Про воксельну графіку

Воксельна графіка існує вже кілька десятиліть, але в останні роки вона переживає новий розквіт. Багато в чому це пов’язано з розвитком комп’ютерних технологій, які дають змогу створювати складніші та деталізованіші воксельні моделі.

Розглянемо, з чого почався розвиток вексельної графіки і що таке 2,5d графіка…

Історія

Перші воксельні зображення ґрунтувалися на технологіях 2,5D графіки, що використовувалися для створення псевдотривимірних ефектів. Однак, на відміну від воксельної, 2,5D графіка не створювала реальний тривимірний об’єм, а лише ілюзію глибини. На початку використання така графіка застосовувалася переважно в наукових галузях, наприклад, для візуалізації медичних даних.

У 1980-х роках воксельна графіка знайшла застосування у відеоіграх, починаючи з Castle Wolfenstein 1981 року. Незважаючи на свій початковий успіх, воксельна графіка в 1990-х роках усе ще поступалася популярністю полігональній графіці.

Останніми роками вона знову привертає увагу розробників і дизайнерів, завдяки розвитку технологій, що дають змогу створювати складніші та деталізованіші моделі.

Технічні основи

Воксель – це тривимірний аналог пікселя. Він являє собою куб із заданими властивостями, такими як колір, прозорість, текстура та інші. Вокселі використовуються для створення зображень і моделей.

Структура вокселя визначається його розмірами та властивостями. Він має три виміри: висоту, ширину та глибину. Розміри визначають і його роздільну здатність, тобто рівень деталізації зображення або моделі. Властивості вокселя визначають його зовнішній вигляд і поведінку:

• Колір (визначає його зовнішній вигляд).
• Прозорість (визначає, наскільки він пропускає світло).
• Текстура (визначає його поверхню).
• Відображення (показує, наскільки він відбиває світло).
• Тонкість (визначає, наскільки він твердий).

Воксельні зображення створюються шляхом рендерингу вокселів відповідно до їхніх властивостей. Для цього використовується алгоритм рендерингу, який визначає, як їхній колір і прозорість впливають на підсумкове зображення.

Воксельні моделі створюються шляхом об’єднання вокселів у тривимірну решітку. Розмір решітки визначає рівень деталізації об’єкта.

Воксельні моделі можуть бути статичними або динамічними. Статичні моделі не змінюються з часом, а динамічні – можуть змінювати свою форму, розмір або положення.

Застосування в різних сферах

Воксельна графіка використовується у відеоіграх з 1980-х років. Одними з перших ігор з використанням такої графіки були Castle Wolfenstein (1981) і Outcast (1999). Воксельна графіка має низку переваг для використання у відеоіграх:

• Реалістичність (більш реалістичні тривимірні об’єкти, ніж полігональна графіка).
• Деталізація (дуже висока деталізація дає змогу створювати складні та деталізовані об’єкти).
• Продуктивність. 

Наведемо деякі приклади таких відеоігор: Minecraft, Starbound, Caves of Qud. Є також 2,5d ігри, в яких використовуються вокселі для створення тривимірних об’єктів: Star Fox 64, Super Mario 64, Donkey Kong 64.

Останніми роками воксельна графіка стала дедалі популярнішою і в VR. Це пов’язано з розвитком технологій, які дають змогу створювати складніші та деталізованіші моделі.

Ось деякі приклади використання цієї графіки у VR:

• Створення тривимірних світів із більшою свободою та зануренням.
• Створення персонажів, що дає змогу взаємодіяти з цими персонажами більш природно.
• Створення об’єктів.

Крім того, така графіка використовується в медичній візуалізації для створення тривимірних моделей органів і тканин (томографія і рентгенографія, моделювання хірургічних операцій). Це дає змогу лікарям краще зрозуміти структуру і функцію цих об’єктів. Також вона використовується в наукових дослідженнях для створення тривимірних моделей об’єктів і процесів (моделювання кліматичних систем). Це дає змогу вченим вивчати ці об’єкти та процеси з більшою деталізацією.

Цей вид графіки також використовується в сучасному мистецтві та дизайні для створення тривимірних об’єктів і моделей. Це дає можливість художникам і дизайнерам створювати унікальні та виразні твори мистецтва.

Наприклад:

• Створення тривимірних скульптур.
• Моделювання інтер’єрів та екстер’єрів.
• Створення персонажів для комп’ютерних ігор і мультфільмів.
• Візуалізація архітектури.

Як бачимо, цей вид графіки – досить перспективна технологія, яка має великий потенціал для розвитку. Вона може знайти застосування в різних сферах, включно з відеоіграми, віртуальною реальністю, наукою, мистецтвом і дизайном.

Інструменти та ПЗ

Існує широкий вибір інструментів і програмного забезпечення.

Наприклад, воксельний рушій що це? Це спеціалізована програма, яка надає розробникам і художникам необхідні інструменти для створення унікальних і візуально привабливих сценаріїв.

Наведемо кілька прикладів:

• Voxel Farm – рушій, що забезпечує розробників потужними інструментами для створення реалістичних світів із високою деталізацією.

• Voxelotor – інноваційний рушій, який інтегрує технології штучного інтелекту для ефективнішого створення світів.

