A diferencia de los píxeles y los vóxeles, los polígonos suelen estar representados explícitamente por las coordenadas de sus vértices (como puntos ). Una consecuencia directa de esta diferencia es que los polígonos pueden representar eficientemente estructuras 3D simples con mucho espacio vacío o lleno de manera homogénea, mientras que los vóxeles sobresalen en representar espacios muestreados regularmente que no están llenos de manera homogénea.
Los voxels se utilizan frecuentemente en la visualización y análisis de datos médicos y científicos (por ejemplo, sistemas de información geográfica (SIG)). [1] Algunas pantallas volumétricas utilizan vóxeles para describir su resolución . Por ejemplo, una pantalla volumétrica cúbica podría mostrar 512×512×512 (o alrededor de 134 millones) de vóxeles.
Una de las definiciones es:
Voxel es una imagen de una región espacial tridimensional limitada por tamaños dados, que tiene sus propias coordenadas de puntos nodales en un sistema de coordenadas aceptado, su propia forma , su propio parámetro de estado que indica su pertenencia a algún objeto modelado y tiene propiedades de región modelada.
Esta definición tiene la siguiente ventaja. Si se utiliza una forma de vóxel fija en todo el modelo, es mucho más fácil operar con puntos nodales de vóxel (es decir, tres coordenadas de este punto). Sin embargo, existe una forma simple de registro: índices de los elementos en el conjunto del modelo (es decir, coordenadas enteras). Los elementos del conjunto del modelo en este caso son parámetros de estado, que indican el vóxel que pertenece al objeto modelado o sus partes separadas, incluidas sus superficies. [2]
Etimología
La palabra voxel se originó por analogía con " píxel ", donde vo representa " volumen " (en lugar de la "imagen" de píxel) y el representa "elemento"; [3] una formación similar con el para "elemento" es la palabra " texel ". [3]
El término hipervóxel es una generalización de vóxel para espacios de dimensiones superiores .
Otra técnica para vóxeles implica gráficos rasterizados en los que uno simplemente traza cada píxel de la pantalla en la escena, rastreando un término de error para determinar cuándo dar un paso . Una implementación típica trazará el rayo de cada píxel de la pantalla comenzando en la parte inferior de la pantalla utilizando lo que se conoce como búfer y. Cuando se alcanza un vóxel que tiene un valor y más alto en la pantalla, se agrega al búfer y anulando el valor anterior y se conecta con el valor y anterior en la pantalla interpolando los valores de color. Hay una desventaja importante en la rasterización de vóxeles cuando se aplica la transformación, lo que provoca un grave aliasing . La ventaja era la capacidad de rasterizar utilizando cálculos enteros baratos en una CPU sin aceleración de hardware . [4]
Outcast y otros videojuegos de la década de 1990 emplearon esta técnica gráfica para efectos como reflejos y mapas de relieve y, generalmente, para renderizado del terreno . El motor gráfico de Outcast era principalmente una combinación de un motor de proyección de rayos ( mapa de altura ), utilizado para representar el paisaje, y un motor de polígonos de mapeo de texturas utilizado para representar objetos. La sección "Programación del motor" de los créditos del juego en el manual tiene varias subsecciones relacionadas con los gráficos, entre ellas: "Landscape Engine", "Polygon Engine", "Water & Shadows Engine" y "Special Effects Engine". [5] Aunque a menudo se cita a Outcast como un precursor de la tecnología vóxel, [6] esto es algo engañoso. En realidad, el juego no modela volúmenes tridimensionales de vóxeles. En cambio, modela el suelo como una superficie, que puede verse formada por vóxeles. El suelo está decorado con objetos modelados mediante polígonos con texturas mapeadas. Cuando se desarrolló Outcast , el término "motor voxel", cuando se aplicaba a juegos de computadora, comúnmente se refería a un motor de emisión de rayos (por ejemplo, elmotor VoxelSpace ). En la página de tecnología del motor del sitio web del juego, el motor horizontal también se conoce como "motor Voxels". [7] El motor está basado exclusivamente en software ; no depende de la aceleración del hardware a través de una tarjeta gráfica 3D . [8]
John Carmack también experimentó con Voxels para el motor Quake III . [9] Uno de esos problemas citado por Carmack fue la falta de tarjetas gráficas diseñadas específicamente para este tipo de renderizado que requerían que fueran renderizados por software.
