Vóxel: Explorando las profundidades de la visión por computadora con tecnología Voxel

Por Fouad Sabry

Qué es Voxel

En gráficos por computadora en 3D, 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 codificada explícitamente con sus valores. En cambio, los sistemas de renderizado infieren la posición de un vóxel en función de su posición relativa a otros vóxeles.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Voxel

Capítulo 2: Mapeo de texturas

Capítulo 3: Ray casting

Capítulo 4 : Visualización científica

Capítulo 5: Representación de volumen

Capítulo 6: Motor de disparos en primera persona

Capítulo 7: Visualización volumétrica

Capítulo 8: CryEngine

Capítulo 9: Renderizado por software

Capítulo 10: Iluminación por píxel

(II) Respondiendo las principales preguntas del público sobre voxel.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de vóxel en muchos campos.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes universitarios y posgrados estudiantes, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o información básica para cualquier tipo de Voxel.

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 13 may 2024

Vista previa del libro

Capítulo 1: Vóxel

Un vóxel representa un valor en una cuadrícula regular en el espacio tridimensional en gráficos de computadora 3D. Al igual que los píxeles en un mapa de bits 2D, los vóxeles normalmente no tienen su posición (es decir, coordenadas) registrada con sus valores. En cambio, los sistemas de representación determinan la posición de un vóxel en función de su posición relativa a otros vóxeles (es decir, su posición en la estructura de datos que compone una sola imagen volumétrica).

A diferencia de los píxeles y los vóxeles, los polígonos suelen representarse explícitamente por las coordenadas de sus vértices (como puntos). Como resultado directo de esta distinción, los polígonos pueden representar eficazmente estructuras 3D simples con una gran cantidad de espacio vacío o lleno de forma homogénea, pero los vóxeles sobresalen en la descripción de espacios muestreados regularmente que no se llenan de forma homogénea.

En la visualización e interpretación de datos médicos y científicos (por ejemplo, resonancias magnéticas), los vóxeles se emplean con frecuencia.

SIG (sistemas de información geográfica).

Algunas pantallas volumétricas caracterizan su resolución mediante vóxeles.

Por ejemplo, una pantalla volumétrica cúbica podría mostrar 512×512×512 (o alrededor de 134 millones) vóxeles.

El vóxel es una imagen de una región espacial tridimensional limitada por tamaños dados, con 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 las propiedades de la región modelada, es una de las definiciones. Esta definición proporciona la siguiente ventaja. Si se utiliza una forma de vóxel fijo en todo el modelo, es considerablemente más sencillo interactuar con los puntos nodales del vóxel, es decir, las tres coordenadas del punto. No obstante, existe el tipo de registro más simple: los índices de los elementos del conjunto de modelos, a menudo conocidos como coordenadas enteras. En este caso, los elementos del conjunto de modelos son parámetros de estado, que denotan vóxeles pertenecientes al objeto modelado o a sus partes constituyentes, incluidas sus superficies.

La etimología de la palabra vóxel es similar a la de píxel, con vo que indica volumen (en lugar de imagen para píxel) y el que representa elemento; Un volumen descrito por vóxeles se puede mostrar a través de la representación directa del volumen o mediante la extracción de isosuperficies poligonales que siguen los contornos de los valores de umbral establecidos. El algoritmo de cubos de marcha se utiliza con frecuencia para la extracción de isosuperficies, aunque también existen técnicas adicionales.

Los datos de vóxeles se pueden procesar a través del trazado de rayos, la transmisión de rayos y la rasterización para generar gráficos rasterizados 2D para su visualización en un monitor.

Con gráficos rasterizados, simplemente se realiza un trazado de rayos de cada píxel de la pantalla en la escena mientras se realiza un seguimiento de un término de error para determinar cuándo se debe avanzar. Usando un búfer y, una implementación típica trazará cada píxel de la pantalla comenzando en la parte inferior de la pantalla. Cuando se encuentra un vóxel con un valor y más alto en la pantalla, se agrega al búfer y, reemplazando el valor anterior, y se interpola con el valor y anterior para determinar los valores de color. Existe una desventaja significativa en la rasterización de vóxeles cuando se utilizan transformaciones, ya que esto da como resultado un alias severo. La ventaja era la capacidad de realizar rasterización mediante cálculos enteros económicos en una CPU sin necesidad de aceleración de hardware. Carmack mencionó la escasez de tarjetas gráficas desarrolladas expresamente para este tipo de renderizado, lo que requiere un renderizado de software como uno de esos problemas.