Разом із програмами для малювання моделей такі рушії складають технічну основу для створення тривимірних світів. Перелічимо також деякі з таких програм:

• MagicaVoxel – відомий і широко використовуваний інструмент для створення графіки. Його простий користувальницький інтерфейс і набір інструментів роблять його популярним серед художників і геймдизайнерів.

• VoxelShop надає більш просунуті функції для створення воксельних моделей, включно з підтримкою шарів і різних режимів малювання. Цей інструмент чудово підходить для створення складних і деталізованих об’єктів.

• Qubicle – популярний інструмент, який надає можливості для створення анімованих моделей. Його зручний інтерфейс робить його привабливим для художників із різним досвідом.

Ми розглянули деякі з програм, а також розібралися, що таке воксельний рушій. Розуміння відмінностей між цими категоріями інструментів допоможе художникам і розробникам вибирати відповідні засоби залежно від їхніх творчих і технічних потреб.

Технічні виклики та обмеження

Воксельні моделі можуть займати великий обсяг даних. Це пов’язано з тим, що кожна точка в тривимірному просторі має бути представлена вокселем. Наприклад, такі моделі, що використовуються у відеоіграх, можуть займати сотні або навіть тисячі гігабайт.

Подібний обсяг даних може стати джерелом проблем з продуктивністю, оскільки рендеринг вокселів вимагає значних обчислень і іноді знижує частоту кадрів в іграх.

Загалом – це складний процес, враховуючи фактори, такі як положення камери, освітлення і властивості вокселів. Оптимізація моделей також представляє складність, оскільки необхідний баланс між деталізацією і продуктивністю.

Які ж існують технічні виклики та обмеження?

• Обсяг даних, що обмежує використання в мобільних пристроях та інших системах з обмеженими ресурсами.

• Вимоги до продуктивності (потрібні значні обчислювальні ресурси. Що може обмежувати частоту кадрів у відеоіграх та інших додатках).

• Складнощі в рендерингу (необхідно враховувати безліч чинників, що ускладнює процес).

• Складнощі в оптимізації (необхідний баланс між деталізацією і продуктивністю).

Ці виклики та обмеження стримують використання воксельної графіки в певних галузях, але з розвитком технологій з’явиться можливість подолати ці обмеження та підвищити доступність і продуктивність.

Приклади проектів

1. Minecraft, від Mojang, є видатним прикладом воксельної графіки. Гра завоювала популярність своїм унікальним візуальним стилем і свободою творчості. Графіка в Minecraft визначає не тільки візуальний стиль, а й геймплей, створюючи унікальний світ, який змінюється гравцями.

2. Voxel Tycoon – стратегія в реальному часі. Гравці будують і керують транспортною імперією в тривимірному середовищі, використовуючи унікальні рішення для створення динамічних ігрових світів.

3. Trove, від Trion Worlds, поєднує елементи пісочниці та MMORPG. Графіка в Trove створює барвисті світи і впливає на механіку гри, даючи змогу гравцям вільно моделювати навколишнє середовище.

Геймплей також піддається впливу воксельної графіки, надаючи гравцям більшу свободу взаємодії з навколишнім світом. Замість статичних сценаріїв гравці можуть творчо моделювати свій досвід, відкриваючи нові можливості для взаємодії та творчості.

Більше про цей напрямок IT ви можете дізнатися на YouTube-каналі платформи FoxmindED у цьому відео: https://www.youtube.com/live/6kk93Lt9BzE?si=URui2oze3KtOWUWB

Майбутнє 

У світлі зростання інтересу до віртуальної та доповненої реальності воксельна графіка набуває нового імпульсу. Ми можемо очікувати реалістичнішого та імерсивнішого досвіду в тривимірних світах, особливо в контексті ігор, освіти та навчання. З цим пов’язано не тільки розширення меж віртуальних світів, а й поліпшення діагностики в медицині.

Наступний важливий момент – прогрес у галузі ШІ. Його розвиток може зробити воксельні системи розумнішими й адаптивнішими. У результаті ми можемо очікувати на ефективнішу розробку і створення динамічніших ігрових та освітніх сценаріїв.

Однією з майбутніх перспектив цієї графіки можна назвати її застосування в медицині та наукових дослідженнях. Створення тривимірних моделей може підвищити точність діагностики та надати більш детальне представлення складних структур у медичній візуалізації.

Наступний цікавий момент – можливі інновації та нові сфери застосування. Воксельна графіка може стати ключовим елементом для створення інтерактивних освітніх платформ, де студенти зможуть досліджувати тривимірні простори та візуалізувати складні концепції.

А розвиток 3D-друку відкриває нові горизонти для воксельної графіки, даючи змогу створювати фізичні об’єкти на основі воксельних моделей. Це, безумовно, призведе до появи унікальних художніх і дизайнерських проєктів.

Висновок

Воксельна графіка – це не просто технологія, це мистецтво створення об’ємних світів. Можна сказати, що зі зростанням соціальних взаємодій у віртуальних світах, вона може стати основою для створення креативних і персоналізованих віртуальних просторів, де люди можуть взаємодіяти, спілкуватися і створювати спільні проєкти. Такі нові сфери застосування захопливі і, безумовно, відкривають широкі перспективи для майбутнього воксельної графіки.