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Vóxel

Un conjunto de vóxeles en una pila, con un solo vóxel sombreado. Ilustración de una cuadrícula de vóxeles que contiene valores de color. En informática, un vóxel es una represen...

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Un conjunto de vóxeles en una pila, con un solo vóxel sombreado.
Ilustración de una cuadrícula de vóxeles que contiene valores de color.

En informática, un vóxel es una representación de un valor en una cuadrícula regular tridimensional , similar al píxel bidimensional . Los vóxeles se utilizan frecuentemente en la visualización y el análisis de datos médicos y científicos (por ejemplo, sistemas de información geográfica (SIG)). [ 1 ] Los vóxeles también tienen aplicaciones técnicas y artísticas en videojuegos, originándose en gran medida con la representación de superficies en Outcast (1999). Minecraft (2011) utiliza un mundo completamente voxelizado para permitir un entorno totalmente destructible y construible. [ 2 ] El arte voxel , del tipo utilizado en Minecraft y otros lugares, es un estilo y formato de arte 3D análogo al pixel art .

Al igual que los píxeles en un mapa de bits 2D , los vóxeles no suelen tener su posición (es decir, coordenadas ) codificada explícitamente con sus valores. En cambio, los sistemas de renderizado infieren la posición de un vóxel basándose en su posición relativa a otros vóxeles (es decir, su posición en la estructura de datos que conforma una única imagen volumétrica). Algunas pantallas volumétricas utilizan vóxeles para describir su resolución . Por ejemplo, una pantalla volumétrica cúbica podría mostrar 512 × 512 × 512 (o aproximadamente 134 millones) de vóxeles.

A diferencia de los píxeles y los vóxeles, los polígonos suelen representarse explícitamente mediante las coordenadas de sus vértices (como puntos ). Una consecuencia directa de esta diferencia es que los polígonos pueden representar de forma eficiente estructuras 3D simples con mucho espacio vacío o relleno de forma homogénea, mientras que los vóxeles destacan por representar espacios muestreados regularmente que no están rellenos de forma homogénea.

Una de las definiciones es:

Un vóxel 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 presenta la siguiente ventaja: si se utiliza una forma de vóxel fija en todo el modelo, resulta mucho más sencillo trabajar con los puntos nodales del vóxel (es decir, las tres coordenadas de dicho punto). Sin embargo, existe una forma de registro simple: índices de los elementos del conjunto del modelo (es decir, coordenadas enteras). En este caso, los elementos del conjunto del modelo son parámetros de estado que indican el vóxel perteneciente al objeto modelado o a sus partes individuales, incluidas sus superficies. [ 3 ]

Etimología

La palabra vóxel se originó por analogía con " píxel ", donde vo representa " volumen " (en lugar de la "imagen" de píxel) y el representa "elemento"; [ 4 ] una formación similar con el  para "elemento" es la palabra " texel ". [ 4 ] El término hipervóxel es una generalización de vóxel para espacios de dimensiones superiores . [ 5 ]

Representación

Un volumen descrito como vóxeles puede visualizarse mediante renderizado volumétrico directo o mediante la extracción de isosuperficies poligonales que siguen los contornos de valores umbrales predefinidos. El algoritmo de cubos marchantes y el sistema de referencia inercial se utilizan con frecuencia para la extracción de isosuperficies; sin embargo, existen otros métodos.

Tanto el trazado de rayos como la proyección de rayos , así como la rasterización , pueden aplicarse a datos de vóxeles para obtener gráficos rasterizados en 2D que se pueden visualizar en un monitor.

rasterización de error incremental

Otra técnica para vóxeles implica gráficos rasterizados, donde simplemente se traza un rayo a cada píxel de la pantalla en la escena, rastreando un término de error para determinar cuándo avanzar . Una implementación típica trazará un rayo a cada píxel de la pantalla comenzando en la parte inferior de la pantalla usando lo que se conoce como búfer Y. Cuando se alcanza un vóxel con un valor Y mayor en la pantalla, se agrega al búfer Y sobrescribiendo el valor anterior y se conecta con el valor Y anterior en la pantalla interpolando los valores de color. Existe una desventaja importante en la rasterización de vóxeles cuando se aplica una transformación, lo que causa un aliasing severo . La ventaja era la capacidad de rasterizar usando cálculos enteros económicos en una CPU sin aceleración de hardware . [ 6 ]

