов визуализации. Один из быстрейших способов называется «бросанием снежков» (англ. splatting). Вокселы «бросаются» на поверхность просмотра в порядке удаленности от нее, от дальних к близким. Получившиеся «следы от снежков» (сплэты) рендерятся как диски, цвет и прозрачность которых изменяется в зависимости от диаметра в соответствии с нормальным (гауссовым) распределением. В различных реализациях могут использоваться другие элементы или же другие распределения.

Для улучшения качества изображения используются более сложные алгоритмы отрисовки: алгоритм Marching cubes и другие. Алгоритм «Marching Cubes» (бегущие кубики) строит изоповерхность, опираясь на данные вокселов. Обычная реализация алгоритма использует значения 8-и соседних вокселов, чтобы отрисовать полигон внутри куба образованного их координатами. Так как существует всего 256 возможных комбинаций, можно заранее их подготовить, и использовать типовые «кирпичики» (уже в экранных координатах) для отрисовки больших объёмов данных в хорошем качестве.

Существуют и другие алгоритмы, например проекция максимальной интенсивности, которая хорошо отображает положение в трёхмерном пространстве наиболее ярких участков трёхмерного объекта.

Объёмные дисплеи

Объёмные дисплеи могут выводить модели в трёхмерном объёме. Такие дисплеи используют различные физические механизмы для показа светящихся точек в пределах некоторого объёма. Например, могут состоять из множества плоскостей, формирующих изображение, которые расположены одна над другой, или плоских панелей, создающих эффект объёмности за счёт своего вращения в пространстве ^[1][2].

Иногда для таких дисплеев указывается их разрешение в вокселах, например 128×128×128.

Вокселы в компьютерных играх

Вокселы давно используются в компьютерных играх, однако их использование ограниченно из-за серьёзных требований к аппаратной части. Чаще всего в играх вокселы используются для отрисовки моделей. Иногда используются воксельные ландшафты вместо обычного поля высот — это позволяет создавать более сложные пространства с пещерами и мостами. Одной из самых важных возможностей воксельных ландшафтов, интерьеров и объектов является возможность их динамического изменения и разрушения в реальном времени.

Воксельные движки встречались в играх:

• Компания NovaLogic использовала воксельные графические движки в сериях игр Delta Force, Armored Fist и Comanche.
• Игры Command & Conquer: Tiberian Sun и Command & Conquer: Red Alert 2 от компании Westwood Studios использовали воксельные модели транспортных средств.
• Игра Blade Runner.
• Игра Outcast использовала вокселы для прорисовки объектов.
• Игра Amok.
• Игра Вангеры использовала большие многоуровневые непрерывные воксельные пространства с изменяемыми «живыми» ландшафтами.
• В движке Build Engine есть возможность использования воксельных объектов. Такие объекты используются в шутерах Shadow Warrior и Blood, построенных на этом движке, а также в переработанном Duke Nukem 3D High Resolution Pack.
• Игра Thunder Brigade.
• Master of Orion III использует воксельную графику для отображения космических битв и солнечных систем.
• В игровом движке CryEngine 2, который использовался в играх Crysis, Crysis Warhead и Crysis Wars, вокселы использовались для построения пустых пространств под поверхностью ландшафта уровня.
• Игры Worms 3D и Worms 4: Mayhem использовали «покселы» (англ. poxel, образовано от voxel (воксел) + polygon (полигон)) для динамически разрушаемого трёхмерного ландшафта, подобного ландшафту в двухмерных версиях.
• Игра Hexplore.
• Игра Minecraft использует воксельную графику для создания случайно генерируемого игрового мира, моделей игроков и NPC.
• Игра Voxelstein 3D использует воксельный движок «Voxlap», благодаря которому вся геометрия игры построена на вокселах и полностью разрушаема.^[3]
• Движок id Tech 6 компании id Software будет использовать инновационную технологию «Sparse Voxel Octree» (SVO, рус. Разреженное воксельное октодерево) для визуализации статических объектов (ландшафта, массивных строений и т. д.) игрового уровня.
• Графический движок OTOY, ориентированный на серверное исполнение, будет использовать вокселы для построения геометрии уровня и трассировку лучей для освещения.
• Игра Ace of Spades использует воксельный движок Voxlap.
• Готовящаяся к выходу игра Cube World использует воксельную графику для создания случайно генерируемого игрового мира, моделей игроков и NPC.

См. также

• Проекция максимальной интенсивности
• Объёмный рендеринг
• Unlimited Detail
• Облако точек

Примечания

1. ↑ Объемные дисплеи: очередной шаг к массовому производству Компьюлента, 24.12.2008.
2. ↑ Истинно объемное изображение. Computerworld Россия, 06.08.2002
3. ↑ Сайт Voxelstein 3D

Ссылки

• Fundamentals of Voxelization  (англ.). IEEE Computer, Vol. 26, No. 7 (июль 1993 года). Архивировано из первоисточника 18 февраля 2012. Проверено 9 июля 2010.
• Дмитрий Чеканов Рендеринг с помощью вокселей: новый уровень графики в играх? 3. Tom's Hardware (30 октября 2009 года). — Статья, описывающая вокселы, октодеревья, рейкастинг, их перспективы и ограничения. Архивировано из первоисточника 18 февраля 2012. Проверено 6 февраля 2010.
• Рони Ягель Кафедра информатики, Университет шт. Огайо, США Рендеринг объемов в реальном времени. Открытыe системы (издательство) (16 мая 1996 года). Архивировано из первоисточника 18 февраля 2012. Проверено 11 февраля 2010.
• Рони Ягель Кафедра информатики, Университет шт. Огайо, США Аппаратный рендеринг объема. Открытыe системы (издательство) (16 мая 1996 года). Архивировано из первоисточника 18 февраля 2012. Проверено 11 февраля 2010.

• Voxel (Воксель). GameDev.ru (23 марта 2007 года). Архивировано из первоисточника 18 февраля 2012. Проверено 9 июля 2010.
• Сергей Книгин Что мы увидим, когда мы это увидим. Really.ru (21 февраля 2007 года). Архивировано из первоисточника 19 мая 2012. Проверено 10 июля 2010.
• hitan Воксели (Voxel) 3. CodeNet.ru (7 марта 2009 года). Архивировано из первоисточника 18 февраля 2012. Проверено 10 июля 2010.
• List of all Voxel Engines  (англ.). jonof.id.au (14 марта 2009 года). Архивировано из первоисточника 18 февраля 2012. Проверено 10 июля 2010.

Это заготовка статьи о компьютерах. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным.