Тексел

Тексел — это единица измерения объёма трёхмерного цифрового изображения, представляющая собой минимальный элемент трёхмерного пространства (вокселя), который хранит информацию о цвете, прозрачности и других свойствах в заданной точке. Термин образован от английского «texture element» (текстурный элемент) и является трёхмерным аналогом пикселя (двумерного элемента изображения) и вокселя (объёмного элемента, хранящего данные о плотности или материале). В отличие от вокселя, который обычно описывает геометрию или физические свойства объекта, тексел ориентирован на визуальные характеристики поверхности, такие как цвет, альбедо, нормали или шероховатость. Текселы используются в компьютерной графике, системах виртуальной реальности, 3D-моделировании, медицинской визуализации и научных симуляциях для представления текстур и материалов в трёхмерном пространстве.

История

Концепция тексела возникла в 1970-х годах в рамках развития компьютерной графики и трёхмерного моделирования. Первые работы по текстурированию трёхмерных объектов были выполнены в Массачусетском технологическом институте (MIT) и в лабораториях компании Xerox PARC. В 1974 году Эдвин Кэтмулл (Edwin Catmull) в своей докторской диссертации впервые предложил метод наложения двумерных текстур на трёхмерные поверхности, что заложило основу для использования текселов. Однако сам термин «тексел» вошёл в обиход в 1980-х годах с развитием алгоритмов отображения текстур (texture mapping) и появлением первых графических процессоров (GPU).

В 1980-х годах компания Silicon Graphics и другие производители графических станций начали использовать текселы в системах реального времени для визуализации трёхмерных сцен. В 1990-х годах с распространением персональных компьютеров и игровых консолей (например, PlayStation, Nintendo 64) текселы стали стандартной единицей измерения в 3D-графике. В 2000-х годах с развитием технологий трассировки лучей и объёмного рендеринга (volume rendering) текселы начали применяться в научных расчётах, медицинской томографии и симуляциях физических процессов.

Определение и свойства

Минимальный элемент текстуры

Тексел представляет собой наименьшую единицу текстуры, которая может быть отображена на трёхмерную поверхность. В отличие от пикселя, который является элементом двумерного растрового изображения, тексел существует в трёхмерном пространстве и может быть привязан к координатам (x, y, z) в системе координат объекта. Каждый тексел хранит набор атрибутов, таких как:

• цвет (RGB или RGBA);
• прозрачность (альфа-канал);
• нормали (вектор, определяющий ориентацию поверхности);
• шероховатость (коэффициент отражения);
• карты высот (height maps) для имитации рельефа.

Разрешение текселов

Разрешение текстуры в трёхмерном пространстве измеряется в текселах на единицу длины (например, текселов на миллиметр или текселов на дюйм). Чем выше разрешение, тем более детализированной и реалистичной выглядит поверхность. В компьютерных играх и 3D-моделировании текстуры обычно имеют разрешение от 256×256 до 4096×4096 текселов, но для профессиональных проектов (например, в кино или архитектуре) могут использоваться текстуры размером до 16384×16384 текселов.

Связь с вокселями и пикселями

Тексел тесно связан с вокселем (объёмным элементом) и пикселем (двумерным элементом). В трёхмерной графике текселы часто накладываются на поверхность воксельной модели, чтобы придать ей реалистичный вид. Например, в медицинской визуализации (компьютерная томография) воксели хранят данные о плотности тканей, а текселы — о цвете и текстуре, что позволяет создавать объёмные изображения органов.

Классификация

По типу данных

• Цветовые текселы — хранят информацию о цвете (RGB или RGBA). Используются для базового текстурирования.
• Нормальные текселы — содержат данные о нормалях (векторах, перпендикулярных поверхности). Применяются для имитации рельефа без изменения геометрии (технология normal mapping).
• Текселы карт высот — хранят значения высоты (глубины) для создания эффекта объёмности (bump mapping, displacement mapping).
• Физические текселы — содержат параметры материалов (шероховатость, металличность, преломление) для физически корректного рендеринга (PBR — Physically Based Rendering).

