Що таке voxel у 3D друці

Коли мова заходить про 3D друк, більшість одразу думає про шари пластику чи фотополімеру, які поступово складаються в готову деталь. Але є ще один термін, без якого складно зрозуміти, як комп’ютер бачить об’ємні об’єкти, – це voxel. Якщо пояснити просто, то voxel можна уявити як маленький куб у віртуальному просторі, з якого складається вся модель. Чим менші та щільніші ці кубики, тим детальніший і точніший буде результат. Це трохи схоже на пікселі на екрані, тільки не в площині, а в тривимірному просторі.

Історія та походження терміна

Слово «voxel» утворене від англійського volumetric pixel, тобто «об’ємний піксель». Логіка назви доволі проста: якщо піксель відповідає за найменший елемент картинки на екрані, то voxel − це такий самий елемент, але вже у трьох вимірах. Він займає не площу, а маленький шматочок простору.

Перші сфери, де з’явився цей термін

• Медицина (томографія) − кожен voxel відображав частину тканини чи органу
• Наукова візуалізація − кубики складалися у тривимірне зображення, яке можна було досліджувати зсередини
• Комп’ютерна графіка − voxels стали способом опису тривимірних об’єктів у цифровому середовищі

Чому це було важливо:

• Лікарі вперше отримали можливість бачити не лише поверхню, а й внутрішню структуру організму
• У графіці з’явилась альтернатива полігонам, де кожен voxel міг зберігати власні характеристики
• Моделі стали інформативнішими й точнішими

Коли 3D-друк почав активно розвиватися, термін «voxel» поступово увійшов і сюди. Тепер він означає не просто елемент зображення, а:

• Будівельний блок у цифровій моделі
• Носій властивостей конкретної ділянки виробу
• Інструмент для створення складних і функціональних об’єктів

Таким чином, поняття, що спочатку застосовувалося в медицині та візуалізації, з часом стало практичним інструментом для виробництва.

Що таке Voxel і як він працює

Voxel можна уявити як маленький кубик у віртуальному просторі. Це не точка на екрані, як піксель, а справжній «шматочок об’єму». Коли ми дивимось на модель, вона складається з мільйонів таких крихітних кубів. Кожен з них займає свою позицію у просторі й тримає в собі інформацію. І от саме ця інформація робить його особливим.

Уявіть, що ви створюєте цифрову модель яблука. У пікселях ми бачимо тільки шкірку, гарну поверхню з кольором. А от у вокселях усередині будуть і м’якоть, і кісточки, і навіть порожнини з повітрям. Тобто ми не просто малюємо оболонку − ми відтворюємо предмет ізсередини. І це, власне, головна відмінність.

Що зберігає voxel

Voxel може нести значно більше, ніж просто координати. У ньому може бути закодований матеріал − наприклад, пластик, метал чи смола. Він може мати свою щільність, твердість, колір, прозорість. У складних моделях додають ще й інші параметри, наприклад, як саме ця ділянка має поводитися під навантаженням. У результаті кожен кубик несе частинку «характеру» виробу.

Мені подобається думати про voxels як про мікроскопічні «паспорти» частинок моделі. Кожен окремо наче дріб’язок, але разом вони складають цілий предмет, який уже можна взяти в руки.

Voxels у 3D-друці

У сфері 3D-друку це має величезний сенс. Коли принтер працює тільки шарами, ми можемо контролювати зовнішній вигляд деталі, але не її внутрішнє наповнення. А voxels дозволяють закласти властивості всередину. Наприклад, зробити жорстку зовнішню оболонку й легке серцевину. Або задати ділянку з прозорого матеріалу поруч із кольоровою.

Завдяки цьому з’являється свобода, якої раніше просто не було. Можна надрукувати протез із частинами різної твердості, щоб він був і міцний, і зручний. Або технічну деталь, яка поєднує в собі легкість і міцність у потрібних місцях. По суті, voxels перетворюють друк із простого «шарування» на створення повноцінних складних конструкцій.

Voxels у науці й симуляціях

Це не лише про друк. У наукових задачах voxels використовують для симуляцій. Наприклад, коли вчені моделюють падіння метеорита. Кожен voxel може зберігати дані про температуру, щільність або тиск у певній точці. І комп’ютер рахує, як усе це змінюється при ударі. Без такого підходу просто неможливо було б відтворити складні фізичні явища.

