Vóxel

Una serie de voxels en una pila, con un solo voxel sombreado

Ilustración de una rejilla voxel que contiene valores de color

En gráficos 3D por computadora, un vóxel representa un valor en una cuadrícula regular en un espacio tridimensional. Al igual que con los píxeles en un mapa de bits 2D, los vóxeles en sí no suelen tener su posición (es decir, coordenadas) explícitamente codificada con sus valores. En cambio, los sistemas de representación deducen la posición de un vóxel en función de su posición en relación con otros vóxeles (es decir, su posición en la estructura de datos que constituye una sola imagen volumétrica).

A diferencia de los píxeles y los vóxeles, los polígonos a menudo se representan explícitamente mediante 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 se destacan en la representación de espacios muestreados regularmente que no están llenos de manera homogénea.

Los vóxeles se utilizan con frecuencia en la visualización y el análisis de datos médicos y científicos (por ejemplo, sistemas de información geográfica (SIG)). Algunas pantallas volumétricas usan 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 su propio punto nodal coordenadas en un sistema de coordenadas aceptado, su propio forma, su propio parámetro estado que indica su pertenencia a algún objeto modelado, y propiedades de la región modelada.

Esta definición tiene la siguiente ventaja. Si se usa la forma de vóxel fijo dentro de todo el modelo, es mucho más fácil operar con puntos nodales de vóxel (es decir, tres coordenadas de este punto). Sin embargo, existe la forma simple de registro: índices de los elementos en el conjunto del modelo (es decir, coordenadas enteras). Los elementos del conjunto de modelos en este caso son parámetros de estado que indican el vóxel que pertenece al objeto modelado o sus partes separadas, incluidas sus superficies.

Etimología

La palabra vóxel se originó de manera análoga a la palabra "pixel", con vo representando "volumen" (en lugar de la "imagen" del píxel) y el que representa "elemento"; una formación similar con el para "element" es la palabra "texel". El término hipervoxel es una generalización de voxel para espacios de dimensiones superiores.

Representación

Un volumen descrito como vóxeles se puede visualizar mediante la representación directa del volumen o mediante la extracción de isosuperficies de polígonos que siguen los contornos de valores de umbral dados. El algoritmo de cubos en marcha se usa a menudo para la extracción de isosuperficies, sin embargo, también existen otros métodos.

Tanto el trazado de rayos como la proyección de rayos, así como la rasterización, se pueden aplicar a los datos de vóxel para obtener gráficos rasterizados en 2D para mostrarlos en un monitor.

Rasterización de error incremental

Otra técnica para vóxeles involucra gráficos rasterizados en los que uno simplemente traza cada píxel de la pantalla en la escena, siguiendo un término de error para determinar cuándo dar un paso. Una implementación típica rastreará cada píxel de la pantalla comenzando en la parte inferior de la pantalla usando lo que se conoce como un 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 alias grave. La ventaja fue la capacidad de rasterizar utilizando cálculos de enteros baratos en una CPU sin aceleración de hardware.

Outcast y otros videojuegos de la década de 1990 emplearon esta técnica de gráficos para efectos como reflejos y mapas de relieve y, por lo general, para la representación del terreno. El motor gráfico de Outcast' era principalmente una combinación de un motor de emisión de rayos (mapa de altura), que se usaba para renderizar el paisaje, y un motor de polígonos de mapeo de texturas que se usaba para renderizar objetos. La "Programación del motor" La sección de créditos de los juegos en el manual tiene varias subsecciones relacionadas con gráficos, entre ellas: "Landscape Engine", "Polygon Engine", "Water & Motor de sombras" y "Motor de efectos especiales". Aunque Outcast a menudo se cita como un precursor de la tecnología voxel, esto es algo engañoso. El juego en realidad no modela volúmenes tridimensionales de vóxeles. En su lugar, modela el suelo como una superficie, que puede verse como formada por vóxeles. El suelo está decorado con objetos que se modelan utilizando polígonos mapeados con textura. Cuando se desarrolló Outcast, el término "motor de vóxeles", cuando se aplicaba a los juegos de computadora, comúnmente se refería a un motor de emisión de rayos (por ejemplo, el motor VoxelSpace). En la página de tecnología del motor del sitio web del juego, el motor de paisaje también se conoce como el "motor Voxels". El motor está puramente basado en software; no se basa en la aceleración de hardware a través de una tarjeta gráfica 3D.

