Что такое воксельная графика

Воксел

Во́ксел (в разговорной речи во́ксель, англ. Voxel — образовано из слов: объёмный (англ. volumetric ) и пиксел (англ. pixel ) — элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве. Вокселы являются аналогами пикселов для трехмёрного пространства. Воксельные модели часто используются для визуализации и анализа медицинской и научной информации.

Содержание

Представление в памяти

Как и в случае с пикселами, сами по себе вокселы не содержат информации о своих координатах в пространстве. Их координаты вычисляются из их позиции в трёхмерной матрице — структуре, моделирующей объёмный объект или поле значений параметра в трёхмерном пространстве.

Этим вокселы отличаются от объектов векторной графики, для которых известны координаты их опорных точек (вершин) и прочие параметры.

Воксельные модели имеют определенное разрешение. Каждый воксел имеет определенное значение, например, цвет.

Для хранения воксельной модели применяют массив размерами X×Y×Z. Несжатые воксельные модели (по сравнению с векторными) потребляют гораздо больше места в памяти для обработки. К примеру, одна несжатая модель размером 256×256×256 вокселей будет занимать память объёмом от 32 Мб (256*256*256=16777216 вокселей и как минимум 2 байта на воксель даже в 256-ти градациях серого, так как к ним надо добавить 256 градаций прозрачности, итого 16777216*2=33554432 байт=33554432/1024=32768 Кб = 32768/1024=32 Мб), в то время как векторной модели может потребоваться в десятки или даже сотни раз меньше.

Разреженное воксельное октодерево

Одной из новейших перспективных технологий, позволяющей делать эффективную детализацию воксельных объектов, является разреженное воксельное октодерево (sparse voxel octree). В числе её преимуществ: значительная экономия памяти, естественная генерация уровней детализации (аналога mipmap-карт), и высокая скорость обработки в рейкастинге.

Первый узел дерева — корень, является кубом, содержащим весь объект целиком. Каждый узел или имеет 8 кубов-потомков или не имеет никаких потомков. В результате всех подразбиений получается регулярная трёхмерная сетка вокселей.

Докселы

Докселы — это вокселы, изменяющиеся во времени. Как ряд картинок составляет анимацию, так и ряд воксельных моделей во времени могут составлять трёхмерную анимацию.

Области применения

Благодаря тому, что трёхмерная матрица хранит значение воксела для каждого единичного элемента объёмного пространства, воксельные модели хорошо подходят для моделирования непрерывных сред и полей значений (например, распределение угарного газа в атмосфере над городом), в то время как векторные более предназначены для моделирования дискретных объектов.

Медицинские данные

Ряд медицинских устройств, как, например, сканеры компьютерной томографии, трехмерное УЗИ, МРТ выдают послойную информацию при сканировании. По завершении сканирования строится воксельная модель. Значения вокселей в этом случае отражают данные с устройства. В компьютерной томографии, например, это прозрачность тела по шкале Хаунсфилда, то есть прозрачность для рентгеновских лучей.

Для воксельных моделей (например, медицинских данных со сканера МРТ) просто реализуется вывод любого сечения модели. Это дает возможность изучить любой срез данных.

Визуализация

Для воксельных моделей существует множество алгоритмов визуализации. Один из быстрейших способов называется «бросанием снежков» (англ. splatting). Вокселы «бросаются» на поверхность просмотра в порядке удаленности от нее, от дальних к близким. Получившиеся «следы от снежков» (сплэты) рендерятся как диски, цвет и прозрачность которых изменяется в зависимости от диаметра в соответствии с нормальным (гауссовым) распределением. В различных реализациях могут использоваться другие элементы или же другие распределения.

Для улучшения качества изображения используются более сложные алгоритмы отрисовки: алгоритм Marching cubes и другие. Алгоритм «Marching Cubes» (бегущие кубики) строит изоповерхность, опираясь на данные вокселов. Обычная реализация алгоритма использует значения 8-и соседних вокселов, чтобы отрисовать полигон внутри куба образованного их координатами. Так как существует всего 256 возможных комбинаций, можно заранее их подготовить, и использовать типовые «кирпичики» (уже в экранных координатах) для отрисовки больших объёмов данных в хорошем качестве.

Существуют и другие алгоритмы, например проекция максимальной интенсивности, которая хорошо отображает положение в трёхмерном пространстве наиболее ярких участков трёхмерного объекта.

Объёмные дисплеи

Иногда для таких дисплеев указывается их разрешение в вокселах, например 128×128×128.