У кіно та графіці voxels допомагають створювати ефекти, які виглядають живими: дим, полум’я, вода. У полігональній моделі вони виглядають як «шарик», а у воксельній − як справжній об’єм. Це те, що дає глядачеві відчуття глибини й реальності.

Простими словами

Якщо спробувати пояснити максимально просто, voxels − це кубики, з яких складається цифровий світ. Вони описують не тільки форму предмета, а й його внутрішні властивості. Завдяки їм модель стає набагато ближчою до реальності. І саме тому воксельний підхід сьогодні такий важливий − від медицини до виробництва, від ігор до космічних симуляцій.

Різниця між voxel і пікселем

Щоб зрозуміти, що таке voxel, зручно почати з пікселів. Піксель − це маленька точка на екрані, яка має координати по горизонталі й вертикалі. З мільйонів таких точок складається будь-яке цифрове зображення. Але піксель завжди «плоский», він існує лише у двох вимірах.

Voxel можна назвати його тривимірним «родичем». У нього є не тільки висота та ширина, а ще й глибина. Тобто кожен voxel займає шматочок простору у 3D-моделі. Якщо скласти їх разом, утвориться не просто картинка, а повноцінний об’ємний об’єкт.

Головна різниця в тому, що:

• Піксель описує точку на площині, voxel описує кубічну ділянку простору
• Пікселі формують лише поверхню зображення, voxels можуть показувати внутрішню структуру
• У пікселя є колір і положення, у voxel − ці ж параметри плюс додаткові властивості (щільність, прозорість тощо)

Можна провести просту аналогію. Уявіть фотографію яблука на екрані − це набір пікселів. Ви бачите лише зовнішній вигляд. А якщо зробити воксельну модель яблука, то кожен маленький куб усередині теж буде мати інформацію: що там м’якоть, де кісточки, де шкірка. Тобто voxel дозволяє відтворювати об’єкт не лише ззовні, а й із середини.

Ще одна відмінність полягає в деталізації. Чим менші й численніші пікселі, тим чіткіше фото. Те ж саме працює з voxels: чим дрібніші ці кубики, тим точніше та детальніше можна змоделювати 3D-об’єкт. Саме тому в друку або моделюванні часто говорять про «роздільну здатність» − вона визначає, наскільки реалістично виглядатиме результат.

Чому voxels важливі для 3D-друку

У тривимірному друці часто думають лише про форму виробу, але насправді не менш важливим є те, що відбувається всередині. Voxels дозволяють працювати і з оболонкою, і з внутрішнім наповненням одночасно. Це відкриває можливість створювати моделі, де одна зона має високу міцність, інша − більшу гнучкість, а ще інша − інший колір чи прозорість. Тобто ми отримуємо контроль не тільки над тим, як виглядає предмет, а й над тим, яким він буде на дотик і як поводитиметься під навантаженням.

Гнучкість у проєктуванні

Voxel-моделі легко редагувати. Якщо в процесі проєкту виявилось, що стінка занадто тонка чи деталь має витримувати більше навантаження, це можна швидко виправити на рівні моделі. Не потрібно перебудовувати весь об’єкт із нуля.

• Можна змінити товщину стінок без повного редизайну
• Легко задати одну ділянку більш тверду, а іншу − еластичну
• Внутрішню структуру можна підлаштувати під конкретні умови експлуатації

Різні властивості в одному виробі

Класичні 3D-моделі часто мають однакові характеристики для всього об’єкта. Voxels дозволяють зробити інакше − задати унікальні параметри для кожної ділянки.

• Матеріал: поєднання пластику, фотополімерів чи інших матеріалів
• Щільність: міцна оболонка з легким наповненням усередині
• Колір: зміна відтінків залежно від частини виробу
• Прозорість: поєднання матових і прозорих елементів в одному предметі

Приклади застосування

Цей підхід уже використовується в різних сферах.