John Carmack también experimentó con Voxels para el motor Quake III. Uno de esos problemas citado por Carmack fue la falta de tarjetas gráficas diseñadas específicamente para tal renderizado que requería que se renderizaran mediante software.

Comanche también fue la primera simulación de vuelo comercial basada en tecnología voxel. NovaLogic usó el motor patentado Voxel Space desarrollado para la empresa por Kyle Freeman (escrito completamente en lenguaje ensamblador) para crear paisajes abiertos. Esta técnica de renderizado permitió un terreno mucho más detallado y realista en comparación con las simulaciones basadas en gráficos vectoriales en ese momento.

Galería

• Reproducción 3D de un escaneo μCT de una pieza de hoja, resolución alrededor de 40 μm/voxel cuando se ve en el tamaño completo

• 

  A (smoothed) rendering of a data set of voxels for a macromolecule

Datos

Un vóxel representa una sola muestra, o punto de datos, en una cuadrícula tridimensional espaciada regularmente. 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 vóxel. Según el tipo de datos y el uso previsto para el conjunto de datos, esta información faltante puede reconstruirse y/o aproximarse, p. vía interpolación.

En tomografía computarizada (imagen tomográfica abdominal), los voxels se generan multiplicando el campo de visión (FOV) por el Rango de exploración.

El valor de un vóxel puede representar varias propiedades. En las tomografías computarizadas, los valores son unidades Hounsfield, lo que da la opacidad del material a los rayos X. Se adquieren diferentes tipos de valor a partir de la resonancia magnética o la ecografía.

Los vóxeles pueden contener múltiples valores escalares, esencialmente datos vectoriales (tensores); en el caso de ecografías con modo B y datos Doppler, la densidad y el caudal volumétrico se capturan como canales separados de datos relacionados con las mismas posiciones de vóxel.

Si bien los vóxeles brindan el beneficio de la precisión y la profundidad de la realidad, generalmente son grandes conjuntos de datos y son difíciles de administrar dado el ancho de banda de las computadoras comunes. Sin embargo, a través de la compresión y manipulación eficientes de archivos de datos de gran tamaño, se puede habilitar la visualización interactiva en las computadoras del mercado de consumo.

Otros valores pueden ser útiles para la representación 3D inmediata, como un color y un vector normal de superficie.

Se están investigando tecnologías para extender vóxeles a 4 y 5 dimensiones de datos.

Usos

Los usos comunes de los vóxeles incluyen imágenes volumétricas en medicina y representación del terreno en juegos y simulaciones. El terreno de vóxel se usa en lugar de un mapa de altura debido a su capacidad para representar salientes, cuevas, arcos y otras características del terreno en 3D. Estas entidades cóncavas no se pueden representar en un mapa de altura debido a que solo la 'capa' de datos que se representan, dejando todo lo que está debajo lleno (el volumen que de otro modo sería el interior de las cuevas, o la parte inferior de los arcos o voladizos).

Software de gráficos por computadora en 3D

• 3D-Coat ofrece un modo de escultura voxel.
• Blender (2.81+) permite crear un efecto similar al voxel por Quad Remesh (con algoritmo de Quadriflow) o Voxel Remesh (con OpenVDB).
• Cine 4D (R20+) permite crear un efecto tipo voxel (con OpenVDB).
• ZBrush utiliza su tecnología de piel unificada como voxel para DynaMesh y otras herramientas. Hace un píxel inteligente que se llama "pixol".
• Mega Voxels es un editor voxel libre de uso desarrollado por Go Real Games, LLC para diseñar modelos 3D usando voxels.
• Voxel Builder, un parque de juegos de código abierto en línea Babylon.js.