Вокселы в компьютерных играх

Вокселы давно используются в компьютерных играх, однако их использование ограниченно из-за серьёзных требований к аппаратной части. Чаще всего в играх вокселы используются для отрисовки моделей. Иногда используются воксельные ландшафты вместо обычного поля высот — это позволяет создавать более сложные пространства с пещерами и мостами. Одной из самых важных возможностей воксельных ландшафтов, интерьеров и объектов является возможность их динамического изменения и разрушения в реальном времени.

Воксельные движки встречались в играх:

Источник

Станут ли воксели новой прорывной технологией?

Мы пообщались с потрясающими разработчиками Atomontage, пытаясь разобраться, смогут ли воксели вернуться и победить пиксели.

Воксельная разработка

Бранислав: в 2000-2002 годах я участвовал в соревнованиях европейской демосцены. Я написал несколько 256-байтных демо (также называемых intro) под ником Silique/Bizzare Devs (см. «Njufnjuf», «Oxlpka», «I like ya, Tweety» и «Comatose»). Каждое из интро генерировало в реальном времени воксели или графику из облака точек. И воксели, и облака точек являются примерами сэмплированной геометрии.

Интро выполняли свою задачу всего в 100 инструкциях процессора, таких как ADD, MUL, STOSB, PUSH и им подобных. Однако из-за самой природы такого типа программ на самом деле десятки инструкций использовались просто для правильной настройки, а не для генерации самой графики. Тем не менее этих 50 с лишним инструкций, которые по сути являлись элементарными математическими операциями или операциями с памятью, оказалось достаточно для генерации довольно красивой подвижной 3D-графики в реальном времени. Все эти 256-байтные интро выигрывали с первого по третье места. Это заставило меня осознать, что если такую 3D-графику возможно создавать без полигонов, то в играх и других приложениях можно достичь гораздо большего с помощью того же принципа: использования сэмплированной геометрии вместо полигональных мешей. Решение заключается в простоте. Я понял, что доминировавшая тогда парадигма, основанная на сложных и фундаментально ограниченном (необъёмном) представлении данных, уже готова была упереться в потолок возможностей. То есть настало подходящее время испробовать эту «новую», более простую парадигму: объёмную сэмплируемую геометрию.

Дэн: ещё учась в старшей школе в Швеции, я начал программировать 2D-движок с сайдскроллингом, на котором я в результате создал инди-игру под названием «Cortex Command». Она была похожа на «Worms» или «Liero», но с геймплей был больше в реальном времени и с элементами RTS. Также в игре использовалась более подробная симуляция различных материалов каждого пикселя рельефа. В виде сбоку, похожем на «муравьиную ферму», персонажи игрока могли копать золото в мягкой земле и строить защитные бункеры с твёрдыми бетонными и металлическими стенами. В 2009 году Cortex Command выиграла награду за техническое превосходство и приз зрительских симпатий на Independent Games Festival. Ещё с того времени я мечтал создать полностью трёхмерную версию игры, а это было возможно только с помощью волюметрической симуляции и графики.

Примерно шесть лет назад я искал готовые воксельные решения и нашёл работы Бранислава на его веб-сайте и в видео, в котором он рассказывал о неизбежном переходе от полигональной 3D-графики к чему-то, напоминавшему сделанное мной в 2D: к симуляции всего виртуального мира как небольших блоков-атомов со свойствами материалов. Мне не только показалось правильным его заявление — его технологии, судя по простым, но впечатляющим видео, оказались лучшими и самыми убедительными из существовавших. Я начал спонсировать его проект через его веб-сайт и общаться с ним, что привело к началу многолетней дружбы, а теперь и совместному финансированию нашей компании. Восхитительно чувствовать себя частью этого поворотного периода в таком эпичном проекте, в котором результаты долгих лет исследований и разработок наконец-то можно будет передать людям и произвести революцию в создании и потреблении 3D-контента!

Растущий интерес

Мы считаем, что многие крупные игроки осознали: полигональные технологии упёрлись в потолок сложности больше десятилетия назад. Эта проблема проявляет себя множеством способов: в сложных тулчейнах, в хитрых хаках, позволяющих реализовать взаимодействия и симуляцию разрушений, в сложном представлении геометрии (модель полигональной поверхности + модели коллизии + другие модели для представления внутренней структуры, при её наличии), в переусложнённых подходах к волюметрическому видео, хаках и огромных кодовых базах, и т.д. Из-за этих проблем прогресс почти полностью зависит от мощности видеопроцессоров, а некоторые аспекты вообще недостижимы. Это битва, в которой нельзя выиграть. Это свойственно природе больших компаний: часто они даже не пытаются потратить много времени и ресурсов на развитие рискованных и меняющих условия игры решений; вместо этого их стратегия заключается в покупке маленьких компаний, которым это удалось.