Comanche fue también la primera simulación de vuelo comercial basada en tecnología vóxel. NovaLogic utilizó el motor patentado Voxel Space desarrollado para la empresa por Kyle Freeman [10] (escrito íntegramente en lenguaje ensamblador ) para crear paisajes abiertos. [11] Esta técnica de renderizado permitió un terreno mucho más detallado y realista en comparación con las simulaciones basadas en gráficos vectoriales en ese momento. [8]
Galería
Representación 3D de una exploración µCT de un trozo de hoja, resolución de alrededor de 40 µm/vóxel cuando se ve en tamaño completo
Un vóxel representa una única muestra, o punto de datos, en una cuadrícula tridimensional regularmente espaciada. Este punto de datos puede consistir en un solo dato, como una opacidad, o varios datos, como un color además de la opacidad. Un vóxel representa solo un punto en esta cuadrícula, no un volumen; el espacio entre cada vóxel no está representado en un conjunto de datos basado en vóxeles. Dependiendo del tipo de datos y del uso previsto del conjunto de datos, esta información faltante puede reconstruirse y/o aproximarse, por ejemplo, mediante interpolación.
El valor de un vóxel puede representar varias propiedades. En las tomografías computarizadas , los valores son unidades Hounsfield , que dan la opacidad del material a los rayos X. [12] : 29 Se adquieren diferentes tipos de valores a partir de la resonancia magnética o la ecografía .
Los vóxeles pueden contener múltiples valores escalares , esencialmente datos vectoriales (tensoriales); en el caso de ecografías con datos en modo B y Doppler , la densidad y el flujo volumétrico se capturan como canales separados de datos relacionados con las mismas posiciones de vóxel.
Si bien los vóxeles brindan el beneficio de precisión y profundidad de la realidad, generalmente son conjuntos de datos grandes y difíciles de manejar dado el ancho de banda de las computadoras comunes. Sin embargo, mediante la compresión y manipulación eficiente de archivos de datos de gran tamaño, se puede habilitar la visualización interactiva en las computadoras del mercado de consumo.
Se están investigando tecnologías para extender los vóxeles a 4 y 5 dimensiones de datos. [13]
Usos
Los usos comunes de los vóxeles incluyen imágenes volumétricas en medicina y representación del terreno en juegos y simulaciones. Se utiliza terreno vóxel en lugar de un mapa de altura debido a su capacidad para representar voladizos, cuevas, arcos y otras características del terreno en 3D. Estas características cóncavas no se pueden representar en un mapa de altura debido a que solo se representa la 'capa' superior de datos, dejando lleno todo lo que está debajo (el volumen que de otro modo sería el interior de las cuevas, o la parte inferior de los arcos o voladizos).
Juegos de computadora
3D Dot Game Heroes utiliza vóxeles para presentar gráficos de aspecto retro.
7 Days to Die es un juego de terror de supervivencia de mundo abierto basado en vóxeles desarrollado por The Fun Pimps Entertainment.
Dual Universe es un juego MMORPG de universo de un solo fragmento que utiliza vóxeles para construir naves espaciales, civilizaciones y estaciones espaciales.
Ensrouded es un juego de rol de supervivencia basado en Voxel. Lanzamientos en febrero de 2023 por Keen Games
EverQuest Next y EverQuest Next: Landmark , MMORPG cancelados de Sony Online Entertainment , hacen un uso extensivo de vóxeles para la creación de mundos, así como contenido generado por jugadores.
Hexplore , un juego de rol multijugador, utiliza un motor de vóxeles que permite al jugador rotar el campo de juego renderizado isométrico.
Master of Orion III utiliza gráficos vóxel para representar batallas espaciales y sistemas solares. Las batallas que mostraban 1000 barcos a la vez se representaban lentamente en computadoras sin aceleración gráfica de hardware.
