О воксельной графике

Воксельная графика существует уже несколько десятилетий, но в последние годы она переживает новый расцвет. Во многом это связано с развитием компьютерных технологий, которые позволяют создавать более сложные и детализированные воксельные модели.

Рассмотрим, с чего началось развитие вексельной графики и что такое 2,5d графика…

История

Первые воксельные изображения основывались на технологиях 2,5D графики, использовавшихся для создания псевдотрехмерных эффектов. Однако, в отличие от воксельной, 2,5D графика не создавала реальный трехмерный объем, а лишь иллюзию глубины. В начале использования такая графика применялась в основном в научных областях, например, для визуализации медицинских данных.

В 1980-х годах воксельная графика нашла применение в видеоиграх, начиная с Castle Wolfenstein в 1981 году. Несмотря на свой первоначальный успех, воксельная графика в 1990-х годах все еще уступала популярности полигональной графике.

В последние годы она снова привлекает внимание разработчиков и дизайнеров, благодаря развитию технологий, позволяющих создавать более сложные и детализированные модели.

Технические основы

Воксель — это трехмерный аналог пикселя. Он представляет собой куб с заданными свойствами, такими как цвет, прозрачность, текстура и другие. Воксели используются для создания изображений и моделей.

Структура вокселя определяется его размерами и свойствами. Он имеет три измерения: высоту, ширину и глубину. Размеры определяют и его разрешение, то есть уровень детализации изображения или модели. Свойства вокселя определяют его внешний вид и поведение:

• Цвет (определяет его внешний вид).
• Прозрачность (определяет, насколько он пропускает свет).
• Текстура (определяет его поверхность).
• Отражение (показывает, насколько он отражает свет).
• Тонкость (определяет, насколько он твердый).

Воксельные изображения создаются путем рендеринга вокселей в соответствии с их свойствами. Для этого используется алгоритм рендеринга, который определяет, как их цвет и прозрачность влияют на итоговое изображение.

Воксельные модели создаются путем объединения вокселей в трехмерную решетку. Размер решетки определяет уровень детализации объекта.

Воксельные модели могут быть статическими или динамическими. Статические модели не изменяются со временем, а динамические — могут изменять свою форму, размер или положение.

Применение в различных сферах

Воксельная графика используется в видеоиграх с 1980-х годов. Одними из первых игр с использованием такой графики были Castle Wolfenstein (1981) и Outcast (1999). Воксельная графика имеет ряд преимуществ для использования в видеоиграх:

• Реалистичность (более реалистичные трехмерные объекты, чем полигональная графика).
• Детализация (очень высокая детализация позволяет создавать сложные и детализированные объекты).
• Производительность. 

Приведем некоторые примеры таких видеоигр: Minecraft, Starbound, Caves of Qud. Есть также 2,5d игры, в которых используются воксели для создания трехмерных объектов: Star Fox 64, Super Mario 64, Donkey Kong 64.

В последние годы воксельная графика стала все более популярной и в VR. Это связано с развитием технологий, которые позволяют создавать более сложные и детализированные модели.

Вот некоторые примеры использования данной графики в VR:

• Создание трехмерных миров с большей свободой и погружением.
• Создание персонажей, что позволяет взаимодействовать с этими персонажами более естественно.
• Создание объектов. 

Кроме того,такая графика используется в медицинской визуализации для создания трехмерных моделей органов и тканей (томография и рентгенография, моделирование хирургических операций). Это позволяет врачам лучше понять структуру и функцию этих объектов. Также она используется в научных исследованиях для создания трехмерных моделей объектов и процессов (моделирование климатических систем). Это позволяет ученым изучать эти объекты и процессы с большей детализацией.

Этот вид графики также используется в современном искусстве и дизайне для создания трехмерных объектов и моделей. Это дает возможность художникам и дизайнерам создавать уникальные и выразительные произведения искусства.

Например:

• Создание трехмерных скульптур.
• Моделирование интерьеров и экстерьеров.
• Создание персонажей для компьютерных игр и мультфильмов.
• Визуализация архитектуры.

Как видим, данный вид графики — достаточно перспективная технология, которая имеет большой потенциал для развития. Она может найти применение в различных сферах, включая видеоигры, виртуальную реальность, науку, искусство и дизайн.

Инструменты и ПО

Существует широкий выбор инструментов и программного обеспечения.

Например, воксельный движок что это? Это специализированная программа, которая предоставляет разработчикам и художникам необходимые инструменты для создания уникальных и визуально привлекательных сценариев.

Приведем пару примеров:

• Voxel Farm – движок, обеспечивающий разработчиков мощными инструментами для создания реалистичных миров с высокой детализацией.

• Voxelotor – инновационный движок, который интегрирует технологии искусственного интеллекта для более эффективного создания миров.