Outcast y otros videojuegos de la década de 1990 emplearon esta técnica gráfica para efectos como reflejos y mapeo de relieve , y generalmente para la representación del terreno . El motor gráfico de Outcast era principalmente una combinación de un motor de trazado de rayos ( mapa de altura ), utilizado para renderizar el paisaje, y un motor de polígonos de mapeo de texturas utilizado para renderizar objetos. La sección "Programación del motor" de los créditos del juego en el manual tiene varias subsecciones relacionadas con los gráficos, entre ellas: "Motor de paisaje", "Motor de polígonos", "Motor de agua y sombras" y "Motor de efectos especiales". [ 7 ] Aunque Outcast se cita a menudo como precursor de la tecnología de vóxeles, [ 8 ] esto es algo engañoso. El juego en realidad no modela volúmenes tridimensionales de vóxeles. En cambio, modela el suelo como una superficie, que puede verse como compuesta de vóxeles. El suelo está decorado con objetos que se modelan utilizando polígonos con mapeo de texturas. Cuando se desarrolló Outcast , el término "motor de vóxeles", aplicado a los videojuegos, se refería comúnmente a un motor de trazado de rayos (por ejemplo, el motor Voxel Space ). En la página de tecnología del motor del sitio web del juego, el motor de paisaje también se denomina "motor de vóxeles". [ 9 ] El motor es puramente de software : no depende de la aceleración por hardware mediante una tarjeta gráfica 3D . [ 10 ]

John Carmack también experimentó con vóxeles para el motor Quake III Arena . [ 11 ] Uno de los problemas citados por Carmack fue la falta de tarjetas gráficas diseñadas específicamente para este tipo de renderizado, lo que obligaba a que se renderizaran por software.

Comanche fue también el primer simulador de vuelo comercial basado en tecnología de vóxeles. NovaLogic utilizó elmotor propietario Voxel Space , desarrollado para la compañía por Kyle Freeman [ 12 ] (escrito completamente en lenguaje ensamblador ), para crear paisajes abiertos. [ 13 ] Esta técnica de renderizado permitió un terreno mucho más detallado y realista en comparación con las simulaciones basadas en gráficos vectoriales de la época. [ 10 ]

Datos

Un vóxel representa una muestra individual, o punto de datos, en una cuadrícula tridimensional con espaciado regular. Este punto de datos puede consistir en un único dato, como la opacidad, o en múltiples datos, como el color además de la opacidad. Un vóxel representa solo un punto en esta cuadrícula, no un volumen; el espacio entre cada vóxel no se representa 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 o aproximarse, por ejemplo, mediante interpolación.

En la tomografía computarizada ( TC abdominal en la imagen), los vóxeles se generan multiplicando el campo de visión (FOV) por el rango de exploración .

El valor de un vóxel puede representar diversas propiedades. En las tomografías computarizadas , los valores son unidades Hounsfield , que indican la opacidad del material a los rayos X. [ 14 ] : 29 Se obtienen diferentes tipos de valores a partir de resonancias magnéticas o ultrasonidos .

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

Si bien los vóxeles ofrecen la ventaja de la precisión y la profundidad de la realidad, suelen ser conjuntos de datos muy grandes y difíciles de gestionar debido al ancho de banda de los ordenadores comunes. Sin embargo, mediante la compresión y manipulación eficientes de archivos de datos de gran tamaño, es posible habilitar la visualización interactiva en ordenadores de consumo.

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

Se están investigando tecnologías para extender los vóxeles a cuatro y cinco dimensiones de datos. [ 15 ]

Usos

Entre los usos de los vóxeles se incluyen la obtención de imágenes volumétricas en medicina y la representación de terrenos en juegos y simulaciones. El terreno basado en vóxeles se utiliza en lugar de un mapa de alturas debido a su capacidad para representar salientes, cuevas, arcos y otras características del terreno en 3D. Estas características cóncavas no pueden representarse en un mapa de alturas, ya que solo se representa la capa superior de datos, dejando todo lo que está debajo sin rellenar (el volumen que de otro modo correspondería al interior de las cuevas o a la parte inferior de arcos o salientes).

