Voxel: Erkundung der Tiefen des Computer Vision mit Voxel-Technologie

Von Fouad Sabry

Was ist Voxel?

In der 3D-Computergrafik stellt ein Voxel einen Wert auf einem regelmäßigen Gitter im dreidimensionalen Raum dar. Wie bei Pixeln in einer 2D-Bitmap ist auch bei Voxeln selbst die Position normalerweise nicht explizit mit ihren Werten codiert. Stattdessen leiten Rendering-Systeme die Position eines Voxels basierend auf seiner Position relativ zu anderen Voxeln ab.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Voxel

Kapitel 2: Texture Mapping

Kapitel 3: Ray Casting

Kapitel 4 : Wissenschaftliche Visualisierung

Kapitel 5: Volumenwiedergabe

Kapitel 6: Ego-Shooter-Engine

Kapitel 7: Volumetrische Anzeige

Kapitel 8: CryEngine

Kapitel 9: Software-Rendering

Kapitel 10: Per-Pixel-Beleuchtung

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zu Voxel.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung von Voxel in vielen Bereichen.

Für wen sich dieses Buch eignet

Berufstätige, Studenten und Absolventen Studenten, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Voxel hinausgehen möchten.

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 13. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Voxel

Ein Voxel stellt einen Wert auf einem regelmäßigen Gitter im dreidimensionalen Raum in der 3D-Computergrafik dar. Ähnlich wie bei Pixeln in einer 2D-Bitmap wird bei Voxeln normalerweise nicht ihre Position (d. h. Koordinaten) mit ihren Werten aufgezeichnet. Stattdessen bestimmen Rendering-Systeme die Position eines Voxels basierend auf seiner Position relativ zu anderen Voxeln (d. h. seiner Position in der Datenstruktur, aus der ein einzelnes volumetrisches Bild besteht).

Im Gegensatz zu Pixeln und Voxeln werden Polygone häufig explizit durch die Koordinaten ihrer Scheitelpunkte (als Punkte) dargestellt. Als direktes Ergebnis dieser Unterscheidung können Polygone einfache 3D-Strukturen mit viel leerem oder homogen gefülltem Raum effektiv darstellen, aber Voxel zeichnen sich dadurch aus, dass sie regelmäßig abgetastete Räume beschreiben, die nicht homogen gefüllt sind.

Bei der Betrachtung und Interpretation medizinischer und wissenschaftlicher Daten (z. B. MRT-Scans) werden häufig Voxel verwendet.

GIS (Geographische Informationssysteme).

Einige volumetrische Anzeigen charakterisieren ihre Auflösung mithilfe von Voxeln.

Beispielsweise kann eine kubische volumetrische Anzeige 512×512×512 (oder etwa 134 Millionen) Voxel anzeigen.

Voxel ist ein Bild eines dreidimensionalen Raumbereichs, der durch bestimmte Größen begrenzt ist, mit seinen eigenen Knotenpunktkoordinaten in einem akzeptierten Koordinatensystem, seiner eigenen Form, seinem eigenen Zustandsparameter, der seine Zugehörigkeit zu einem modellierten Objekt anzeigt, und den Eigenschaften des modellierten Bereichs, ist eine der Definitionen. Diese Definition bietet den folgenden Vorteil. Wenn im gesamten Modell eine feste Voxelform verwendet wird, ist es wesentlich einfacher, mit Voxelknotenpunkten, d. h. den drei Koordinaten des Punktes, zu interagieren. Nichtsdestotrotz gibt es den einfachsten Datensatztyp: die Indizes der Elemente des Modellsatzes, die oft als ganzzahlige Koordinaten bezeichnet werden. In diesem Fall sind Modellsatzelemente Zustandsparameter, die Voxel bezeichnen, die sich auf das modellierte Objekt oder seine Bestandteile, einschließlich ihrer Oberflächen, beziehen.

Die Etymologie des Wortes Voxel ähnelt der von Pixel, wobei vo Volumen (anstelle von Bild für Pixel) und el Element bedeutet; Ein voxelbeschriebenes Volumen kann entweder durch direktes Volumen-Rendering oder durch die Extraktion von Polygon-Iso-Flächen, die den Konturen der eingestellten Schwellenwerte folgen, angezeigt werden. Der Marching Cubes-Algorithmus wird häufig für die Isoflächenextraktion verwendet, obwohl es auch zusätzliche Techniken gibt.

Voxeldaten können über Raytracing, Raycasting und Rasterung verarbeitet werden, um 2D-Rastergrafiken für die Anzeige auf einem Monitor zu erzeugen.

Mithilfe von Rastergrafiken wird einfach jedes Pixel der Anzeige in die Szene eingeblendet, während ein Fehlerterm verfolgt wird, um zu bestimmen, wann ein Schritt erforderlich ist. Mit einem Y-Puffer wird in einer typischen Implementierung jedes Pixel des Displays beginnend am unteren Bildschirmrand mit Raytracing versehen. Wenn ein Voxel mit einem höheren y-Wert auf dem Display gefunden wird, wird es dem y-Puffer hinzugefügt, ersetzt den alten Wert und interpoliert mit dem vorherigen y-Wert, um die Farbwerte zu bestimmen. Die Voxelrasterung hat einen erheblichen Nachteil, wenn Transformationen verwendet werden, da dies zu starkem Aliasing führt. Der Vorteil war die Möglichkeit, die Rasterung mit kostengünstigen Integer-Berechnungen auf einer CPU ohne Hardwarebeschleunigung durchzuführen. Carmack erwähnte den Mangel an Grafikkarten, die speziell für ein solches Rendering entwickelt wurden, was Software-Rendering als ein solches Problem erforderte.

