Что такое voxel в 3D печати

Когда речь заходит о 3D печати, большинство сразу думает о слоях пластика или фотополимера, которые постепенно складываются в готовую деталь. Но есть еще один термин, без которого сложно понять, как компьютер видит объемные объекты – это voxel. Если просто объяснить, то voxel можно представить как маленький куб в виртуальном пространстве, из которого состоит вся модель. Чем меньше и плотнее эти кубики, тем детальнее и точнее будет результат. Это немного похоже на пиксели на экране, только не в плоскости, а в трехмерном пространстве.

История и происхождение термина

Слово «voxel» образовано от английского volumetric pixel, то есть «объемный пиксель». Логика названия довольно проста: если пиксель отвечает за самый маленький элемент картинки на экране, то voxel – это такой же элемент, но уже в трех измерениях. Он занимает не площадь, а маленький кусочек пространства.

Первые сферы, где появился этот термин

• Медицина (томография) − каждый voxel отображал часть ткани или органа
• Научная визуализация − кубики складывались в трехмерное изображение, которое можно было исследовать изнутри
• Компьютерная графика − voxels стали способом описания трехмерных объектов в цифровой среде

Почему это было важно:

• Врачи впервые получили возможность видеть не только поверхность, но и внутреннюю структуру организма
• В графике появилась альтернатива полигонам, где каждый voxel мог сохранять собственные характеристики
• Модели стали более информативными и точными

Когда 3D-печать начала активно развиваться, термин «voxel» постепенно вошел и сюда. Теперь он означает не просто элемент изображения, а:

• Строительный блок в цифровой модели
• Носитель свойств конкретного участка изделия
• Инструмент для создания сложных и функциональных объектов

Таким образом, понятие, первоначально применявшееся в медицине и визуализации, со временем стало практическим инструментом для производства.

Что такое Voxel и как он работает

Voxel можно представить как маленький кубик в виртуальном пространстве. Это не точка на экране, как пиксель, а настоящий «кусочек объема». Когда мы смотрим на модель, она состоит из миллионов таких крошечных кубов. Каждый из них занимает свою позицию в пространстве и содержит информацию. И вот именно эта информация делает его особенным.

Представьте, что вы создаете цифровую модель яблока. В пикселях мы видим только шкурку, красивую поверхность с цветом. А вот в вокселях внутри будут и мякоть, и косточки, и даже полости с воздухом. То есть мы не просто рисуем оболочку – мы воспроизводим предмет изнутри. И это, собственно, главное отличие.

Сохраняющий voxel

Voxel может нести гораздо больше, чем просто координаты. В нем может быть закодирован материал – например, пластик, металл или смола. Он может иметь свою плотность, жесткость, цвет, прозрачность. В сложных моделях добавляют еще и другие параметры, например, как именно этот участок должен вести себя под нагрузкой. В результате каждый кубик несет частицу «характера» изделия.

Мне нравится думать о voxels как о микроскопических «паспортах» частиц модели. Каждый отдельно как мелочь, но вместе они составляют целый предмет, который уже можно взять в руки.

Voxels в 3D-печати

В сфере 3D-печати это имеет огромный смысл. Когда принтер работает только слоями, мы можем контролировать внешний вид детали, но не внутреннее ее наполнение. А voxels позволяют заложить свойства внутрь. Например, сделать жесткую наружную оболочку и легкое сердцевину. Или задать делоку из прозрачного материала рядом с цветной.

Благодаря этому появляется свобода, которой раньше просто не было. Можно напечатать протез с частями разной жесткости, чтобы он был и прочен, и удобен. Или техническую деталь, сочетающую в себе легкость и прочность в нужных местах. По сути, voxels превращают печать из простого «слоения» в создание полноценных складных конструкций.

Voxels в науке и симуляциях

Это не только о печати. В научных задачах voxels используются для симуляций. К примеру, когда ученые моделируют падение метеорита. Каждый voxel может хранить данные о температуре, плотности или давлении в определенной точке. И компьютер считает, как это все меняется при ударе. Без такого подхода просто невозможно было бы воспроизвести сложные физические явления.

