Voxel - Voxel

Série voxelů v zásobníku se stínovaným jediným voxelem
Ilustrace voxelové mřížky obsahující barevné hodnoty
Vg graphics.svg
Část seriálu o:
Grafika videohry

v 3D počítačová grafika, a voxel představuje hodnotu na a pravidelná mřížka v trojrozměrný prostor. Stejně jako u pixelů ve 2D bitmapa, voxely samy o sobě obvykle nemají svoji polohu (tj. souřadnice ) výslovně zakódovány s jejich hodnotami. Namísto, vykreslování systémy odvozují polohu voxelu na základě jeho polohy ve vztahu k ostatním voxelům (tj. jeho polohy v datová struktura který tvoří singl volumetrický obraz ).

Na rozdíl od pixelů a voxelů mnohoúhelníky jsou často výslovně reprezentovány souřadnicemi jejich vrcholy (tak jako bodů ). Přímým důsledkem tohoto rozdílu je, že polygony mohou účinně představovat jednoduché 3D struktury s mnohem prázdným nebo homogenně vyplněným prostorem, zatímco voxely vynikají v reprezentaci pravidelně vzorkovaných prostorů, které nejsou homogenně vyplněné.

Voxely se často používají v vizualizace a analýza lékařský a vědecké údaje (např. GIS ).[1] Některé volumetrické displeje používají k popisu svých voxelů rozlišení. Například kubický volumetrický displej může zobrazovat 512 × 512 × 512 voxelů.

Slovo voxel vznikl analogicky ke slovu "pixel", s vo představující "objem " a el představující „prvek“;[2] podobné formace s el pro „prvek“ zahrňte slova „pixel“ a „texel ".[2]

Jedna z definic je: „Voxel je obraz oblasti trojrozměrného prostoru omezené danými velikostmi, která má vlastní uzlový bod souřadnice v přijatém souřadnicovém systému, jeho vlastní formulář, jeho vlastní parametr stavu který označuje jeho příslušnost k nějakému modelovanému objektu a má vlastnosti modelované oblasti. "Tato definice má následující výhodu. Pokud se v celém modelu používá pevná forma voxelu, je mnohem jednodušší pracovat s voxelem uzlové body, tj. tři souřadnice tohoto bodu. Přesto existuje jednoduchá forma indexů záznamů prvků v sadě modelů, tj. Celočíselných souřadnic. Prvky modelové sady jsou v tomto případě stavové parametry, označující voxel patřící k modelovanému objektu nebo jeho samostatným částem, včetně jejich povrchů.[3]

Vykreslování

Svazek popisovaný jako voxely lze vizualizovat buď přímo objemové vykreslování nebo extrakcí polygon iso-povrchy, které kopírují obrysy daných prahových hodnot. The pochodové kostky Algoritmus se často používá pro izosurface extrakci, ale existují i ​​jiné metody.

Oba sledování paprsků a lití paprskem, stejně jako rastrování, lze použít na data voxelů k získání 2D rastrová grafika zobrazovat na monitoru.

Rastrování přírůstkových chyb

Další technika pro voxely zahrnuje rastrovou grafiku, kde jeden jednoduše sleduje každý pixel displeje do scény a sleduje chybový termín k určení, kdy se má postupovat. Typická implementace bude sledovat každý pixel displeje počínaje v dolní části obrazovky pomocí takzvaného y-bufferu. Když je dosažen voxel, který má na displeji vyšší hodnotu y, je přidán do vyrovnávací paměti y přepsání předchozí hodnoty a spojen s předchozí hodnotou y na obrazovce interpolací barevných hodnot. Při transformaci voxelů je hlavní nevýhodou, když je použita transformace, která způsobuje vážné aliasing. Výhodou byla schopnost rastrovat pomocí levných celočíselných výpočtů na a procesor bez hardwarová akcelerace.[4]

Vyvrženec a další videohry z 90. let používaly tuto grafickou techniku ​​pro efekty, jako je odraz a bump-mapping a obvykle pro vykreslování terénu. Vyvrženec's grafický modul byla hlavně kombinace odlévání paprsků (výšková mapa ) motor, který se používá k vykreslení krajiny, a a mapování textury polygon modul používaný k vykreslování objektů. Část „Programování motoru“ herních kreditů v příručce obsahuje několik podsekcí souvisejících s grafikou, mezi nimi „Krajina Engine“, „Polygon Engine“, „Water & Shadows Engine“ a „Speciální efekty Engine“.[5] Ačkoli Vyvrženec je často uváděn jako předchůdce voxelové technologie,[6] to je poněkud zavádějící. Tato hra ve skutečnosti nemodeluje trojrozměrné objemy voxelů. Místo toho modeluje zem jako povrch, který lze považovat za tvořený voxely. Země je zdobena objekty, které jsou modelovány pomocí polygonů mapovaných textury. Když Vyvrženec byl vyvinut, termín „voxel engine“, když se aplikuje na počítačové hry, běžně označovaný jako ray casting engine (například VoxelSpace motor). Na stránce s technologií motoru na webových stránkách hry je také engine na šířku označován jako „motor Voxels“.[7] Motor je čistě software -na základě; nespoléhá se na hardwarovou akceleraci prostřednictvím 3D grafická karta.[8]

John Carmack také experimentoval s Voxyly pro Quake III motor.[9] Jedním z takových problémů, který Carmack citoval, byl nedostatek grafických karet určených speciálně pro takové vykreslování, které by vyžadovalo jejich softwarové vykreslení.