Darüber hinaus war Comanche die erste kommerzielle Flugsimulation, die Voxel-Technologie verwendete. Kyle Freeman hat die proprietäre Voxel Space-Engine entwickelt, die von NovaLogic verwendet wird.

3D-Rendering eines μCT-Scans eines Blattstücks, Auflösung ca. 40 μm/Voxel bei voller Betrachtung

Eine (geglättete) Darstellung des Voxel-Datensatzes eines Makromoleküls.

Ein Voxel stellt ein einzelnes Sample oder einen Datenpunkt auf einem dreidimensionalen Raster mit gleichmäßigem Abstand dar. Dieser Datenpunkt kann ein einzelnes Datenelement enthalten, z. B. Deckkraft, oder mehrere Daten, z. B. Deckkraft und Farbe. Der Abstand zwischen Voxeln wird in einem voxelbasierten Dataset nicht dargestellt. Je nach Art der Daten und der geplanten Verwendung des Datensatzes können diese fehlenden Informationen rekonstruiert und/oder angenähert werden, z. B. durch Interpolation.

Der Wert eines Voxels kann verschiedene Eigenschaften darstellen. Bei CT-Scans sind die Werte Hounsfield-Einheiten, die die Opazität des Materials für Röntgenstrahlen angeben.: 29 Verschiedene Arten von Werten werden aus MRT oder Ultraschall gewonnen.

Bei Ultraschalluntersuchungen mit B-Mode- und Doppler-Daten werden Dichte und Volumenstrom als unabhängige Datenkanäle erfasst, die denselben Voxelkoordinaten entsprechen.

Trotz der Tatsache, dass Voxel Präzision und Realismustiefe bieten, handelt es sich oft um riesige Datensätze, die angesichts der Bandbreite herkömmlicher Prozessoren schwer zu verwalten sind. Durch effiziente Komprimierung und Manipulation von Big-Data-Dateien können Computer für den Verbrauchermarkt jedoch interaktive Visualisierungen unterstützen.

Andere Daten, wie z. B. ein Oberflächennormalenvektor und eine Farbe, können für ein schnelles 3D-Rendering von Vorteil sein.

Technologien zur Erweiterung von Voxeln in die vierte und fünfte Dimension von Daten werden erforscht.

Beispiele für gängige Voxelanwendungen sind die volumetrische Bildgebung in der Medizin und die Landschaftsmodellierung in Spielen und Simulationen. Voxel-Gelände wird anstelle einer Höhenkarte verwendet, da es Überhänge, Höhlen und andere 3D-Geländemerkmale darstellen kann. Diese konkaven Merkmale können nicht in einer Höhenkarte dargestellt werden, da nur die oberste Schicht der Daten aufgezeichnet wird und alles darunter nicht dargestellt wird (das Volumen, das sonst das Innere der Höhlen oder die Unterseite von Bögen oder Überhängen wäre).

3D Dot Game Heroes bietet Voxel-Grafiken im Retro-Look.

The Fun Pimps Entertainment produzierte 7 Days to Die, ein voxelbasiertes Open-World-Survival-Horror-Spiel.

Ace of Spades verwendete ursprünglich Ken Silvermans Voxlap-Engine, bevor es mit einer benutzerdefinierten OpenGL-Engine neu geschrieben wurde.

Amok erstellt seine Umgebungen mithilfe von Voxeln.

Das Computerspiel Armored Fist 3 wurde von Novalogic mit voxelbasierter Rendering-Technologie entwickelt.

Blade Runner ist ein Videospiel, dessen Charaktere und Artefakte mit Voxeln gerendert wurden.

Das in der Entwicklung befindliche Echtzeitstrategiespiel Castle Story hat eine Topografie, die aus geglätteten Voxeln besteht.

Die Comanche-Computerspielserie von NovaLogic verwendet die Voxel-Space-Voxel-Rasterung für das Rendern von Gelände.

Die meisten Fahrzeuge in den Computerspielen Command & Conquer: Tiberian Sun, Command & Conquer: Alarmstufe Rot 2 und Command & Conquer: Yuri's Revenge wurden mit Voxeln von Westwood Studios gerendert.

Die Landschaftssysteme von Crysis, Cryengine 2 und Cryengine 3 verwenden eine Kombination aus Höhenkarten und Voxeln.

Das Action-Rollenspiel Cube World enthält prozedural generierte Voxellandschaften.

Delta Force ist ein Computerspiel, das von Novalogic mit seiner proprietären Voxel Space-Rendering-Engine entwickelt wurde.

Dual World ist ein Massively Multiplayer Online Role-Playing Game aus einem Single-Shard-Universum, das Voxel verwendet, um Raumschiffe, Zivilisationen und Raumstationen zu konstruieren.

Die auf Eis gelegten MMORPGs EverQuest Next und EverQuest Next: Landmark von Sony Online Entertainment nutzen Voxel stark für die Entwicklung von Welten und spielergenerierten Inhalten.

Hexplore ist ein Multiplayer-Rollenspiel, das eine Voxel-Engine verwendet, die es dem Benutzer ermöglicht, das isometrisch gezeichnete Spielfeld zu drehen.

Hytale ist ein voxelbasiertes RPG-Sandbox-Spiel, das von Hypixel Studios entwickelt und von Riot Games finanziert wird und frühestens 2023 veröffentlicht wird.

Master of Orion III rendert Weltraumkriege und Sonnensysteme mit Voxelgrafiken. Auf PCs ohne Hardware-Grafikbeschleunigung wurden Schlachten mit 1000 Schiffen träge gerendert.

Medieval Engineers ist