В кино и графике voxels помогают создавать эффекты, которые выглядят живыми: дым, пламя, вода. В полигональной модели они выглядят как «шарик», а в воксельной – как объем. Это то, что дает зрителю чувство глубины и реальности.

Простыми словами

Если попытаться объяснить максимально просто, voxels – это кубики, из которых состоит цифровой мир. Они описывают не только форму предмета, но и его внутренние свойства. Благодаря им модель становится гораздо более близкой к реальности. И именно поэтому воксельный подход сегодня так важен – от медицины до производства, от игр до космических симуляций.

Разница между voxel и пикселем

Чтобы понять, что такое voxel, удобно начать с пикселей. Пиксель – это маленькая точка на экране, которая имеет координаты по горизонтали и вертикали. Из миллионов таких точек состоит любое цифровое изображение. Но пиксель всегда «плоский», он существует только в двух измерениях.

Voxel можно назвать его трехмерным «родственником». У него есть не только высота и ширина, но и глубина. То есть, каждый voxel занимает кусочек пространства в 3D-модели. Если сложить их вместе, образуется не просто картинка, а полноценный объемный объект.

Главная разница в том, что:

• Пиксель описывает точку на плоскости, voxel описывает кубический участок пространства
• Пиксели формируют только поверхность изображения, voxels могут показывать внутреннюю структуру
• У пикселя есть цвет и положение, у voxel − эти же параметры плюс дополнительные свойства (плотность, прозрачность и т.д.)

Можно провести простую аналогию. Представьте фотографию яблока на экране – это набор пикселей. Вы видите только внешний вид. А если сделать воксельную модель яблока, то у каждого маленького куба внутри тоже будет информация: что там мякоть, где косточки, где кожица. То есть voxel позволяет воспроизводить объект не только извне, но и изнутри.

Еще одно отличие заключается в детализации. Чем меньше и многочисленнее пиксели, тем четче фото. То же работает с voxels: чем мельче эти кубики, тем точнее и подробнее можно смоделировать 3D-объект. Именно поэтому в печати или моделировании часто говорят о «разрешении» – она определяет, насколько будет реалистично выглядеть результат.

Почему voxels важны для 3D-печати

В трехмерной печати часто думают только о форме изделия, но на самом деле не менее важно то, что происходит внутри. Voxels позволяют работать и с оболочкой, и с внутренним наполнением одновременно. Это открывает возможность создавать модели, где одна зона имеет высокую прочность, другая – большую гибкость, а другая – другой цвет или прозрачность. То есть мы получаем контроль не только над тем, как выглядит предмет, но и над тем, каким он будет на ощупь и как будет вести себя под нагрузкой.

Гибкость в проектировании

Voxel-модели легко редактировать. Если в процессе проекта оказалось, что стенка слишком тонкая или деталь должна выдерживать большую нагрузку, это можно быстро исправить на уровне модели. Не нужно перестраивать весь объект с нуля.

• Можно изменить толщину стен без полного редизайна
• Легко задать один участок более твердый, а другой — эластичный
• Внутреннюю структуру можно подстроить под конкретные условия эксплуатации

Различные свойства в одном изделии

Классические 3D-модели часто имеют одинаковые характеристики для всего объекта. Voxels позволяют сделать иначе – задать уникальные параметры для каждого участка.

• Материал:сочетание пластика, фотополимеров или других материалов
• Плотность: прочная оболочка с легким наполнением внутри
• Цвет:изменение оттенков в зависимости от части изделия
• Прозрачность:сочетание матовых и прозрачных элементов в одном предмете

Примеры применения

Этот подход уже используется в различных областях.

• Медицина: протезы или импланты, где одна зона более жесткая для поддержки, а другая более мягкая для удобства
• Машиностроение: детали с пониженным весом благодаря пустотам или легкому заполнению
• Архитектура: макеты с разными фактурами, которые лучше передают будущее здание
• Искусство: изделия с сочетанием цветов и форм без дополнительной сборки или покраски

Преимущества для производства

Работа из voxels изменяет сам подход к 3D-печати, делая его более точным и гибким.