Технология

Существует набор техник, которые люди обычно считают основанными на вокселях. Самые старые из них использовался в играх, основанных на картах высот, где рендерер интерпретировал 2D-карту значений высот для вычисления границ между воздухом и землёй сцены. Это не совсем воксельный подход, потому что здесь не используется волюметрический набор данных (примеры: Delta Force 1, Comanche, Outcast и другие).

В некоторых движках и играх используются большие блоки с собственной внутренней структурой, составляющие виртуальный мир (пример: Minecraft). Эти блоки обычно рендерятся с помощью полигонов, то есть наименьшими их элементами являются треугольники и текселы, а не воксели. Такая геометрия просто упорядочена в сетку из более крупных блоков, но это, строго говоря, не делает их вокселями.

Источник

Воксельная графика своими руками — первые шаги

Знакомство с воксельной графикой

В процессе поиска алгоритмов расчета коллизий на сайте GameDev, я наткнулся на маленькую статью про движок idTech 6 и заинтересовался воксельной графикой, которую противопоставляют полигональной графике, на которой сейчас основана почти вся компьютерная графика.
Вообще, воксел расшифровывается как «объемный пиксель», однако сейчас под вокселом в основном понимается некий примитив, чаще всего куб или прямоугольный параллелепипед, который имеет определенный размер и цвет. В idTech 6 и в движке Кена Сильвермана Voxlap они хранятся в разреженном октодереве (SVO — sparse voxel octree), что позволяет экономить память и делает возможным простую реализацию «уровня детализации».

Первые попытки

Штурмовать сразу трехмерное пространство я не решился — слишком пугающе выглядел весь тот список формул, которые бы пришлось освоить (о них речь пойдет чуть ниже), и решил просто переписать код, чтобы платформер использовал «боксы» — квадраты, и соответственно хранились не в разреженном октодереве, а в разреженном квадродереве.
Первый код был ужасен — все функции работы с деревом, такие как удаление, обход дерева, создание узлов, были итеративными отдельными от класса QuadTree функциями. В прочем, даже добавление их в пределы класса особо не сыграло роли, так как в последствии выяснилось, что рекурсивные функции сильно выигрывают в данном случае. Единственное, что принесли полезного эти первые попытки — это четкая формулировка, какие функции мне нужны, а также основы реализации деревьев на С++, что в дальнейшем очень помогало и, я надеюсь, еще будет помогать. И, конечно же, именно те первые попытки подтолкнули изучать OpenGL (правда до этого прельстился Direct2D, но очень быстро разочаровался в нем).

Переход в объем

OpenGL я начал изучать на NeHe gamedev и как то очень быстро втянулся в трехмерное пространство и начал планировать движок для Quake-подобной игры. Квадродерево было переписано в октодерево и начались первые сложности. Октодеревья потребляют памяти гораздо больше, и даже не смотря на то, что все основные функции стали рекурсивными, все равно они тратили слишком много времени и памяти. Для решения этой проблемы были реализованы следующие методы:

Оптимизация памяти

В октодереве очень часто приходится использовать операторы new/delete, которые выделяют для указателя место в динамической памяти (куче). Динамическая память медленнее, чем статическая (стек), а также сами функции new/delete выполнялись для меня слишком медленно. Из-за чего был написан собственный класс MemoryPool и шаблон mem_pool_tree.
mem_pool_tree был написан под впечатлением от BST-дерева, с которым я познакомился из книги Т. Кормана «Алгоритмы. Построение и анализ», и не работает напрямую с памятью, а только оперирует цифрами, которые в последствии используются для смещение указателя с начала массива в статической области памяти. Предугадать удаления не представлялось возможным, а вот выделять «правильные» куски памяти было реально, из-за чего я взял у BST дерева идею и повороты, и добавил «блочность» — mem_pool_tree хранит узлы, в котором две переменные хранят начало и конец блока, и еще две переменные — начало и конец занятого пространства. Если происходит попытка удалить кусок в середине занятого пространства, то узел делится, если вызывается функция выделения куска, то алгоритм ищет такой блок, где выделение пространства позволит ему объединится с соседним блоком. И периодически вызывается функция балансировки.

Многопоточность

Из-за строения дерева, в котором у родительского узла есть указатель на массив из восьми дочерних узлов, функции, где требуется полный обход дерева (такие, как удаление всего дерева, удаление лишних элементов, вычисление средних вокселов и т.д.), были написаны с возможностью включить многопоточность. Многопоточность была реализована с помощью OpenMP. К примеру, надо оптимизировать дерево (например, зачем хранить восемь дочерних узлов, если можно их цвет передать родительскому узлу, а их удалить). Реализуем:

Так как дочерние узлы между собой никак не связаны, такая операция не требует мьютексов, что очень хорошо в условиях, когда требуются минимальные затраты памяти.