• Медицина: протези чи імпланти, де одна зона твердіша для підтримки, а інша м’якша для зручності
• Машинобудування: деталі зі зниженою вагою завдяки пустотам чи легкому заповненню
• Архітектура: макети з різними фактурами, що краще передають майбутню будівлю
• Мистецтво: вироби з поєднанням кольорів і форм без додаткового складання чи фарбування

Переваги для виробництва

Робота з voxels змінює сам підхід до 3D-друку, роблячи його більш точним і гнучким.

• Відпадає потреба у додатковому складанні деталей після друку
• Зміни вносяться безпосередньо в модель, а не у вже готовий виріб
• Підготовка й виготовлення займають менше часу
• Результат краще відповідає початковим вимогам і легше контролюється

Voxels у комп’ютерних іграх і графіці

Людям не завжди просто зрозуміти, що таке voxel у 3D-друці, але варто згадати ігри − і все стає на свої місця. Візьмемо Minecraft: уся гра побудована з маленьких кубиків. Один блок − це трава, інший − камінь, десь вода чи лава. Кожен із них має свої властивості, і саме тому світ можна копати, ламати чи перебудовувати. Це і є voxels, тільки у віртуальній формі. І тут видно головну ідею − світ складається з незалежних частин, які можна змінювати окремо.

У графіці принцип той самий, але масштаби більші. Voxels застосовують тоді, коли потрібно показати не тільки поверхню, а й внутрішній об’єм. Так працюють ефекти диму, вогню, рідин. Якщо робити їх полігонами, картинка виходить плоскою й нагадує намальовану «шторку». А воксельна структура дає відчуття товщини: дим закручується, вода має глибину, вогонь «живе». У результаті спецефекти виглядають не як комп’ютерна ілюстрація, а як щось більш реальне.

У комп’ютерних іграх

• Minecraft − найочевидніший приклад. Тут voxels створюють світ, який гравець може перебудовувати як завгодно. Кожен блок має призначення: з каменю будують, у воді можна плавати, лава шкодить.
• Voxels дають можливість робити ігрові середовища динамічними. Світ реагує на дії гравця: його можна руйнувати, змінювати чи створювати з нуля.
• Такий підхід добре працює у «пісочницях» та симуляторах, де важлива свобода й можливість експериментувати зі світом.

У комп’ютерній графіці

• Voxels корисні для відтворення складних явищ: диму, вогню, рідин, вибухів. Усе, що має об’єм і постійно змінюється, простіше описати через voxels.
• На відміну від полігональних моделей, які показують лише оболонку, воксельні ефекти виглядають більш «щільними». Вода має товщу і прозорість, дим виглядає важким і справжнім, полум’я змінює яскравість у різних ділянках.
• У кіно й анімації воксельні симуляції застосовують для спецефектів − від погодних явищ до масштабних вибухів. Завдяки цьому сцени виглядають більш правдоподібно і передають відчуття глибини, якого складно досягти іншими методами.

Як виглядає робота з voxel-моделлю на практиці

Процес створення воксельної моделі можна умовно поділити на кілька кроків.

Базова форма

• Створюється «каркас» майбутнього виробу
• Визначаються загальні габарити й обриси
• Це стартова точка, на яку потім накладаються властивості

Задання характеристик

• Кожна ділянка отримує свій набір параметрів
• У певному місці можна зробити щільність вищою
• Інші сегменти можуть бути прозорими або іншого кольору
• Виходить щось схоже на 3D-мозаїку, де кожен кубик важливий

Підготовка до друку

• Програмне забезпечення «перекладає» модель у мову для принтера
• Кубики перетворюються на інструкції, які визначають, як ляже матеріал
• Саме тут важливо зберегти усі властивості, закладені у voxels

Друк виробу

• Принтер будує модель шар за шаром
• Voxels визначають, де виріб буде твердим, а де − більш гнучким
• Можна отримати комбінацію властивостей в одному предметі без складання з окремих деталей

Результат

• Одна частина деталі виходить міцною і стійкою
• Інша може бути легшою або навіть прозорою
• Усе це друкується одночасно, без додаткових операцій

Такий підхід дозволяє дивитися на 3D-друк не як на «набір шарів пластику», а як на конструктор, де контролюється кожна маленька цеглинка. І чим детальніше опрацьовані voxels, тим точніший і функціональніший буде результат.