Comanche byl také první komerční letová simulace založené na technologii voxel. NovaLogic použil proprietární Voxelový prostor motor vyvinutý pro společnost Kylem Freemanem[10] (napsáno úplně v Montážní jazyk ) k vytvoření otevřené krajiny.[11] Tato technika vykreslování umožňovala mnohem podrobnější a realističtější terén ve srovnání se simulacemi založenými na vektorová grafika toho času.[8]

Galerie

Data

Voxel představuje jeden vzorek nebo datový bod na pravidelně rozmístěné trojrozměrné mřížce. Tento datový bod se může kromě neprůhlednosti skládat z jednoho kusu dat, jako je neprůhlednost, nebo z více kusů dat, jako je například barva. Voxel představuje pouze jeden bod v této mřížce, nikoli svazek; prostor mezi každým voxelem není v datové sadě založené na voxelech zastoupen. V závislosti na typu dat a zamýšleném použití datové sady mohou být tyto chybějící informace rekonstruovány a / nebo aproximovány, např. pomocí interpolace.

v počítačová tomografie (břišní CT na obrázku), voxely jsou generovány vynásobením zorné pole (FOV) podle rozsah skenování.

Hodnota voxelu může představovat různé vlastnosti. v CT skenování, hodnoty jsou Hounsfieldovy jednotky, což poskytuje neprůhlednost materiálu rentgenovým paprskům.[12]:29 Získávají se různé typy hodnot MRI nebo ultrazvuk.

Voxely mohou obsahovat více skalární hodnoty, v podstatě vektorová (tenzorová) data; v případě ultrazvuk skenuje s režimem B a Doppler data, hustota, a objemový průtok jsou zachyceny jako samostatné kanály dat vztahujících se ke stejným pozicím voxelů.

I když voxely poskytují výhodu přesnosti a hloubky reality, jsou to obvykle velké datové sady a je obtížné je spravovat vzhledem k šířce pásma běžných počítačů. Efektivní kompresí a manipulací s velkými datovými soubory však lze na počítačích spotřebitelského trhu povolit interaktivní vizualizaci.

Pro okamžité 3D mohou být užitečné další hodnoty vykreslování jako je povrch normální vektor a barva.

Použití

Běžné použití voxelů zahrnuje volumetrické zobrazování v medicíně a reprezentaci terénu ve hrách a simulacích. Místo a. Je použit voxelový terén výšková mapa díky své schopnosti reprezentovat převisy, jeskyně, oblouky a další 3D prvky terénu. Tyto konkávní prvky nelze ve výškové mapě znázornit, protože je znázorněna pouze horní „vrstva“ dat, takže je vše pod ní vyplněno (objem, který by jinak byl uvnitř jeskyní nebo spodní strana oblouků nebo převisů).

Počítačové hry

Redaktoři

Zatímco vizualizace vědeckých svazků nevyžaduje úpravu skutečných dat voxel, lze k vytváření umění použít editory voxel (zejména 3D pixel umění ) a modely pro hry založené na voxelech. Někteří redaktoři se zaměřují na jednotný přístup k úpravám voxelů, zatímco jiní kombinují různé přístupy. Některé běžné přístupy jsou:

  • Podle řezu: Svazek je rozdělen na jednu nebo více os a uživatel může každý obrázek upravit samostatně pomocí 2D rastrový editor nástroje. Obvykle ukládají informace o barvách do voxelů.
  • Socha: Podobně jako u vektorový protějšek ale bez omezení topologie. Ty obvykle ukládají informace o hustotě do voxelů a chybí jim informace o barvě.
  • Stavební bloky: Uživatel může přidávat a odebírat bloky stejně jako a stavebnice hračka.

Existuje několik editorů voxelů, které nejsou vázány na konkrétní hry nebo enginy. Mohou být použity jako alternativy nebo doplňky tradičního 3D vektorového modelování.

Rozšíření

Zobecněním voxelu je toxelnebo temporální voxel.[23] Toto se používá v případě a 4D datová sada, například obrazová sekvence, která představuje 3D prostor společně s jinou dimenzí, jako je čas. Tímto způsobem by obrázek mohl obsahovat 100 × 100 × 100 × 100 doxelů, které lze považovat za sérii 100 rámy objemového obrazu 100 × 100 × 100 (ekvivalentem pro 3D obrázek by bylo zobrazení 2D průřezu obrazu v každém snímku). Ačkoli ukládání a manipulace s takovými daty vyžaduje velké množství paměti, umožňuje reprezentaci a analýzu vesmírný čas systémy.