Загрузка и сохранение вокселей

Долго пришлось искать оптимальный метод хранения вокселей в файле — ведь в условиях, когда оперативная память ценна, хранить лишние вокселы в оперативке является непозволительной роскошью. После долгих исканий, выбор остановился на SQLite3, в котором есть кэширование, а также возможность загрузить только те вокселы, которые требуются исходя из значений «уровня детализации». Самая быстрая работа с SQLite3 базами оказалось при встраивании в проект исходного кода sqlite3 и самостоятельной компиляции (точных цифр не помню, но что то вроде полмиллиона переменных за 200-250 ms, причем на нетбуке с Intel Atom). Естественно, в SQLite3 использовались для ускорения «Begin transaction;», «Commit transaction;», «PRAGMA journal_mode = MEMORY;», «PRAGMA synchronous = OFF;» и т.д.

Скриншоты

Собственно, здесь я покажу небольшие скриншоты, так как дальше идет описания кода, который на стадии реализации. Объекты на скриншотах, конечно, очень простенькие, но единственная причина этого в том, что у меня все не доходят руки нарисовать нормальную сложную модель, или переконвертировать существующие. Более того, это самые первые скриншоты, и для растеризации был написан малюсенький код с использованием GDI, а не OpenGL, и трассировку лучей выполнял самый обычный цикл, в котором расчеты матрицы поворота и прочие расчеты выполнялись на CPU.

Текущие задачи и заключение

Полиморфизм

Сейчас октодерево в очередной раз переписывается с применением полиморфизма. Основная задача — чтобы дерево было не чистым октодеревом, а скрещением с kd-tree (дерево, в котором идет не разбиение воксела на 8 маленьких вокселей, а разбиение на два воксела с определенной пропорцией и по определенной оси), и еще другими модификациями.

RayCasting

Октодерево позволяет Ray Casting, алгоритм «бросания лучей», с помощью которого сейчас пишу растеризатор. Также реализации алгоритма используется OpenGL (генерация текстуры из массива и отображение его на полигоне), «групповая трассировка» и C++ AMP. В целом, эта тема хорошо раскрыта на ray-tracing.ru.

Заключение

В целом, тема интересная, и можно много интересного найти по ней. Например: статья на хабре про движок Atomontage и презентация технологии SVO с SIGGRAPH 2012.

Написанный мною класс распределения памяти с использованием массива в статической памяти, после замеров, выдал следующие данные:

Источник

2.5D: Что такое воксельная графика?

Графика в играх может быть разных форматов от обычного 2D и до крутого 3D. Мы расскажем про воксельную графику, которая позиционируется как 2.5D графика.

Чтобы лучше понимать воксельную графику, следует получить базовое представление о растровой графике. В последней за формирование картинки отвечает пиксель с 3 свойствами: положение по оси X, по Y и цвет элемента. В векторном направлении графики оператором выступает только программный код, передающий нужные параметры пикселю или создающий отдельный графический элемент. 3D сочетает свойства векторной и растровой графики для создания любых объектов в трёхмерном виде с поверхностным наложением растровой структуры.

На самом деле воксельная графика является обычным растром, но в 3-мерном исполнении. Для неё помимо трёх предыдущих свойств ещё передаётся координата по оси Z – это глубина текстуры. Практически все знают, что пиксель в 2D – это мельчайшая единица картинки, из которой и строится конечное изображение. Вокселем же называют такую же мелкую деталь картинки, но в объёмном её варианте.

Одним их хороших примеров для иллюстрации воксельной графики является MineCraft. Правда, здесь не всё однозначно. Вроде бы Майнкрафт – это на самом деле прекрасная иллюстрация основ взаимодействия вокселей, но опять же – это банальное 3D с 3-мерными текстурами и моделями. Профессионал назвал бы игру лишь пародией настоящей воксельной графики.

Зачем оно?

Довольно нечасто в современном мире используется воксельная графика. Причинами для отказа от неё служит недостаточная гибкость в использовании и слишком большая требовательность к аппаратным ресурсам. Если попытаться реализовать относительно реалистичную картинку, она потребует очень много ресурсов для визуализации на компьютере. Полностью сбрасывать воксели со счетов так же не стоит, у них есть и достоинства.

Раз уж речь все равно зашла за игры на ПК, главным преимуществом вокселей здесь является лёгкость изменений отдельных точек. Воксель в своей среде напоминает кирпич в строительстве. На его основе можно выстроить огромные объекты, а при необходимости не составит слишком большого труда заменить один из кирпичей. Деформация готового, «литого» 3D элемента выполняется намного сложнее. Чтобы не усложнять, с помощью вокселей очень просто сделать текстуры разрушаемыми.