Miner Wars 2081 es un juego de mundo abierto 6DOF creado por Keen Software House que utiliza su propio motor de renderizado de vóxeles VRage para permitir al usuario deformar el terreno de los asteroides permitiendo que se formen túneles.
No Man's Sky es un juego de exploración espacial que consiste en sistemas estelares generados procedimentalmente que contienen planetas, lunas y asteroides explorables formados por vóxeles. El motor de voxel permite tanto la destrucción como la creación de terreno.
Outcast , es un juego de computadora de acción en tercera persona creado por el ex desarrollador de videojuegos belga Appeal, [18] con paisajes renderizados por un motor vóxel.
Robocraft , un juego de combate vehicular en el que los jugadores construyen máquinas de combate a partir de vóxeles y componentes prefabricados.
Shadow Warrior y Blood utilizan el motor Build para la representación de vóxeles en juegos de disparos en primera persona, en lugar de sprites , como una opción para muchos de los elementos recogidos y el escenario. Duke Nukem 3D tiene un paquete creado por fans con un estilo similar.
Trove es un MMORPG basado en vóxeles con elementos de construcción, desarrollado y publicado por Trion Worlds . [20]
Vangers es un juego de computadora que utiliza vóxeles para su sistema de terreno de dos niveles. [21]
Vox , lanzado en 2012, es un juego de rol/exploración basado en vóxeles centrado en contenido generado por el jugador.
Voxatron , un juego de ordenador producido por Lexaloffle, está compuesto y generado íntegramente mediante vóxeles. [22] [23]
Werewolf es un juego de computadora creado por Novalogic que utiliza tecnología de renderizado basada en vóxeles. Originalmente estaba incluido y enviado con el juego Comanche 2 , aunque eran dos juegos separados.
Worms 4: Mayhem utiliza un motor basado en vóxeles para simular la deformación del terreno similar a los antiguos juegos 2D de Worms.
Si bien la visualización de volúmenes científicos no requiere modificar los datos de vóxeles reales, los editores de vóxeles se pueden utilizar para crear arte (especialmente arte de píxeles en 3D ) y modelos para juegos basados en vóxeles. Algunos editores se centran en un único enfoque para la edición de vóxeles, mientras que otros combinan varios enfoques. Algunos enfoques comunes son:
Basado en cortes: el volumen se divide en uno o más ejes y el usuario puede editar cada imagen individualmente usando herramientas de edición de ráster 2D . Generalmente almacenan información de color en vóxeles.
Escultura: similar a la contraparte vectorial pero sin restricciones de topología. Estos suelen almacenar información de densidad en vóxeles y carecen de información de color.
Bloques de construcción: el usuario puede agregar y quitar bloques como si fuera un juguete de construcción .
Hay algunos editores de vóxeles disponibles que no están vinculados a juegos o motores específicos. Se pueden utilizar como alternativas o complementos al modelado vectorial 3D tradicional.
Extensiones
Una generalización de un vóxel es el toxel o vóxel temporal. [24] Esto se utiliza en el caso de un conjunto de datos 4D , por ejemplo, una secuencia de imágenes que representa el espacio 3D junto con otra dimensión como el tiempo. De esta forma, una imagen podría contener 100×100×100×100 toxels, lo que podría verse como una serie de 100 fotogramas de una imagen de volumen de 100×100×100 (el equivalente para una imagen 3D sería mostrar una sección transversal 2D). de la imagen en cada fotograma). Aunque el almacenamiento y manipulación de dichos datos requiere grandes cantidades de memoria, permite la representación y análisis de sistemas espacio-temporales .
^ Chmielewski, Sz., Tompalski, P. (2017). "Estimación de la visibilidad de los medios de publicidad exterior con un enfoque basado en vóxeles". Geografía aplicada , 87:1–13 doi :10.1016/j.apgeog.2017.07.007. Descarga de preimpresión: "Estimación de la visibilidad de los medios de publicidad exterior con un enfoque basado en vóxeles (descarga de PDF disponible)". Archivado desde el original el 2 de octubre de 2017 . Consultado el 2 de octubre de 2017 .
