Voxel: Esplorare le profondità della visione artificiale con la tecnologia Voxel

Di Fouad Sabry

Cos'è Voxel

Nella computer grafica 3D, un voxel rappresenta un valore su una griglia regolare nello spazio tridimensionale. Come con i pixel in una bitmap 2D, i voxel stessi in genere non hanno la loro posizione codificata esplicitamente con i loro valori. Invece, i sistemi di rendering deducono la posizione di un voxel in base alla sua posizione rispetto ad altri voxel.

Come trarrai beneficio

(I) Approfondimenti e convalide sui seguenti argomenti:

Capitolo 1: Voxel

Capitolo 2: Mappatura delle texture

Capitolo 3: Colata del raggio

Capitolo 4: Visualizzazione scientifica

Capitolo 5: Rendering del volume

Capitolo 6: Motore per sparatutto in prima persona

Capitolo 7: Visualizzazione volumetrica

Capitolo 8: CryEngine

Capitolo 9: Rendering del software

Capitolo 10: Illuminazione per pixel

(II) Rispondere alle principali domande del pubblico su voxel.

(III) Esempi reali dell'utilizzo del voxel in molti campi.

A chi è rivolto questo libro

Professionisti, studenti universitari e laureati, appassionati, hobbisti e coloro che vogliono andare oltre le conoscenze o le informazioni di base per qualsiasi tipo di Voxel.

• Lingua: Italiano
• Editore: Un Miliardo Di Ben Informato [Italian]
• Data di uscita: 13 mag 2024

Anteprima del libro

Capitolo 1: Voxel

Un voxel rappresenta un valore su una griglia regolare nello spazio tridimensionale nella computer grafica 3D. Analogamente ai pixel in una bitmap 2D, i voxel normalmente non hanno la loro posizione (cioè le coordinate) registrate con i loro valori. Invece, i sistemi di rendering determinano la posizione di un voxel in base alla sua posizione rispetto ad altri voxel (cioè, la sua posizione nella struttura dati che costituisce una singola immagine volumetrica).

A differenza dei pixel e dei voxel, i poligoni sono spesso rappresentati in modo esplicito dalle coordinate dei loro vertici (come punti). Come risultato diretto di questa distinzione, i poligoni possono rappresentare efficacemente semplici strutture 3D con una grande quantità di spazio vuoto o riempito in modo omogeneo, ma i voxel eccellono nel descrivere spazi campionati regolarmente che non sono riempiti in modo omogeneo.

Nella visualizzazione e nell'interpretazione di dati medici e scientifici (ad esempio, scansioni MRI), i voxel sono spesso impiegati.

GIS (sistemi informativi geografici).

Alcuni display volumetrici caratterizzano la loro risoluzione utilizzando voxel.

Ad esempio, un display volumetrico cubico potrebbe essere in grado di mostrare 512×512×512 (o circa 134 milioni) voxel.

Voxel è un'immagine di una regione spaziale tridimensionale limitata da date dimensioni, con le proprie coordinate nodali in un sistema di coordinate accettato, la propria forma, il proprio parametro di stato che indica la sua appartenenza a qualche oggetto modellato e le proprietà della regione modellata, è una delle definizioni. Questa definizione offre il seguente vantaggio. Se una forma voxel fissa viene utilizzata in tutto il modello, è considerevolmente più semplice interagire con i punti nodali voxel, cioè le tre coordinate del punto. Tuttavia, esiste il tipo di record più semplice: gli indici degli elementi del set di modelli, spesso noti come coordinate intere. In questo caso, gli elementi dell'insieme di modelli sono parametri di stato, che denotano i voxel relativi all'oggetto modellato o ai suoi pezzi costitutivi, incluse le relative superfici.

L'etimologia della parola voxel è simile a quella di pixel, con vo che indica volume (invece di image per pixel) ed el che rappresenta elemento.; Un volume descritto dal voxel può essere visualizzato sia attraverso il rendering diretto del volume che attraverso l'estrazione di isosuperfici poligonali che seguono i contorni dei valori di soglia impostati. L'algoritmo marching cubes è spesso usato per l'estrazione di isosuperfici, sebbene esistano anche tecniche aggiuntive.

I dati Voxel possono essere elaborati tramite ray tracing, ray casting e rasterizzazione per generare grafica raster 2D da visualizzare su un monitor.

Utilizzando la grafica raster, è sufficiente tracciare ogni pixel del display nella scena tenendo traccia di un termine di errore per determinare quando eseguire il passo. Utilizzando un buffer y, un'implementazione tipica traccerà ogni pixel del display a partire dalla parte inferiore dello schermo. Quando sul display viene rilevato un voxel con un valore y più alto, viene aggiunto al buffer y, sostituendo il vecchio valore, e interpolato con il valore y precedente per determinare i valori di colore. C'è uno svantaggio significativo nella rasterizzazione dei voxel quando vengono utilizzate le trasformazioni, in quanto ciò si traduce in un grave aliasing. Il vantaggio era la possibilità di eseguire la rasterizzazione utilizzando calcoli interi economici su una CPU senza accelerazione hardware. Carmack ha menzionato la scarsità di schede grafiche sviluppate espressamente per questo tipo di rendering, rendendo necessario il rendering del software come uno di questi problemi.