Раньше именно за счёт вокселей разработчики игр смогли перейти с 2D в 3D. Других средств для реализации объёмных картинок в тот момент не существовало. К примеру, Wolfenstein 3D – это вовсе не полноценный 3D, а на 50% плоский и на 50% воксельный шутер. Способ реализации подобного трюка – это тема специальной статьи.

Воксели активно применяются в медицинской отрасли для построения результатов обследований. Их можно лицезреть после прохождения МРТ, УЗИ, КТ. Именно благодаря вокселям стало возможно послойно перебирать и просматривать ткани организма.

Это модель головы, построенная с помощью вокселей, видно, что персонажу не слишком повезло.

Довольно часто к воксельной графике прибегают для решения отдельно стоящих задач. Игровые движки задействуют воксели не в качестве основного элемента построения картинки, а второстепенного.

Есть и геймеры, которые просто так создают уникальные концепты основываясь исключительно на вокселях. FEZ на первый взгляд – полностью плоская игра, но со временем уровень приобретает движение.

В конце концов воксельная графика является податливым и мощным средством в инструментарии художника. Бонусом за чтение материала предлагаю посмотреть лучшие работы от Sir Carma – это художник, использующий чистые возможности вокселей. Для улучшения внешнего вида изображения он лишь добавляет шейдеры.

Если зародилось желание попробовать себя в вексельной графике, рекомендую отличный редактор (к тому же бесплатный) – MagicaVoxel.

Источник

Чем пиксели отличаются от вокселей, и как в современных играх создают графику ретро-стиля

Художник Матеуш Retro Ян, рисующий в стиле пиксель-арт, написал для издания Retronator Magazine статью, в которой попытался ответить на вопрос, в чём разница между пикселями и вокселями, но при этом рассказал намного больше.

Ян объяснил, чем игры девяностых отличаются от современных 2D и 3D-игр в пиксельной стилистике, а также изучил разные варианты такого подхода к созданию графики.

Редакция DTF публикует перевод материала.

Предупреждение: в тексте много картинок и GIF-анимаций, поэтому он может долго прогружаться. Особенно с мобильных устройств.

Ранее в этом году мне задали такой вопрос: в чём разница между пикселями и вокселями?

Иногда бывает сложно удержаться, поэтому вместо прямого ответа я написал по этому поводу целую статью.

Вопрос вполне логичен. Общество вываливает на вас что-то вроде постера к фильму «Пиксели», и вы не понимаете, что происходит. Это вот пиксели? Или это воксели? Это птица? Самолёт? Никто вам ничего не объясняет.

Но не бойтесь, пока я с вами, всё будет хорошо. К моменту, как вы прочитаете этот материал, вы будете знать всё про пиксели, воксели и всё, что находится между ними. Расслабьтесь, заварите чаю.

Начнём с основ, иначе вы не сможете понять общей картины. Есть два основных способа представления компьютерной графики: векторный и растровый.

Векторная графика описывает изображение с помощью математических формул, обычно с помощью таких вещей как прямые, кривые и различные геометрические формы.

Растровая графика представляет изображение как массив цветных точек, расположенных друг за другом по сетке.

Второе различие — способ представления компьютерной графики в двумерном и трёхмерном пространстве. Если разделить их, а заодно векторную и растровую графику, то мы получим такую таблицу:

В двумерной векторной графике каждая точка на линии или фигуре описывается вектором с двумя составляющими (x и y). В общем, именно поэтому двумерная графика так и называется.

А вот пример низкополигонального двухмерного векторного изображения.

Оно построено исключительно из двумерных полигонов (в данном случае — треугольников). Изображение называется низкополигональным из-за сравнительно небольшого числа составных элементов. Именно поэтому треугольники легко заметны.

Добавим ещё одно измерение. В трёхмерной векторной графике всё работает так же, но добавляется ещё одна компонента — z. Три компоненты — три измерения.

Разница между двумерным изображением Улуру и трёхмерной моделью гоночного трека в том, что на трек мы можем посмотреть под любым углом.

Чтобы отобразить трек на вашем экране (то есть на двумерной поверхности), мы выбрали несколько углов и отобразили трёхмерную геометрию на плоском изображении.

Так и получается двумерное изображение.

Но есть одна хитрость, позволяющая показать трёхмерную геометрию в 2D. Просто измените угол угол обзора или повращайте объект.

Да, действительно, перед нами трёхмерный объект. И даже очки не нужны!

Так, немного разогрелись. Теперь разберёмся с тем, как растровая графика работает в 3D и 2D.

Растровое двумерное изображение представляется массивом с определённым количеством столбцов и строк.

Каждая клетка в таком массиве называется пикселем (от слов picture element — pixel). Помимо его координат в массиве пиксель определяется цветом.

