理解 Voxel Space：定义 90 年代初期地形的 2.5D 引擎

在 1990 年代初期，3D 游戏的格局与今天截然不同。CPU 的速度比现在慢了几个数量级，而且对于普通消费者来说，GPU 加速的概念几乎不存在。那个时代的多数 3D 游戏依赖于渲染单色的填充多边形——这个过程计算量巨大，且视觉效果往往非常简单。

在这种环境下，NovaLogic 在 1992 年发布了 Comanche。这款游戏拥有令人惊叹的地形，其纹理、阴影和着色效果似乎领先了时代多年。这得益于一种被称为 Voxel Space 的技术，这是一种 2.5D 渲染方法，弥补了传统 2D 精灵（sprites）与全 3D 多边形环境之间的鸿沟。

核心概念：高度图与颜色图

与使用复杂网格和着色器的现代 3D 引擎不同，Voxel Space 依赖于两个主要的数据结构：高度图（height map）和颜色图（color map）。

高度图： 一个 2D 网格，其中每个值代表该特定坐标处地形的高度。在 Comanche 中，这通常是一个 1024x1024 的单字节映射图。
颜色图： 一个对应的 2D 网格，用于存储地形的颜色。

这种方法最巧妙的设计之一在于，颜色图通常包含“预烘焙”的阴影和着色。正如社区成员所指出的，这创造了一种 3D 斜角效果，而无需引擎实时计算光照，从而显著降低了 CPU 负载。

然而，这种系统有一个根本性的局限：它每个位置只允许一个高度值。这意味着虽然山脉和山谷很容易表示，但像悬崖、建筑物或树木等复杂的几何形状无法使用这种特定方法进行渲染。

渲染算法的工作原理

Voxel Space 引擎的工作原理类似于光线投射（ray casting）。它不是计算三角形，而是对高度图和颜色图进行光栅化，并在屏幕上绘制垂直线。

基本过程

清除屏幕： 重置帧。
画家算法： 为了确保正确的遮挡关系（即较近的对象遮挡较远的对象），引擎传统上从场景的后方向前方进行渲染。
透视投影： 引擎确定地图上的哪条线对应于观察者的距离，并考虑视野（FOV）以使物体在远离时显得更小。
垂直线绘制： 对于线的每一段，引擎从映射图中检索高度和颜色，并在屏幕上根据投影高度绘制一条垂直线。

添加旋转

为了允许玩家向非北方方向观察，引擎会对坐标应用三角函数旋转。通过计算观察角度（$\phi$）的 sin 和 cos，引擎可以确定采样高度图的正确段，无论摄像机如何转向。

性能优化

由于这些引擎运行在受限的硬件（如 80286 CPU）上，开发者必须采用几种巧妙的技巧来维持可玩的帧率。

从前向后渲染与 Y-Buffer

虽然基本算法使用画家算法（从后向前），但一种更高效的方法是从前向后进行渲染。这可以消除绘制那些最终会被较近地形覆盖的像素的需求。为了防止视觉错误，使用了一个 Y-buffer 来存储每个列绘制的最高 Y 位置。如果新线的高度没有之前在该列绘制的线更高，它就会被丢弃。

细节级别（LOD）

为了进一步节省周期，引擎可以实现距离（$z$）的可变步长。通过随着距离摄像机的距离增加而增加步长，引擎在远处渲染较少的细节，同时在前景保持高精度。

历史背景与技术辩论

Voxel Space 的遗产是一个充满怀旧感和技术好奇心的课题。一些开发者回忆起使用查找表来避免缓慢的浮点数乘法，从而从 16MHz 处理器中“压榨出最后一滴性能”的巨大满足感。

然而，在技术术语的使用上存在细微差别。正如一位贡献者所指出的：

从技术上讲，这与 voxels（“体素”，即在所有三个轴上均匀分割 3D 空间）无关。这只是一个高度图，一组棱柱……并不完全不同于 Doom 地图。

尽管存在术语辩论，但该技术的影响是不可磨灭的。有趣的是，据报道，Comanche 的开发受到了程序员在医疗行业经验的影响，特别是 CT 和 MRI 扫描，这些技术利用了真正的体素数据。

Voxel Space 方法总结

特性	Voxel Space (2.5D)	Modern 3D (Polygonal)
数据源	高度/颜色图	顶点网格/纹理
渲染方式	垂直线投射	三角形光栅化
光照	在颜色图中预烘焙	实时着色器/光线追踪
复杂度	$O(Distance imes Width)$	$O(Polygons)$
约束	每个 X,Y 处单一高度	任意几何形状