Juegos de computadora

• 3D puntos héroes del juego usa voxels para presentar gráficos retrospectivos.
• 7 días para morir es un juego de terror de supervivencia mundial abierto basado en voxel desarrollado por The Fun Pimps Entertainment.
• As of Spades usó el motor Voxlap de Ken Silverman antes de ser reescrito en un motor OpenGL a medida.
• Amok usa voxels para sus ambientes.
• Puño blindado 3 es un juego informático hecho por Novalogic que utiliza tecnología de renderización basada en voxel.
• Blade Runner es un videojuego que utilizó voxels para renderizar personajes y artefactos.
• Castle Story, un edificio del castillo Real Time Estrategia juego en el desarrollo, tiene terreno que consiste en voxels batidos.
• Cloudpunk, un juego de aventura ciberpunk, está casi completamente basado en voxel.
• Serie Comanche, una serie de juegos de computadora hechos por NovaLogic que utilizó la rasterización Voxel Space voxel para la renderización del terreno.
• Comando " Conquistar: Sol Tiberiano, Comando " Conquer: Alerta roja 2 y Comando " Conquer: Venganza de Yuri son juegos de computadora hechos por Westwood Studios que utilizaron voxels para renderizar la mayoría de los vehículos.
• Crysis, así como Cryengine 2 y Cryengine 3, utilizar una combinación de tallas de altura y voxels para sus sistemas de terreno.
• Cube World, un juego de rol de acción, cuenta con paisajes de voxel generados de forma procesal.
• Delta Force es un juego informático hecho por Novalogic que usó el motor de renderización Voxel Space de la casa.
• Dual Universe es un juego de MMORPG del universo único que utiliza voxels para construir naves espaciales, civilizaciones y estaciones espaciales.
• EverQuest Next y EverQuest Siguiente: Marca de tierra, MMORPGs cancelados por Sony Online Entertainment, hacer un uso amplio de voxels para la creación mundial, así como el contenido generado por el jugador
• Hexplore, un juego de rol multijugador, utiliza un motor voxel que permite al jugador girar el campo de juego isométrico renderizado.
• Hytale es un juego basado en Voxel RPG Sandbox que se desarrolla por Hypixel Studios y se financia por Riot Games, fecha de lanzamiento se establece a 2023 lo antes posible.
• Maestro de Orión III utiliza gráficos voxel para hacer batallas espaciales y sistemas solares. Las batallas que mostraban 1000 barcos a la vez se redujeron lentamente en computadoras sin aceleración gráfica de hardware.
• Ingenieros medievales es el segundo juego de ingeniería basado en voxel de Keen Software House inspirado en la tecnología medieval.
• Minecraft es un juego de vídeo de sandbox que utiliza voxels para almacenar datos del terreno, pero no utiliza técnicas de renderización voxel. En su lugar utiliza la renderización de polígonos para mostrar cada vóxel como un "bloque" cúbico.
• Miner Wars 2081 es un juego mundial abierto de 6DOF hecho por Keen Software House que utiliza su propio motor de renderizado VRage voxel para permitir que el usuario deforma el terreno de asteroides permitiendo que se formen túneles.
• No Man's Sky es un juego de exploración espacial que consiste en sistemas de estrellas generados de procedimiento que contienen planetas explorables, lunas y asteroides formados por voxels. El motor voxel permite tanto la destrucción del terreno como la creación.
• Difusión, es un juego de computadora de acción de tercera persona hecho por el antiguo desarrollador de videojuegos belga apelación, con paisajes dados por un motor voxel.
• Fase Cero es un juego de vídeo sin liberación de acción 2002 para Atari Jaguar, con paisajes enrojecidos por el motor Voxel Space.
• Planet Coaster es una simulación de construcción y gestión de 2016 desarrollada y publicada por Frontier Developments que utiliza un editor de terreno basado en voxel.
• Resogun es un juego de video basado en voxel 2013 desarrollado por el desarrollador finlandés Housemarque.