Inoltre, Comanche è stata la prima simulazione di volo commerciale ad utilizzare la tecnologia voxel. Kyle Freeman ha creato il motore proprietario Voxel Space utilizzato da NovaLogic.

Rendering 3D di una scansione μCT di un pezzo di foglia, risoluzione di circa 40 μm/voxel se visualizzato a grandezza naturale

Una rappresentazione (smussata) del set di dati voxel di una macromolecola.

Un voxel rappresenta un singolo campione o punto dati su una griglia tridimensionale con spaziatura uniforme. Questo punto dati può contenere un singolo elemento di dati, ad esempio l'opacità, o più parti di dati, ad esempio sia l'opacità che il colore. Lo spazio tra i voxel non è rappresentato in un set di dati basato su voxel. A seconda del tipo di dati e dell'applicazione prevista del set di dati, queste informazioni mancanti possono essere ricostruite e/o approssimate, ad esempio utilizzando l'interpolazione.

Il valore di un voxel può rappresentare varie proprietà. Nelle scansioni TC, i valori sono unità di Hounsfield, che danno l'opacità del materiale ai raggi X.: 29 Diversi tipi di valore vengono acquisiti dalla risonanza magnetica o dall'ecografia.

Nel caso di ecografie che utilizzano dati B-mode e Doppler, la densità e la portata volumetrica sono raccolte come canali indipendenti di dati corrispondenti alle stesse coordinate voxel.

Nonostante il fatto che i voxel forniscano precisione e profondità di realismo, sono spesso enormi set di dati difficili da gestire data la larghezza di banda dei processori convenzionali. Tuttavia, attraverso un'efficiente compressione e manipolazione dei file di big data, i computer del mercato consumer possono supportare la visualizzazione interattiva.

Altri dati, come un vettore normale alla superficie e un colore, possono essere utili per un rendering 3D rapido.

Sono in fase di ricerca tecnologie per estendere i voxel nella quarta e quinta dimensione dei dati.

Esempi di applicazioni voxel comuni includono l'imaging volumetrico in medicina e la modellazione del paesaggio nei giochi e nelle simulazioni. Il terreno voxel viene utilizzato piuttosto che una mappa di altezza a causa della sua capacità di ritrarre strapiombi, grotte e altre caratteristiche del terreno 3D. Queste caratteristiche concave non possono essere rappresentate in una mappa di altezza a causa del fatto che viene registrato solo lo strato superiore di dati, lasciando tutto ciò che si trova al di sotto di esso non rappresentato (il volume che altrimenti sarebbe l'interno delle grotte, o la parte inferiore di archi o sporgenze).

3D Dot Game Heroes presenta una grafica voxel dall'aspetto retrò.

La Fun Pimps Entertainment ha prodotto 7 Days to Die, un gioco survival horror open-world basato su voxel.

Ace of Spades originariamente utilizzava il motore Voxlap di Ken Silverman prima di essere riscritto con un motore OpenGL personalizzato.

Amok crea i suoi ambienti utilizzando i voxel.

Il videogioco Armored Fist 3 è stato sviluppato da Novalogic utilizzando la tecnologia di rendering basata su voxel.

Blade Runner è un videogioco i cui personaggi e artefatti sono stati renderizzati utilizzando i voxel.

Il gioco di strategia in tempo reale in fase di sviluppo Castle Story ha una topografia composta da voxel levigati.

La serie di giochi per computer Comanche di NovaLogic utilizza la rasterizzazione voxel Voxel Space per il rendering del terreno.

La maggior parte dei veicoli nei giochi per computer Command & Conquer: Tiberian Sun, Command & Conquer: Red Alert 2 e Command & Conquer: Yuri's Revenge sono stati renderizzati utilizzando i voxel di Westwood Studios.

I sistemi paesaggistici di Crysis, Cryengine 2 e Cryengine 3 utilizzano una combinazione di mappe di altezza e voxel.

Il gioco di ruolo d'azione Cube World include paesaggi voxel generati proceduralmente.

Delta Force è un gioco per computer sviluppato da Novalogic utilizzando il suo motore di rendering proprietario Voxel Space.

Dual World è un gioco di ruolo online multigiocatore di massa ambientato in un universo a singolo frammento che impiega voxel per costruire astronavi, civiltà e stazioni spaziali.

I MMORPG di Sony Online Entertainment, EverQuest Next e EverQuest Next: Landmark, hanno fatto un uso massiccio dei voxel per lo sviluppo del mondo e dei contenuti generati dai giocatori.

Hexplore è un gioco di ruolo multiplayer che impiega un motore voxel che consente all'utente di ruotare il campo di gioco disegnato isometricamente.

Hytale è