По способу хранения

• Растровые текселы — хранятся в виде двумерного массива (текстуры) и отображаются на поверхность с помощью UV-координат.
• Процедурные текселы — генерируются алгоритмически (например, шум Перлина) и не требуют хранения в памяти.
• Объёмные текселы — используются в трёхмерных текстурах (volume textures) для представления полупрозрачных сред (дым, туман, облака).

Применение

Компьютерная графика и игры

Текселы являются основой текстурирования в 3D-движках (Unreal Engine, Unity, CryEngine). Они позволяют создавать реалистичные поверхности: стены, одежду, кожу, металл, дерево. В играх текселы используются для наложения текстур на модели персонажей, окружение и объекты. Разрешение текселов напрямую влияет на качество графики: низкое разрешение приводит к «пикселизации» (размытию) текстур, высокое — к детализации.

Виртуальная и дополненная реальность

В системах VR и AR текселы применяются для создания объёмных текстур, которые адаптируются к движению пользователя. Например, в шлемах виртуальной реальности (HTC Vive, Oculus Quest) текселы используются для рендеринга трёхмерных сцен в реальном времени.

Медицинская визуализация

В компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) текселы помогают визуализировать внутренние органы и ткани. Воксели хранят данные о плотности, а текселы — о цвете и текстуре, что позволяет врачам видеть трёхмерные модели органов с высокой детализацией.

Научные симуляции

В метеорологии, физике и астрофизике текселы используются для визуализации трёхмерных данных: погодных явлений, турбулентности, гравитационных полей, распределения температуры. Например, в симуляциях атмосферы Земли текселы отображают облака, осадки и ветер.

Промышленный дизайн и архитектура

В CAD-системах (AutoCAD, SolidWorks, Blender) текселы применяются для текстурирования трёхмерных моделей зданий, машин и деталей. Это позволяет дизайнерам оценивать внешний вид объектов до их изготовления.

Технические аспекты

Форматы текстур

Текселы хранятся в различных графических форматах, поддерживающих трёхмерные текстуры:

• DDS (DirectDraw Surface) — формат Microsoft, используемый в DirectX.
• KTX (Khronos Texture) — формат, поддерживающий сжатие текстур.
• PNG, JPEG, TIFF — двумерные форматы, которые могут быть преобразованы в текселы.
• EXR (OpenEXR) — формат с высокой битовой глубиной, используемый в киноиндустрии.

Сжатие текстур

Для уменьшения объёма памяти текселы сжимаются с помощью алгоритмов (например, S3TC, ETC, ASTC). Сжатие позволяет хранить больше текстур в видеопамяти, но может снижать качество изображения.

MIP-текстурирование

Для оптимизации рендеринга используется MIP-текстурирование — создание нескольких копий текстуры с разным разрешением (MIP-уровни). При удалении объекта от камеры используется текстура с низким разрешением, что уменьшает нагрузку на GPU.

Критика и ограничения

Основным недостатком текселов является их зависимость от разрешения текстур. При низком разрешении текселы становятся заметными, что приводит к «пикселизации» и снижению реалистичности. Кроме того, текселы не могут передавать информацию о глубине или объёме объекта, если не используются дополнительные карты (нормалей, высот). В объёмном рендеринге (например, в медицинской визуализации) текселы могут быть менее эффективны, чем воксели, из-за необходимости хранения большого количества данных.

Интересные факты

• В 1990-х годах термин «тексел» использовался в документации к графическим процессорам 3dfx Voodoo и NVIDIA RIVA.
• В некоторых научных работах текселы называют «трёхмерными пикселями» или «объёмными текстурными элементами».
• В 2020-х годах с развитием нейросетей и генеративных моделей (например, Stable Diffusion) текселы начали использоваться для автоматического создания текстур для 3D-моделей.

Источники

• Catmull, E. (1974). A Subdivision Algorithm for Computer Display of Curved Surfaces. PhD thesis, University of Utah.
• Foley, J. D., van Dam, A., Feiner, S. K., Hughes, J. F. (1996). Computer Graphics: Principles and Practice. Addison-Wesley.
• Айзекс, А. (2003). Компьютерная графика: алгоритмы и реализация. Москва: Вильямс.
• Документация к графическим API: DirectX, OpenGL, Vulkan.
• Статьи на сайте GPU Gems (NVIDIA).