Майбутнє voxel-технологій у 3D-друці

Voxel-моделі ще не стали звичним стандартом, але саме це робить їх цікавими. Зараз вони більше використовуються у дослідженнях і промислових рішеннях, однак з розвитком принтерів та матеріалів відкриваються нові можливості. І ці можливості можуть змінити сам підхід до 3D-друку.

Багатоматеріальний друк

Одна з головних ідей полягає в тому, щоб у межах одного виробу можна було поєднувати кілька матеріалів. Voxels тут працюють як координати, які вказують, де саме має бути твердий пластик, де − гнучкий полімер, а де − прозора ділянка. Такий контроль дозволяє створювати предмети, які поєднують у собі різні властивості одночасно. Якщо дивитись на це з практичного боку, можна, наприклад, надрукувати деталь, яка ззовні міцна, але має м’яке внутрішнє наповнення. У класичному виробництві досягти такого результату набагато складніше.

Персоналізована медицина

Медицина завжди вимагала точності, і тут voxel-підхід може дати величезний поштовх. Імплант чи протез можна не просто відтворити за формою, а налаштувати його внутрішню структуру під конкретну людину. Наприклад, зробити кісткову частину щільнішою, щоб вона відповідала натуральній, а м’які сегменти − еластичнішими для зручності. Це вже не універсальний виріб «для всіх», а рішення, яке враховує індивідуальні особливості.

Нові функціональні властивості

Ще один напрямок − створення об’єктів, які об’єднують у собі властивості, що раніше не поєднувались. Можна уявити предмет, частина якого прозора, а інша матова. Або виріб, де одна зона надзвичайно міцна, а інша − гнучка. Voxels роблять подібні ідеї можливими, бо кожен кубик моделі може мати свій набір характеристик. Це відкриває дорогу до зовсім нових продуктів, які важко реалізувати традиційними методами.

Загальний напрямок розвитку

Усе це говорить про те, що voxel-технології поступово переходять із лабораторних умов у реальне виробництво. Чим точніше ми навчимося керувати такими «цеглинками», тим складніші й цікавіші об’єкти зможемо створювати. Є відчуття, що з часом voxels стануть не окремою «фішкою», а звичною частиною роботи для галузей, де потрібна висока точність і кастомізація.

Easy3Dprint і voxel у світі 3D-друку

У компанії Easy3DPrint ми дивимося на 3D-друк ширше, ніж просто як на процес створення деталі шар за шаром. Для нас це завжди комбінація різних етапів: від моделювання й підбору матеріалів до обробки готових виробів. Ми працюємо з FDM, SLA, LCD-друком, і це дає нам змогу братися за різні проєкти − від швидкого прототипу до складного художнього об’єкта чи технічної деталі. З роками ми перетворилися з невеликої майстерні у повноцінну лабораторію з десятками принтерів та власними виробничими приміщеннями.

Коли ми говоримо про voxels, то розуміємо їх як основу будь-якої тривимірної моделі. Це маленькі цифрові кубики, які можуть мати власні властивості: матеріал, прозорість, колір або щільність. Ми звикли дивитися на об’єкти не як на суцільні оболонки, а як на конструкції, що складаються з таких «цеглинок». Це допомагає нам пояснювати клієнтам, чому одну ділянку можна зробити більш стійкою, іншу − легшою, а ще іншу − прозорою чи гнучкою. Такий підхід дозволяє мислити глибше й бачити модель не тільки зовні, а й зсередини. І саме так ми підходимо до роботи щодня.

Підсумок

Отже, якщо підсумувати все сказане, voxels − це не просто красиве слово з технічних статей. Це спосіб дивитися на 3D-друк трохи глибше. Кожен маленький «кубик» несе в собі інформацію і разом вони створюють об’єкт, який можна взяти до рук. Для когось це звучить абстрактно, але коли бачиш, як змінюється структура виробу від налаштувань, починаєш розуміти практичний сенс.

Сьогодні voxels уже використовують у медицині, на виробництві, навіть у мистецтві чи іграх. Завтра вони можуть стати основою для речей, які ми ще навіть не уявляємо. 3D-друк поступово рухається саме в цей бік − до більш точного контролю, до виробів, що налаштовуються під людину чи задачу. І, чесно кажучи, цікаво буде спостерігати, як ця технологія розкриється далі.

FAQ