Вместе с программами для рисования моделей такие движки составляют техническую основу для создания трехмерных миров. Перечислим также некоторые из таких программ:

• MagicaVoxel – известный и широко используемый инструмент для создания графики. Его простой пользовательский интерфейс и набор инструментов делают его популярным среди художников и геймдизайнеров.

• VoxelShop предоставляет более продвинутые функции для создания воксельных моделей, включая поддержку слоев и различных режимов рисования. Этот инструмент отлично подходит для создания сложных и детализированных объектов.

• Qubicle – популярный инструмент, который предоставляет возможности для создания анимированных моделей. Его удобный интерфейс делает его привлекательным для художников с различным опытом.

Мы рассмотрели некоторые из программ, а также разобрались, что такое воксельный движок. Понимание различий между этими категориями инструментов поможет художникам и разработчикам выбирать подходящие средства в зависимости от их творческих и технических потребностей.

Технические вызовы и ограничения

Воксельные модели могут занимать большой объем данных. Это связано с тем, что каждая точка в трехмерном пространстве должна быть представлена ​​вокселем. Например, такие модели, используемые в видеоиграх, могут занимать сотни или даже тысячи гигабайт.

Подобный объем данных может стать источником проблем с производительностью, поскольку рендеринг вокселей требует значительных вычислений и иногда снижает частоту кадров в играх.

В целом — это сложный процесс, учитывая факторы, такие как положение камеры, освещение и свойства вокселей. Оптимизация моделей также представляет сложность, поскольку необходим баланс между детализацией и производительностью.

Какие же существуют технические вызовы и ограничения?

• Объем данных, что ограничивает использование в мобильных устройствах и других системах с ограниченными ресурсами.

• Требования к производительности (нужны значительные вычислительные ресурсы. Что может ограничивать частоту кадров в видеоиграх и других приложениях).

• Сложности в рендеринге (необходимо учитывать множество факторов, что усложняет процесс).

• Сложности в оптимизации (необходим баланс между детализацией и производительностью).

Эти вызовы и ограничения сдерживают использование воксельной графики в определенных областях, но с развитием технологий появится возможность преодолеть этих ограничения и повысить доступность и производительность.

Примеры проектов

1. Minecraft, от Mojang, является выдающимся примером воксельной графики. Игра завоевала популярность своим уникальным визуальным стилем и свободой творчества. Графика в Minecraft определяет не только визуальный стиль, но и геймплей, создавая уникальный мир, изменяемый игроками.

2. Voxel Tycoon – стратегия в реальном времени. Игроки строят и управляют транспортной империей в трехмерной среде, используя уникальные решения для создания динамичных игровых миров.

3. Trove, от Trion Worlds, сочетает элементы песочницы и MMORPG. Графика в Trove создает красочные миры и влияет на механику игры, позволяя игрокам свободно моделировать окружающую среду.

Геймплей также подвержен воздействию воксельной графики, предоставляя игрокам большую свободу взаимодействия с окружающим миром. Вместо статичных сценариев игроки могут творчески моделировать свой опыт, открывая новые возможности для взаимодействия и творчества.

Больше об этом направлении IT вы можете узнать на YouTube-канале платформы FoxmindED в этом видео: https://www.youtube.com/live/6kk93Lt9BzE?si=URui2oze3KtOWUWB

Будущее 

В свете роста интереса к виртуальной и дополненной реальности воксельная графика приобретает новый импульс. Мы можем ожидать более реалистичного и иммерсивного опыта в трехмерных мирах, особенно в контексте игр, образования и обучения. С этим связано не только расширение границ виртуальных миров, но и улучшение диагностики в медицине.

Следующий важный момент – прогресс в области ИИ. Его развитие может сделать воксельные системы более умными и адаптивными. В результате мы можем ожидать более эффективную разработку и создание более динамичных игровых и образовательных сценариев.

Одной из будущих перспектив данной графики можно назвать ее применение в медицине и научных исследованиях. Создание трехмерных моделей может повысить точность диагностики и предоставить более детальное представление сложных структур в медицинской визуализации.

Следующий интересный момент – возможные инновации и новые области применения. Воксельная графика может стать ключевым элементом для создания интерактивных образовательных платформ, где студенты смогут исследовать трехмерные пространства и визуализировать сложные концепции.

А, развитие 3D-печати открывает новые горизонты для воксельной графики, позволяя создавать физические объекты на основе воксельных моделей. Это, безусловно, приведет к появлению уникальных художественных и дизайнерских проектов.

Заключение

Воксельная графика – это не просто технология, это искусство создания объемных миров. Можно сказать, что с ростом социальных взаимодействий в виртуальных мирах, она может стать основой для создания креативных и персонализированных виртуальных пространств, где люди могут взаимодействовать, общаться и создавать совместные проекты. Такие новые области применения увлекательны и, безусловно, открывают широкие перспективы для будущего воксельной графики.