• Roblox usa voxels para terreno.
• Robocraft, un juego de combate vehicular en el que los jugadores construyen máquinas de combate de voxels y componentes prehecho
• ScrumbleShip, un simulador de espacio de construcción de bloques MMO juego en desarrollo (a partir de 2017), hace cada componente en el juego y daño a esos componentes utilizando docenas a miles de voxels.
• Shadow Warrior y Sangre use Motor Build para el juego de disparos de primera persona Voxel rendering, en lugar de sprites, como una opción para muchos de los elementos pickups y paisajes. Duke Nukem 3D tiene un paquete creado por ventilador en un estilo similar.
• Acero destrozado presenta paisajes deformantes usando tecnología voxel.
• Sid Meier's Alpha Centauri usa modelos voxel para renderizar unidades.
• SkySaga: Isles infinitos es una caja de arena basada en voxel MMORPG, siendo desarrollada por Radiant Worlds y publicada por Smilegate.
• Space Engineers es un juego basado en voxel sandbox en el espacio, desarrollado y publicado por Keen Software House
• Starbase, un juego de rol masivo multijugador basado en voxel en línea conjunto en el espacio, siendo desarrollado y publicado por Frozenbyte.
• StarMade, un juego basado en voxel sandbox en el espacio, desarrollado y publicado por Robin "Schema" Promesberger.
• Subnautica, un juego de supervivencia basado en voxel establecido en el planeta 4546B, desarrollado y publicado por Unknown Worlds Entertainment.
• Teardown, un juego basado en voxel con entornos completamente destructibles, desarrollado y publicado por el estudio Tuxedo Labs
• La caja de arena
• Trove es un MMORPG basado en voxel con elementos de construcción, desarrollado y publicado por Trion Worlds.
• Vangers es un juego informático utiliza voxels para su sistema de terreno de dos niveles.
• Veloren es un mundo abierto, código abierto multijugador voxel RPG.
• Vox, lanzado en 2012, es un juego basado en voxel exploración/RPG centrado en el contenido generado por el jugador.
• Voxatron, un juego informático producido por Lexaloffle, se compone y se genera completamente utilizando voxels.
• Werewolf es un juego informático hecho por Novalogic que utiliza tecnología de renderización basada en voxel. Fue originalmente embalado y enviado con el Comanche 2 juego aunque eran dos juegos separados.
• Worms 4: Mayhem utiliza un motor basado en voxel para simular la deformación de la tierra similar a los juegos 2D Worms más antiguos.
• Minetest los utiliza para renderizar nodos

Editoras

Si bien la visualización de volumen científico no requiere modificar los datos de vóxel reales, los editores de vóxel se pueden usar para crear arte (especialmente arte de píxeles en 3D) y modelos para juegos basados en vóxel. Algunos editores se centran en un enfoque único para la edición de vóxeles, mientras que otros combinan varios enfoques. Algunos enfoques comunes son:

• Basado en Slice: El volumen se rebana en uno o más ejes y el usuario puede editar cada imagen individualmente utilizando herramientas de editor de mapas 2D. Estos generalmente almacenan información de color en voxels.
• Escultura: Similar a la contraparte vectorial pero sin limitaciones de topología. Estos suelen almacenar información de densidad en voxels y carecen de información de color.
• Bloques de construcción: El usuario puede agregar y eliminar bloques como un juguete de conjunto de construcción.

Hay algunos editores de vóxel 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. Esto se usa 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 100×100×100 volúmenes (el equivalente a una imagen 3D sería mostrar una sección transversal 2D de la imagen en cada fotograma). Aunque el almacenamiento y la manipulación de dichos datos requiere grandes cantidades de memoria, permite la representación y el análisis de sistemas de espacio-tiempo.