Мы уже узнали, что низкополигональное векторное изображение состоит из заметных полигонов. Если мы сделаем то же самое с растровой графикой и заметными пикселями, то получим пиксель-арт.

На двумерной пиксельной сетке можно изобразить трёхмерные объекты вроде автомобиля Lotus Esprit или X-Wing из «Звездных войн», но для изображения они не трёхмерны. Их нельзя покрутить и рассмотреть с разных сторон, как гоночный трек или машинку. Точно так же мы не можем вертеть рисунок Улуру — изображение состоит из полигонов, но они располагаются не в трёхмерном пространстве, а в двумерном.

Итак, мы поговорили о двумерной и трехмерной векторной графике и 2D-растровой графике. Не хватает только 3D-растровой графики.

В трёхмерной растровой графике всё пространство разделено на колонки и строчки по всем трём направлениям (высота, ширина и глубина). В результате трёхмерное пространство становится набором разноцветных кубов-вокселей (volume element — voxel, элемент объёма). Каждый воксель определяется цветом и расположением.

Мы уже знаем, как выглядит пиксель-арт. Воксель-арт выглядит похожим образом.

Похоже на LEGO, не правда ли?

Так как теперь мы смотрим на трёхмерное изображение, сцену можно рассмотреть с разных сторон. Вот так выглядит воксельный Татуин под другим углом:

Можно даже делать анимации. Вот это, например, анимированный воксельный персонаж от Sir Carma:

Сравните его с двумерным пиксельным персонажем:

То есть в воксельном изображении анимация изменяет цвет (или расположение) определённых маленьких кубов, а в пиксельном — меняется цвет квадратов-пикселей.

Теперь вам известна разница между пикселями и вокселями (и много чего ещё… прошу прощения).

Но давайте пойдём ещё дальше. Не время останавливаться. Я рассказал это всё потому, что на современных мониторах любая графика в конечном итоге отображается на двумерной растровой сетке.

Для нас это интересно потому, что люди, увлекающиеся пиксель-артом, создают его с помощью всех возможных видов графики.

«Я что, могу превращать воксели и трёхмерные модели в пиксель-арт?» — спросите вы. Именно так. С помощью особых техник рендеринга и шейдинга можно создавать совершенно уникальный пиксель-арт.

Схема наверху отображает не совсем полную картину. Двумерное векторное изображение можно отображать и сразу, без преобразований. Но всё не так просто.

Двумерное векторное изображение может отображаться напрямую только на векторном мониторе. Они, например, использовались на некоторых аркадных автоматах Atari.

Вот как оно бы выглядело на осциллографе.

Похожим образом иногда отображается трёхмерное векторное изображение.

Как я уже говорил, сначала трёхмерное изображение нужно отобразить на плоскости. Так получается двумерное векторное изображение, которое можно вывести на векторный монитор.

Настоятельно рекомендую глянуть трейлер аркадной игры VEC9:

В наши дни вы вряд ли найдёте векторный монитор где-нибудь за пределами музея. Люди используют мониторы, на которых отрисовываются… пиксели!

Современные ЖК-дисплеи окрашивают каждый отдельный пиксель в определённый цвет, включая или выключая маленькие красные, зелёные и синие жидкие кристаллы на каждую клетку. Если что, в старых ЭЛТ-мониторах работал похожий механизм: на каждый пиксель три разноцветных трубки зажигались под воздействием луча электронов.

Итак, что же мы делаем, если нам надо отобразить векторное изображение на растровом мониторе? Для этого используется техника растрирования. Каждый полигон (чаще всего треугольник) отображается на массив пикселей.

Трёхмерная графика прорисовывается на плоском мониторе так: сначала трёхмерные треугольники отображаются на плоскость и становятся двумерными полигонами, а затем полигоны растрируются и становятся набором пикселей.

Но что насчёт вокселей? Сегодня они чаще всего представляются как трёхмерные векторные кубы. Мы создаём трёхмерную модель с треугольниками по каждой стороне воксельного куба.

Так же, как и в прошлый раз, трёхмерные треугольники затем отображаются на плоское пространство, после чего растрируются в двумерное изображение.

Сегодня практически весь воксельный арт создаётся таким образом, чаще всего с помощью бесплатной программы MagicaVoxel.

Есть ещё один подход. Каждый воксель можно представить как точку в трёхмерном пространстве, то есть как кусочек объёма. Можно отрисовать воксель на плоском пространстве, если расположить пиксель в том же месте. Или наоборот: взять пиксель с экрана и отыскать в пространстве воксель, находящийся на том же месте.

Обратный подход называется ray casting («бросание лучей»). Луч направляется прямо в трёхмерное пространство, и летит, пока не наткнётся на воксель. На практике в пространство «бросается» столько лучей, сколько надо, чтобы покрыть все необходимые точки.