^ Shchurova, Catalina I. (2015). "Una metodología para diseñar un editor gráfico 3D para micromodelado de piezas compuestas reforzadas con fibra". Avances en software de ingeniería . Avances en software de ingeniería Volumen 90, diciembre de 2015, páginas 76-82. 90 : 76–82. doi :10.1016/j.advengsoft.2015.07.001.
^ ab Foley, James D.; Andries van Dam; John F. Hughes; Steven K. Feiner (1990). "Representaciones de partición espacial; detalle de superficie". Gráficos por computadora: principios y práctica . La serie de programación de sistemas. Addison-Wesley . ISBN978-0-201-12110-0. Estas células suelen denominarse vóxeles (elementos de volumen), en analogía con los píxeles.
^ "Vóxeles". tnlc.com . Archivado desde el original el 17 de abril de 2014.
^ Manual de marginados . Infogramas. 1999. pág. 34.
^ Bertuch, Manfred (2009). "'Klötzchenwelten' [Mundos de pequeños bloques] en c't Magazin número 04/2009". C't: Magazin für Computertechnik . Hannover: Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG: 183. ISSN 0724-8679.
^ "OUTCAST - Tecnología: Paraíso". archivo.org . 7 de mayo de 2006. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2006.
^ ab "Motor de terreno Voxel Archivado el 13 de noviembre de 2013 en Wayback Machine ", introducción. En la mente de un codificador, 2005.
^ "Un poco de historia: tecnología de renderizado 3D de próxima generación: Voxel Ray Casting". tomshardware.com . 21 de octubre de 2009.
^ "Kyle G. Freeman Invenciones, patentes y solicitudes de patentes - Búsqueda de patentes de Justia". justia.com . Archivado desde el original el 1 de febrero de 2014.
^ "FlightSim.Com: NovaLogic obtiene la patente para el motor de gráficos espaciales Voxel". vuelosim.com . Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015.
^ Novela, Robert. Fundamentos de radiología de Squire . Prensa de la Universidad de Harvard. 5ta edición. 1997. ISBN 0-674-83339-2 .
^ Sociedad, La Óptica. "El método de escritura láser de alta velocidad podría empaquetar 500 terabytes de datos en un disco de vidrio del tamaño de un CD". phys.org . Consultado el 31 de octubre de 2021 .
^ "Una breve historia de los juegos Voxel. | Blog de DjArcas". Archivado desde el original el 18 de diciembre de 2013 . Consultado el 18 de diciembre de 2013 .
^ "Formato de fragmento: formato de bloque". Minecraft Wiki . Consultado el 24 de septiembre de 2023 .
^ "Tutoriales/Unidades de medida: Distancia". Minecraft Wiki . Consultado el 24 de septiembre de 2023 .
^ "Apelación SA - MobyGames". mobygames.com . Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2014.
^ Zak, Robert (4 de abril de 2016). ""Nunca ha habido un mejor momento ": Planet Coaster viaja para satisfacer la demanda de juegos de simulación profunda". Archivado desde el original el 4 de julio de 2016 . Consultado el 11 de julio de 2016 .
^ "Trove: una aventura MMO Voxel de Trion Worlds". trovegame.com . Archivado desde el original el 22 de julio de 2014.
^ "VANGERS". kdlab.com . Archivado desde el original el 14 de enero de 2010 . Consultado el 20 de diciembre de 2009 .
^ Ars Technica (14 de enero de 2011). "Tenemos <3 vóxeles: por qué Voxatron es un emocionante juego de disparos independiente". Archivado desde el original el 13 de octubre de 2011.
^ "Lexaloffle BBS :: Voxatron". lexaloffle.com . Archivado desde el original el 8 de enero de 2011 . Consultado el 12 de enero de 2011 .
^ Hickson, Steven; Birchfield, Stan; Essa, Irfan; Christensen, Henrik (2014). "Segmentación eficiente basada en gráficos jerárquicos de vídeos RGBD". Conferencia IEEE 2014 sobre visión por computadora y reconocimiento de patrones . págs. 344–351. arXiv : 1801.08981 . doi :10.1109/CVPR.2014.51. ISBN978-1-4799-5118-5. S2CID 519623.