• Отпадает необходимость в дополнительной сборке деталей после печати
• Изменения вносятся непосредственно в модель, а не в уже готовое изделие
• Подготовка и изготовление занимают меньше времени
• Результат лучше отвечает исходным требованиям и легче контролируется

Voxels в компьютерных играх и графике

Людям не всегда просто понять, что такое voxel в 3D-печати, но стоит вспомнить игры – и все становится на свои места. Возьмем Minecraft: вся игра построена из маленьких кубиков. Один блок – это трава, другой – камень, где-то вода или лава. У каждого из них есть свои свойства, и именно поэтому мир можно копать, ломать или перестраивать. Это и есть voxels, только в виртуальной форме. И здесь видна главная идея – мир состоит из независимых частей, которые можно менять отдельно.

В графике принцип тот же, но масштабы больше. Voxels применяют, когда нужно показать не только поверхность, но и внутренний объем. Так работают эффекты дыма, огня, жидкостей. Если делать их полигонами, картинка выходит плоской и напоминает нарисованную «шторку». А воксельная структура дает ощущение толщины: дым закручивается, вода имеет глубину, огонь живет. В результате спецэффекты выглядят не как компьютерная иллюстрация, а как нечто более реальное.

В компьютерных играх

• Minecraft − самый очевидный пример. Здесь voxels создают мир, который игрок может перестраивать как угодно. Каждый блок имеет предназначение: из камня строят, в воде можно плавать, лава вредит.
• Voxels дают возможность делать игровые среды динамическими. Мир реагирует на действия игрока: его можно разрушать, изменять или создавать с нуля.
• Такой подход хорошо работает в «песочницах» и симуляторах, где важна свобода и возможность экспериментировать с миром.

В компьютерной графике

• Voxels полезны для воспроизведения сложных явлений: дыма, огня, жидкостей, выбухов. Все, что имеет объем и постоянно меняется, проще описать через voxels.
• В отличие от полигональных моделей, показывающих только оболочку, воксельные эффекты выглядят более «плотными». Вода имеет толщу и прозрачность, дым выглядит тяжелым и настоящим, пламя меняет яркость в разных участках.
• В кино и анимации воксельные симуляции применяют для спецэффектов — от погодных явлений до масштабных взрывов. Благодаря этому сцены выглядят более правдоподобно и передают ощущение глубины, которого сложно добиться другими методами.

Как выглядит работа с voxel-моделью на практике

Процесс создания воксельной модели можно условно разделить на несколько шагов.

Базовая форма

• Создается «каркас» будущего изделия
• Определяются общие габариты и очертания
• Это стартовая точка, на которую затем накладываются свойства

Задание характеристик

• Каждый участок получает свой набор параметров
• В определенном месте можно сделать плотность выше
• Другие сегменты могут быть прозрачными или другого цвета
• Выходит нечто похожее на 3D-мозаику, где каждый кубик важен

Подготовка к печати

• Программное обеспечение «переводит» модель в язык для принтера
• Кубики превращаются в инструкции, которые определяют, как ляжет материал
• Именно здесь важно сохранить все свойства, заложенные в voxels

Печать изделия

• Принтер строит модель слой за слоем
• Voxels определяют, где изделие будет твердым, а где — более гибким
• Можно получить комбинацию свойств в одном предмете без составления из отдельных деталей

Результат

• Одна часть детали получается прочной и устойчивой
• Другая может быть более легкой или даже прозрачной
• Все это печатается одновременно, без дополнительных операций

Такой подход позволяет смотреть на 3D-печать не как на «набор слоев пластика», а как на конструктор, где контролируется каждый маленький кирпичик. И чем подробнее проработаны voxels, тем точнее и функциональнее будет результат.