Juegos de ordenador

  • 3D Dot Game Heroes utiliza vóxeles para presentar gráficos similares a los de Lego.
  • 7 Days to Die es un juego de terror y supervivencia de mundo abierto basado en vóxeles, desarrollado por The Fun Pimps Entertainment.
  • Ace of Spades utilizóel motor Voxlap de Ken Silverman antes de ser reescrito en un motor OpenGL personalizado.
  • Amok utiliza vóxeles para sus entornos. [ 16 ]
  • Armored Fist 3 es un videojuego desarrollado por NovaLogic que utiliza tecnología de renderizado basada en vóxeles.
  • Blade Runner es un videojuego que utilizaba vóxeles para renderizar personajes y objetos.
  • Castle Story , un juego de estrategia en tiempo real de construcción de castillos que se encuentra en desarrollo, tiene un terreno compuesto por vóxeles suavizados.
  • Cloudpunk , un juego de aventuras ciberpunk, está basado casi por completo en vóxeles.
  • Comanche , una serie de videojuegos creada por NovaLogic que utilizaba la rasterización de vóxeles de Voxel Space para la representación del terreno. [ 17 ]
  • Command & Conquer: Tiberian Sun , Command & Conquer: Red Alert 2 y Command & Conquer: Yuri's Revenge son videojuegos desarrollados por Westwood Studios que utilizaron vóxeles para renderizar la mayoría de los vehículos.
  • Crossy Road se lanzó en 2014 para iOS y Android y tiene gráficos de vóxeles.
  • Crysis , al igual que Cryengine 2 y Cryengine 3 , utiliza una combinación de mapas de altura y vóxeles para sus sistemas de terreno.
  • Cube World , un juego de rol de acción , presenta paisajes de vóxeles generados proceduralmente.
  • Delta Force es un videojuego creado por NovaLogic que utiliza el motor de renderizadopropio Voxel Space .
  • Donkey Kong Bananza , un juego de plataformas en 3D , utilizaba vóxeles suavizados para el terreno destructible del juego.
  • Dual Universe es un MMORPG de universo único que utiliza vóxeles para construir naves espaciales, civilizaciones y estaciones espaciales.
  • Enshrouded es un juego de rol de supervivencia basado en vóxeles desarrollado por Keen Games y lanzado en 2024.
  • EverQuest Next y EverQuest Next: Landmark , MMORPGs cancelados por Sony Online Entertainment , hicieron un uso extensivo de vóxeles para la creación de mundos, así como de contenido generado por los jugadores.
  • Hexplore , un juego de rol multijugador, utiliza un motor de vóxeles que permite al jugador rotar el campo de juego renderizado isométricamente.
  • Hytale , un juego de rol sandbox basado en vóxeles en acceso anticipado desarrollado por Hypixel Studios . [ 18 ]
  • Luanti (anteriormente Minetest ) es un videojuego de mundo abierto modificable que utiliza vóxeles para almacenar datos del terreno, pero no emplea técnicas de renderizado de vóxeles. En su lugar, utiliza el renderizado de polígonos para mostrar cada vóxel como un "nodo" cúbico.
  • Master of Orion III utiliza gráficos de vóxeles para representar batallas espaciales y sistemas estelares. Las batallas que mostraban 1000 naves a la vez se renderizaban lentamente en ordenadores sin aceleración gráfica por hardware.
  • Medieval Engineers es el segundo juego de ingeniería basado en vóxeles de Keen Software House, inspirado en la tecnología medieval.
  • Minecraft es unvideojuego de mundo abierto que utiliza vóxeles para almacenar datos del terreno , [ 19 ] pero no utiliza técnicas de renderizado de vóxeles . En su lugar, utiliza el renderizado de polígonos para mostrar cada vóxel como un "bloque" cúbico. [ 20 ]
