Voxel

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Gráficos de jogos eletrônicos
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Na computação gráfica, o voxel (aglutinação de "volume" e "pixel") representa um valor em um gride em um espaço tridimensional. Como os pixels em uma imagem bitmap, os voxels em si não possuem normalmente posições/coordenadas explicitamente codificadas junto aos seus valores. Normalmente, a posição de um voxel é deduzida com base em sua posição com relação a outros voxels (ex.: sua posição nos dados da estrutura que gera uma única imagem volumétrica).

Em contraste com pixels e voxels, pontos e polígonos são muitas vezes representados explicitamente pelas coordenadas dos seus vértices. Uma consequência direta dessa diferença é que os polígonos são capazes de representar eficientemente estruturas com muitos espaços vazios ou cheios, desde que sejam homogêneos. Enquanto que os voxels são bons em representarem regularmente amostras de espaços que não são preenchidos regularmente.

Voxels são frequentemente usados na análise de dados e na visualização de dados médicos e científicos. Alguns monitores volumétricos usam esta representação de valor para descreverem suas resoluções. Por exemplo, um monitor pode ser capaz de mostrar 512x512x512 voxels. Um outro uso é na área de computação gráfica, nos quais os voxels são pequenos cubos que preenchem o objeto para simulações físicas e animações de Motion Graphics.

Na área de jogos digitais, o voxel é uma técnica gráfica e método de renderização de jogo 3D, baseada em blocos voxel (pixel volumétrico). Onde cada bloco possui atributos como; cor, textura, densidade e, opacidade.

Etimologia

O termo voxel é um aglutinação (neologismo) resultado da mistura dos termos "volume" e "pixel"; onde pixel também é uma aglutinação, na língua inglesa, dos termos "picture" e "element", que representa o "elemento da imagem".

Renderização

Um volume definido por voxels pode ser visualizado tanto pela renderização direta do volume ou pela extração de polígonos de isosuperfície, que segue o contorno determinado de valores limites. O algoritmo Marching Cubes é muitas vezes utilizado para a extração de isosuperfícies, embora também existam outros métodos.

Ambos ray tracing e ray casting, bem como a rasterização, são métodos que podem ser aplicados para voxel para obter gráficos 2d em um monitor.

Outra técnica de voxel envolve dados Raster, onde é utilizado o método ray tracing para desenhar cada pixel da tela na cena.

Características

Um voxel representa uma única amostra, ou dado pontual, em um gride regular tridimensional. Este dado pontual pode consistir em um único aspecto da informação, tal como á opacidade, ou múltiplas, tais como cor, além da opacidade. Um voxel representa apenas um único ponto nesse gride, não um volume; o espaço entre cada ponto não é representado no conjunto de dados baseado em voxels. Dependendo do tipo de dado e a intenção do seu uso, essa informação faltante pode ser reconstruída e/ou aproximada por interpolação, por exemplo.

O valor de um voxel pode representar várias propriedades. Em escaners de Tomografia Computadorizada, os valores são as unidades Hounsfield, dando a opacidade do material para os Raio-X. Diferentes tipos de valores são obtidos de Imagem por Ressonância Magnética ou ultrassom .

Voxels podem conter múltiplos valores escalares, essencialmente dados em vetor (tensor)/no caso de ultrassom escaneamentos com modo-B e dados Doppler, densidade, etaxa de vazão volumétrica como canais separados de dados relacionados às mesmas posições de voxel.

Enquanto voxels provém o benefício da precisão e profundidade da realidade, eles são normalmente conjuntos volumosos de dados e são pesados para administrar em computadores comuns. Não obstante, através de uma compressão eficiente e manipulação de grandes arquivos, visualizações interativas podem ser disponibilizadas para hardwares mais acessíveis do mercado.

Outros valores podem ser úteis para renderização 3D imediata, tal como vetores normais e cor.

Jogos

Na área de desenvolvimento de jogos digitais, o voxel (pixel art ou low poly) é método de renderização que competiu com o polígono 3D, ele representa elementos 3D do jogo na forma de blocos (ou pixel volumétrico). Onde cada bloco é um um dado pontual chamado voxel, que possui atributos como; cor, textura, densidade e, opacidade; semelhante ao pixel que armazena a cor na forma 2D. Estilo presente nos jogos estilizados e com temática retrô como: Minecraft, Trove, Cube World, Hytale, Crossy Road, 3D Dot Heroes, Shadow Warrior e, Command & Conquer: Tiberian Sun. O design voxel troca os detalhes minuciosos (fotorealismo da modelagem 3D e textura de alta resolução) por abstração, com silhuetas marcantes e coerência visual em escala pequena e, simplifica a modelagem 3D usando cubos, ao invés de malhas poligonais complexas.

Também existe a variação, o Greeble Voxel, e um estilo de design voxel que usa as regras da curvatura natural, sem as regras da arte vetorial. Embora mais desafiador quanto a renderização técnica e um bom estilo para representar objetos realistas, mas cuidado, a maioria das engines não são projetadas para trabalhar com voxel podendo gerar grande quantidade de polígonos.

Este design permite o uso das tecnicas: SSAO (Screen Space Ambient Occlusion, do inglês Oclusão de Ambiente do Espaço de Tela), que enfatiza o aspecto irregular e detalhado dos voxels em alta resolução usando cores simples para simular sombras suaves e realistas nos cantos e locais de junçao dos blocos (sem sombreamento manual do pixel art) e, PBR (Physically Based Rendering, do inglês Renderização Baseada em Física) que aprimora a renderização com efeitos de simulação realística de interação da luz com os objetos. Frequentemente resultando em uma atmosfera rústica, mas que permite usar um visual cartunesco.

Minecraft

Vox

Space Engineers

Bloomsc

Referências