Будущее voxel-технологий в 3D-печати

Voxel-модели еще не стали привычным стандартом, но именно это делает их интересными. Сейчас они используются в исследованиях и промышленных решениях, однако с развитием принтеров и материалов открываются новые возможности. И эти возможности могут изменить сам подход к 3D-печати.

Многоматериальная печать

Одна из главных идей состоит в том, чтобы в пределах одного изделия можно было совмещать несколько материалов. Voxels здесь работают как координаты, указывающие, где именно должен быть твердый пластик, где – гибкий полимер, а где – прозрачный участок. Такой контроль позволяет создавать предметы, сочетающие в себе разные свойства одновременно. Если смотреть на это с практической стороны, можно, например, распечатать деталь, котораяснаружи крепкая, но имеет мягкое внутреннее наполнение. В классическом производстве добиться такого результата гораздо сложнее.

Персонализованная медицина

Медицина всегда требовала точности, и здесь voxel-подход может дать огромный толчок. Имплант или протез можно не просто воспроизвести по форме, а настроить его внутреннюю структуру под конкретного человека. Например, сделать костную часть более плотной, чтобы она соответствовала натуральной, а мягкие сегменты более эластичны для удобства. Это уже не универсальное изделие «для всех», а решение, учитывающее индивидуальные особенности.

Новые функциональные свойства

Еще одно направление – создание объектов, объединяющих в себе ранее не сочетающиеся свойства. Можно представить предмет, часть которого прозрачна, а другая – матовая. Или изделие, где одна зона чрезвычайно крепкая, а другая – гибкая. Voxels делают подобные идеи возможными, потому что у каждого кубика модели может быть свой набор характеристик. Это открывает дорогу к совершенно новым продуктам, которые трудно реализовать традиционными методами.

Общее направление развития

Все это говорит о том, что voxel-технологии постепенно переходят из лабораторных условий в реальное производство. Чем точнее мы научимся управлять такими «кирпичиками», тем более сложные и интересные объекты сможем создавать. Есть ощущение, что со временем voxels станут не отдельной «фишкой», а привычной частью работы для отраслей, где требуется высокая точность и кастомизация.

Easy3Dprint и voxel в мире 3D-печати

В Easy3DPrint мы смотрим на 3D-печать шире, чем просто как на процесс создания детали слой за слоем. Для нас это всегда комбинация разных этапов: от моделирования и подбора материалов до обработки готовых изделий. Мы работаем с FDM, SLA, LCD-печатью, и это позволяет нам браться за различные проекты – от быстрого прототипа до сложного художественного объекта или технической детали. С годами мы превратились из небольшой мастерской в ​​полноценную лабораторию с десятками принтеров и производственными помещениями.

Когда мы говорим о voxels, то понимаем их как основу любой трехмерной модели. Это маленькие цифровые кубики, которые могут обладать собственными свойствами: материал, прозрачность, цвет или плотность. Мы привыкли смотреть на объекты не как сплошные оболочки, а как конструкции, состоящие из таких «кирпичиков». Это помогает нам объяснять клиентам, почему один участок можно сделать более устойчивым, другой – более легким, а другой – прозрачным или гибким. Такой подход позволяет мыслить поглубже и видеть модель не только снаружи, но и изнутри. И именно так мы подходим к работе каждый день.

Итог

Итак, если подытожить все сказанное, voxels − это не просто красивое слово из технических статей. Это способ смотреть на 3D-печать немного поглубже. Каждый маленький «кубик» несет в себе информацию и вместе создают объект, который можно взять в руки. Для кого-то это звучит отвлеченно, но когда видишь, как меняется структура изделия от настроек, начинаешь понимать практический смысл.

Сегодня voxels уже используют в медицине, на производстве, даже в искусстве или играх. Завтра они могут стать основой для вещей, которые мы еще не представляем. 3D-печать постепенно двигается именно в эту сторону – к более точному контролю, к настраиваемым изделиям под человека или задачу. И, честно говоря, интересно будет наблюдать, как эта технология раскроетсядалее.

FAQ