  • Moonglow Bay es un videojuego de rol de pesca lanzado en 2021 y desarrollado por Bunnyhug, que utiliza un estilo artístico basado en vóxeles.
  • Miner Wars 2081 es un juego de mundo abierto con 6 grados de libertad (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 y, de esta forma, formar túneles.
  • Nivalis es un próximo videojuego ciberpunk costumbrista ambientado en un mundo basado en vóxeles, que apareció anteriormente en Cloudpunk .
  • No Man's Sky es un juego de exploración espacial que consiste en sistemas estelares generados proceduralmente que contienen planetas, lunas y asteroides explorables hechos de vóxeles. El motor de vóxeles permite tanto la destrucción como la creación de terreno.
  • Outcast es un juego de acción en tercera persona para ordenador creado por el antiguo desarrollador de videojuegos belga Appeal, [ 21 ] con paisajes renderizados por un motor de vóxeles.
  • Planet Coaster es un simulador de construcción y gestión de 2016 desarrollado y publicado por Frontier Developments que utiliza un editor de terreno basado en vóxeles. [ 22 ]
  • Resogun es un juego de disparos de desplazamiento lateral basado en vóxeles de 2013 desarrollado por el estudio finlandés Housemarque .
  • Roblox utiliza vóxeles para el terreno, así como para la iluminación global primitiva y las sombras.
  • 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 renderización de vóxeles en juegos de disparos en primera persona, en lugar de sprites , como opción para muchos de los objetos y escenarios. Duke Nukem 3D cuenta con un paquete creado por fans con un estilo similar.
  • Shattered Steel presentaba paisajes deformables mediante tecnología de vóxeles.
  • El juego Alpha Centauri de Sid Meier utiliza modelos de vóxeles para representar las unidades.
  • SkySaga: Infinite Isles es un MMORPG de mundo abierto basado en vóxeles, desarrollado por Radiant Worlds y publicado por Smilegate .
  • Space Engineers es un juego de mundo abierto basado en vóxeles ambientado en el espacio, desarrollado y publicado por Keen Software House .
  • Starbase , un juego de rol multijugador masivo en línea basado en vóxelesambientado en el espacio, está siendo desarrollado y publicado por Frozenbyte .
  • StarMade , un juego de mundo abierto basado en vóxeles ambientado en el espacio, desarrollado y publicado por Robin "Schema" Promesberger.
  • Teardown , un juego basado en vóxeles con entornos totalmente destructibles, desarrollado y publicado por el estudio Tuxedo Labs.
  • El arenero
  • Trove es un MMORPG basado en vóxeles con elementos de construcción, desarrollado y publicado por Trion Worlds . [ 23 ]
  • Vangers es un videojuego que utiliza vóxeles para su sistema de terreno de dos niveles. [ 24 ]
  • Veloren es unjuego de rol de acción y aventura de código abierto ambientado en un vasto mundo de fantasía. [ 25 ] [ 26 ]
  • Vintage Story es un juego de supervivencia de mundo abierto desarrollado y publicado por Anego Studios.
  • Vox , lanzado en 2012, es un juego de exploración/RPG basado en vóxeles centrado en el contenido generado por el jugador.
  • Voxatron , un videojuego producido por Lexaloffle, está compuesto y generado completamente mediante vóxeles. [ 27 ] [ 28 ]
  • Werewolf vs. Comanche es un videojuego desarrollado por NovaLogic que utiliza tecnología de renderizado basada en vóxeles. Originalmente se incluía con el juego Comanche 2 , aunque se trataba de dos juegos distintos.
  • Worms 4: Mayhem utiliza un motor basado en vóxeles para simular la deformación del terreno, de forma similar a los juegos anteriores de Worms en 2D .