Впервые эта техника была использована в игре Wolfenstein 3D. В ней комнаты целиком состояли из вокселей. Рендеринг работал довольно быстро, потому что один луч отображал целую колонку пикселей на экране. Результат, по сути, получался двумерным, поэтому такую 3D-графику иногда называют 2.5D (потому что третье измерение вроде как не настоящее).

Сейчас Wolfenstein обычно не называют воксельной игрой, но именно она дала толчок к развитию воксельных движков девяностых.

Поначалу воксели использовались только для создания локаций. Из-за нехватки ресурсов разработчики не могли хранить информацию о каждой клетке пространства, но могли записывать высоту расположения вокселей на плоской карте (также известной как карта высот).

Так как вся информация о вокселях могла содержаться только в картах высот, то игры не могли создавать нависающие над игроком скалы. Но, господи, насколько же детализированными получались локации!

Ray casting был не единственной технологией воксельного рендеринга в девяностых. Существовали и другие. Каждая с собственными сильными сторонами: разрушаемое окружение, поддержка обработки моделей машин и персонажей и так далее. Это было что-то невероятное! Но, что иронично, именно такое разнообразие в итоге и привело к закату технологии.

В 2000 году началась эпоха графических карт или графических процессоров. Специальные встроенные в компьютер устройства, которые сейчас называются GPU, отлично справлялись с обработкой 3D-полигонов. Они делали это очень быстро, но больше ничего не умели. К несчастью, различные алгоритмы рендеринга вокселей (включая ray casting) остались за бортом.

Воксельные движки переехали на центральный процессор, но и у него хватало собственных проблем. Процессор думал о таких важных вещах, как физика, геймплей и игровой ИИ. Графические карты создавались для того, чтобы «переселить» рендеринг на отдельную микросхему. В результате рендеринг значительно ускорился, а у процессора освободились ресурсы на выполнение других задач. Воксельные движки не смогли угнаться за полигональной графикой. Так они и умерли.

С тех пор прошло 10 лет, и вдруг воксели вернулись. Помощь пришла с неожиданной стороны. Появилась игра, которая нашла к вокселям совершенно новый подход. Воксель – это куб, верно? И теперь эти кубы уже могли спокойно обрабатываться видеокартой. А дальше вы и сами всё знаете.

Давайте вспомним всё, о чём я рассказал, и попытаемся ответить на вопрос, с которого всё началось. Что же такое пиксели и что такое воксели?

Пиксель — мельчайший элемент двумерного пространства, разделённого дискретно на множество равных частей.

Каждый пиксель определяется вектором с двумя целыми числами X и Y. Именно поэтому пиксельное пространство дискретно, в то время как в векторной графике координаты определяются вещественными числами.

Соответственно, воксель — мельчайший элемент трёхмерного дискретного пространства, где все элементы имеют одинаковый размер.

Ну что, на этом всё? А вот и нет!

Как видите, определение довольно общее, а потому пиксели и воксели могут быть очень разными. Давайте попробуем соединить все четыре элемента таблицы вместе: растровое/векторное, а также 2D/3D.

Виртуальная консоль PICO-8 — один из немногих современных движков, работающих на блиттинге, но в прошлом двумерная графика не могла отображаться иначе.

Сейчас большинство графических движков работает с векторами, потому что видеокарты заточены именно под них. В таких условиях, чтобы отобразить изображение на плоском экране, его нужно нанести на полигон с помощью карты текстур.

Текстуры — двумерные растровые изображения, размещённые на трёхмерном полигоне.

Если не вдаваться в подробности, то именно так и работает трёхмерная графика.

Вот, например, как выглядит высокополигональная 3D-модель без текстуры и с текстурой высокого разрешения:

Благодаря шейдингу и картам текстур нам даже не нужно слишком много полигонов, чтобы получить приятно выглядящего персонажа.

Вот низкополигональная трёхмерная модель с качественной текстурой:

А если взять текстуру с низким разрешением, то получится приятная на вид низкополигональная модель с текстурами в стиле пиксель-арт:

Снова можно вспомнить Minecraft. Её блоки — воксели по определению (мельчайшие дискретные элементы игры), и по сторонам они покрыты пиксельными текстурами. Однако, обратите внимание, что не все блоки в игре — простые кубы.

Итак, мы разобрали все примеры для трёхмерных моделей (как мне кажется, высокополигональные модели с текстурами низкого разрешения не особо кому-то нужны, но можете меня поправить, если я вдруг ошибаюсь).