Viz také

Reference

  1. ^ Chmielewski, Sz., Tompalski, P. (2017). „Odhad viditelnosti venkovních reklamních médií pomocí přístupu založeného na voxelech“. Aplikovaná geografie, 87:1–13 doi:10.1016 / j.apgeog.2017.07.007. Stažení předtisku: „Archivovaná kopie“. Archivováno z původního dne 2017-10-02. Citováno 2017-10-02.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  2. ^ A b Foley, James D .; Andries van Dam; John F. Hughes; Steven K. Feiner (1990). "Reprezentace prostorového dělení; Detail povrchu". Počítačová grafika: Zásady a praxe. Řada programovacích systémů. Addison-Wesley. ISBN  978-0-201-12110-0. Tyto buňky se často nazývají voxely (objemové prvky), obdobně jako pixely.
  3. ^ Shchurova, Catherine I. (2015). Metodika návrhu 3D grafického editoru pro mikromodelování kompozitních dílů vyztužených vlákny. Advances in Engineering Software Volume 90, prosinec 2015, strany 76-82. doi:10.1016 / j.advengsoft.2015.07.001.
  4. ^ "Voxely". tnlc.com. Archivováno z původního dne 2014-04-17.
  5. ^ Outcast manuál. Infogrames. 1999. s. 34.
  6. ^ Bertuch, Manfred (2009). "'Klötzchenwelten '[Worlds of small blocks] in c't Magazin issue 04/2009 ". C't: Časopis pro počítačovou techniku. Hannover: Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG: 183. ISSN  0724-8679.
  7. ^ „OUTCAST - Technology: Paradise“. archive.org. 7. května 2006. Archivovány od originál dne 7. května 2006.
  8. ^ A b "Voxel terénní motor Archivováno 2013-11-13 na Wayback Machine ", úvod. V mysli kodéra, 2005.
  9. ^ „Trochu historie - technologie 3D vykreslování nové generace: Casting pomocí voxelového paprsku“. tomshardware.com. 21. října 2009.
  10. ^ „Kyle G. Freeman Vynálezy, patenty a patentové přihlášky - Justia Patents Search“. justia.com. Archivováno od originálu dne 2014-02-01.
  11. ^ „FlightSim.Com - patent společnosti NovaLogic na grafický engine Voxel Space“. Flightsim.com. Archivováno od původního dne 2015-09-24.
  12. ^ Novelline, Robert. Squire's Fundamentals of Radiology. Harvard University Press. 5. vydání. 1997. ISBN  0-674-83339-2.
  13. ^ "Posádka recenze: Amok". Elektronické hraní měsíčně. Č. 93. Ziff Davis. Dubna 1997. str. 53.
  14. ^ „Archivovaná kopie“. Archivováno od originálu dne 2013-12-18. Citováno 2013-12-18.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  15. ^ „Chunk format: Block format“. Minecraft Wiki. Archivováno od originálu 2016-02-12. Citováno 2016-02-07.
  16. ^ „Appeal S.A. - MobyGames“. mobygames.com. Archivováno z původního dne 2014-12-19.
  17. ^ „OUTCAST - Technology: Paradise“. outcast-thegame.com. Archivovány od originál dne 2010-06-15. Citováno 2009-12-20.
  18. ^ Zak, Robert (4. dubna 2016). ""Nikdy nebyl lepší čas ": Planet Coaster jezdí, aby uspokojil poptávku po hlubokých simulačních hrách". Archivováno z původního dne 4. července 2016. Citováno 11. července 2016.
  19. ^ „Trove - dobrodružství VOXEL MMO ze světů Trion“. trovegame.com. Archivováno od originálu dne 2014-07-22.
  20. ^ „VANGERS“. kdlab.com. Archivovány od originál dne 14.01.2010. Citováno 2009-12-20.
  21. ^ Ars Technica. „My <3 voxely: proč je Voxatron vzrušující indie střílečka“. Archivováno od originálu dne 2011-10-13.
  22. ^ "Lexaloffle BBS :: Voxatron". lexaloffle.com. Archivováno z původního dne 08.01.2011. Citováno 2011-01-12.
  23. ^ Hickson, Steven; Birchfield, Stan; Essa, Irfan; Christensen, Henrik (2014). "Efektivní hierarchická grafická segmentace videí RGBD". Sborník z konference IEEE o počítačovém vidění a rozpoznávání vzorů: 344–351. arXiv:1801.08981. doi:10.1109 / CVPR.2014.51. ISBN  978-1-4799-5118-5. S2CID  519623.

externí odkazy