Editores

Si bien la visualización científica de volúmenes no requiere modificar los datos de vóxeles reales, los editores de vóxeles se pueden usar para crear arte (especialmente pixel art 3D ) y modelos para juegos basados ​​en vóxeles. Algunos editores se centran en un único método de edición de vóxeles, mientras que otros combinan varios. Algunos métodos comunes son:

  • Basado en cortes: El volumen se divide en uno o más ejes y el usuario puede editar cada imagen individualmente utilizando herramientas de edición ráster 2D . Estas herramientas generalmente almacenan la información de color en vóxeles.
  • Escultura: Similar a su contraparte vectorial , pero sin restricciones topológicas. Generalmente almacenan información de densidad en vóxeles y carecen de información de color.
  • Bloques de construcción: El usuario puede añadir y quitar bloques como en un juego de construcción .

Existen algunos editores de vóxeles que no están vinculados a juegos o motores gráficos específicos. Pueden utilizarse como alternativas o complementos al modelado vectorial 3D tradicional.

Una escultura animada de arte voxel de 7×10×10 con 3 fotogramas.

Extensiones

Una generalización de un vóxel es el toxel , o vóxel temporal. [ 29 ] Este se utiliza en el caso de un conjunto de datos 4D , como una secuencia de imágenes que representa el espacio 3D junto con otra dimensión espacial o una dimensión temporal. De esta manera, una imagen podría contener 100×100×100×100 vóxeles, que podrían verse como una serie de 100 fotogramas de una imagen volumétrica 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 la manipulación de tales datos requieren grandes cantidades de memoria, permite la representación y el análisis de sistemas espaciotemporales .

Véase también

Referencias

  1. ↑ Chmielewski, Sz., Tompalski, P. (2017). "Estimación de la visibilidad de los medios publicitarios exteriores con un enfoque basado en vóxeles". Applied Geography , 87:1–13 doi : 10.1016/j.apgeog.2017.07.007 . Descarga de preimpresión: "Estimación de la visibilidad de los medios publicitarios exteriores con un enfoque basado en vóxeles (descarga en PDF disponible)" . Archivado del original el 2 de octubre de 2017. Recuperado el 2 de octubre de 2017 .
  2. ↑ Sprinks, Harry Ted (16 de agosto de 2023). "10 juegos para jugar si te encantan los gráficos de vóxeles" . Game Rant . Consultado el 27 de noviembre de 2024 .
  3. ↑ Shchurova, Catherine I. (2015). "Una metodología para diseñar un editor gráfico 3D para el micromodelado de piezas compuestas reforzadas con fibra". Advances in Engineering Software . 90 . Advances in Engineering Software Volumen 90, diciembre de 2015, Páginas 76-82: 76– 82. doi : 10.1016/j.advengsoft.2015.07.001 .
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  5. ↑ Stelldinger, Peer. Digitalización de imágenes y su influencia en las propiedades de la forma en dimensiones finitas . Aka, 2008, pág. 46.
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  8. ↑ 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 . 
  9. ↑ "OUTCAST – Tecnología: Paraíso" . archive.org . 7 de mayo de 2006. Archivado del original el 7 de mayo de 2006.
  10. 1 2 " Motor de terreno voxel Archivado el 13/11/2013 en Wayback Machine ", introducción. En la mente de un programador, 2005.
  11. ↑ "Un poco de historia: tecnología de renderizado 3D de próxima generación: Voxel Ray Casting" . tomshardware.com . 21 de octubre de 2009.
  12. ↑ "Invenciones, patentes y solicitudes de patentes de Kyle G. Freeman – Búsqueda de patentes de Justia" . justia.com . Archivado del original el 1 de febrero de 2014.
  13. ↑ "FlightSim.Com – NovaLogic obtiene la patente de su motor gráfico de espacio de vóxeles" . flightsim.com . Archivado del original el 24 de septiembre de 2015.
  14. ↑ Novelline, Robert. Fundamentos de radiología de Squire . Harvard University Press. 5.ª edición. 1997. ISBN 0-674-83339-2.
  15. ↑ Sociedad Óptica. "Un método de escritura láser de alta velocidad podría almacenar 500 terabytes de datos en un disco de vidrio del tamaño de un CD" . phys.org . Consultado el 31 de octubre de 2021 .
  16. ↑ "Equipo de análisis: Amok". Electronic Gaming Monthly . N.° 93. Ziff Davis . Abril de 1997. pág. 53.  
  17. ↑ "Una breve historia de los juegos de vóxeles. | Blog de DjArcas" . Archivado del original el 18 de diciembre de 2013. Consultado el 18 de diciembre de 2013 .
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  22. ^ Zak, Robert (4 de abril de 2016). "«Nunca ha habido un mejor momento»: Planet Coaster se lanza a satisfacer la demanda de juegos de simulación profunda . Archivado del original el 4 de julio de 2016. Consultado el 11 de julio de 2016 .
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  27. ↑ Ars Technica (14 de enero de 2011). "Nos encantan los vóxeles: por qué Voxatron es un emocionante juego de disparos independiente" . Archivado del original el 13 de octubre de 2011.
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