А теперь разберёмся с 2D. Если натянуть текстуру на плоский прямоугольник, мы получим современную 2D-графику. На современном железе каждое 2D-изображение (чаще всего в данном контексте мы называем его спрайтом) отображается на прямоугольнике, состоящем из двух треугольников. Два треугольника (их пара называется квадом) рендерятся с натянутым на них спрайтом. И так изображение оказывается на своём месте.

С изображениями высокого разрешения всё понятно.

Но вот с текстурами в стиле пиксель-арта всё становится немного сложнее. Всё зависит от разрешения экрана, на котором отображаются спрайты.

Мы уже знаем, что пиксельные текстуры без проблем наносятся на трёхмерные низкополигональные модели даже на экранах с большим разрешением. Снова подумайте о Minecraft. Ведь низкополигональные кубы всё равно рендерятся на дисплеях с разрешением 1920×1080.

То же самое можно сделать и с полигонами на плоскости. Возможно взять пиксель-арт, нацепить его на 2D-квад и отреднерить результат на мониторе с высоким разрешением. Тогда каждый пиксель на исходном изображении окрасит несколько пикселей на дисплее в определённый цвет.

Это называется пиксель-артом с большими пикселями. Каждый пиксель на спрайте увеличивается в размерах и становится большим квадратом на изображении.

Если спрайт вдруг наклоняется или поворачивается, то сразу становится заметно, что квадраты на экране состоят из нескольких пикселей:

Посмотрите на листву на этом изображении и сравните с вращающимся спрайтом при низком разрешении:

Обратите внимание, что пиксели на колесе остаются на одной линии и горизонтально, и вертикально, а на гифке из Path to the Sky большие пиксели на листве, птице и мосту заметно искажаются при движении.

Чтобы достичь этого, Kingdom полностью рендерится при низком разрешении и растягивает пиксели только на итоговом изображении. В то же время Path to the Sky, Hotline Miami и Moonman рендерят спрайты на монитор напрямую.

Kingdom — двумерная игра, но такой же подход можно применить и в трёх измерениях.

Если нацепить пиксель-арт текстуры на трёхмерные модели и отрендерить их при низком разрешении, получится что-то такое:

С тенями всё нормально. Хотя на первый взгляд кажется, что перед вами пиксель-арт, на самом деле это полноценная 3D-сцена в низком разрешении с пиксельными текстурами.

Анимации, основанные на векторах (со скелетным ригом), могут использовать пиксельный стиль себе на пользу:

И если запустить рендер на низком разрешении, то анимация ещё сильнее начнёт напоминать пиксель-арт, почти как в случае с Kingdom.

Может быть, эта анимация и не кажется слишком качественной, но у неё есть свой стиль. Почти как в старых добрых играх девяностых.

А теперь снова поговорим о высоком разрешении. Существует игра, которая по полной использует свою трёхмерную природу, сохраняя двухмерный стиль. Это The Last Night от студии Odd Tales.

Их модели нарисованы в 2D, но наложены на трёхмерный мир со всеми современными графическими эффектами: динамическим освещением, bloom, depth of field, кинематографичными ракурсами камеры, отражениями и так далее.

Таким образом, разработчики создали трёхмерный мир, на который можно посмотреть с разных углов.

А вот ещё один пример качественного динамического 3D-освещения. Невероятно атмосферная игра с печальной судьбой — Confederate Express:

Все модели отрисованы в 2D, но каждый объект хранит данные по шейдингу для света, идущего с любого угла. Свет обрабатывается модулем Sprite Lamp, и благодаря ему кажется, что лучи попадают на трёхмерные объекты.

Проблема в том, что с таким подходом мы получаем только шейдинг для спрайтов, но тени всё равно не отобразятся корректно без трёхмерной геометрии объекта. А что может дать нам трёхмерную геометрию? Правильно. Воксели!

Отличным примером такого подхода является недавно анонсированная игра Pathway:

Кажется, словно графика состоит исключительно из плоских спрайтов, но на самом деле модельки в игре полностью объёмные. Разработчики девяностых пытались сделать свою графику максимально реалистичной и современной. Но разработчики из студии Robotality не собираются заходить так далеко, им достаточно, чтобы воксель на экране соответствовал размеру пикселя на мониторе. В результате графика выглядит как очень приятный для глаза пиксель-арт, но у движка есть вся необходимая ему 3D-информация.

В подходе к отображению вокселей в стиле пиксель-арта нет ничего инновационного. Впервые такая технология была использована в игре FEZ. Авторы называли кубики, из которых состояла игра, трикселями (3D-пикселями). Триксель — это куб со сторонами в 16 вокселей.

В каждый отдельный момент времени игрок видит FEZ только с одного угла, и поэтому ему кажется, что он видит мир в 2D. Именно поэтому FEZ выглядит как пиксель-арт, но мир всё равно может вращаться.

Источник