Además, Comanche fue la primera simulación de vuelo comercial en utilizar la tecnología de vóxeles. Kyle Freeman creó el motor patentado Voxel Space utilizado por NovaLogic.

Representación 3D de un escaneo μCT de una pieza de hoja, resolución de alrededor de 40 μm/vóxel cuando se ve a tamaño completo

Representación (suavizada) del conjunto de datos vóxel de una macromolécula.

Un vóxel representa una sola muestra o punto de datos en una cuadrícula tridimensional con un espaciado uniforme. Este punto de datos puede contener un único elemento de datos, como la opacidad, o varios datos, como la opacidad y el color. El espacio entre vóxeles no se representa en un conjunto de datos basado en vóxeles. Dependiendo del tipo de datos y de la aplicación prevista del conjunto de datos, esta información que falte 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 de Hounsfield, lo que da la opacidad del material a los rayos X.: 29 Se adquieren diferentes tipos de valor a partir de la resonancia magnética o la ecografía.

En el caso de las ecografías con datos en modo B y Doppler, la densidad y el caudal volumétrico se recogen como canales independientes de datos correspondientes a las mismas coordenadas vóxeles.

A pesar de que los vóxeles proporcionan precisión y profundidad de realismo, a menudo son enormes conjuntos de datos que son difíciles de administrar dado el ancho de banda de los procesadores convencionales. Sin embargo, a través de la compresión y manipulación eficiente de archivos de big data, las computadoras del mercado de consumo pueden admitir la visualización interactiva.

Otros datos, como el vector normal de la superficie y el color, pueden ser beneficiosos para una representación 3D rápida.

Se están investigando tecnologías para extender los vóxeles a la cuarta y quinta dimensión de los datos.

Algunos ejemplos de aplicaciones comunes de vóxeles son las imágenes volumétricas en medicina y el modelado de paisajes en juegos y simulaciones. Se utiliza el terreno de vóxeles en lugar de un mapa de altura debido a su capacidad para representar voladizos, cuevas y otras características del terreno en 3D. Estas características cóncavas no se pueden representar en un mapa de alturas debido al hecho de que solo se registra la capa superior de datos, dejando todo lo que está debajo de ella sin representar (el volumen que de otro modo sería el interior de las cuevas, o la parte inferior de los arcos o voladizos).

3D Dot Game Heroes cuenta con imágenes de vóxeles de aspecto retro.

The Fun Pimps Entertainment produjo 7 Days to Die, un juego de terror de supervivencia de mundo abierto basado en vóxeles.

Ace of Spades utilizó originalmente el motor Voxlap de Ken Silverman antes de ser reescrito con un motor OpenGL personalizado.

Amok crea sus entornos usando vóxeles.

El juego de ordenador Armored Fist 3 fue desarrollado por Novalogic utilizando tecnología de renderizado basada en vóxeles.

Blade Runner es un videojuego cuyos personajes y artefactos fueron renderizados usando vóxeles.

El juego de estrategia en tiempo real en desarrollo Castle Story tiene una topografía compuesta por vóxeles suavizados.

La serie de juegos de computadora Comanche de NovaLogic utiliza la rasterización de vóxeles de Voxel Space para la representación del terreno.

La mayoría de los vehículos en los juegos de computadora Command & Conquer: Tiberian Sun, Command & Conquer: Red Alert 2 y Command & Conquer: Yuri's Revenge fueron renderizados usando vóxeles por Westwood Studios.

Los sistemas de paisaje de Crysis, Cryengine 2 y Cryengine 3 utilizan una combinación de mapas de altura y vóxeles.

El juego de rol de acción Cube World incluye paisajes de vóxeles generados por procedimientos.

Delta Force es un juego de ordenador desarrollado por Novalogic utilizando su motor de renderizado patentado Voxel Space.

Dual World es un juego de rol multijugador masivo en línea de un solo fragmento que emplea vóxeles para construir naves espaciales, civilizaciones y estaciones espaciales.

Los MMORPG EverQuest Next y EverQuest Next: Landmark de Sony Online Entertainment hacen un uso intensivo de vóxeles para el desarrollo del mundo y el contenido generado por los jugadores.

Hexplore es un juego de rol multijugador que emplea un motor de vóxeles que permite al usuario rotar el campo de juego dibujado isométricamente.

Hytale es un juego RPG Sandbox basado en vóxeles desarrollado por