关于体素系统的思考
在计算机图形学的漫长发展史中，体素（Voxel）作为体积像素（Volume Pixel）的缩写，始终代表着一种对三维空间最纯粹的离散化表达。不同于传统图形学中使用多边形网格（Polygon Mesh）勾勒出的“中空”边界，体素直接描述了物质在三维空间中的存在状态。体素技术的应用跨越了多个高度专业化的领域：在医学成像中，CT 与 MRI 产生的原始数据便是体素切片，用于精确重建人体内部器官的解剖结构；在气象与地质学中，体素被用于模拟大气流动与地壳应力分布。
对于游戏领域而言，体素的定义经历了从“方块感”到“动态物理”的认知演进。大众熟知的《Minecraft》虽以方块为核心，但在技术底层其渲染与物理交互仍高度依赖于传统的网格化技术。
而以《Teardown》为代表的新一代引擎，则实现了真正的全场景可破坏性，其中的每一个体素点不仅承载颜色信息，更参与到连通性检测、应力计算与刚体动力学模拟中。本文旨在深入探讨构建此类高保真、全物理驱动体素引擎的技术细节，从渲染、物理到地形生成三个核心维度，系统性地解析其架构设计。
渲染系统：空间表达与视效精度
体素引擎构建的首要挑战，在于如何在有限的显存与带宽资源下，高效存储并实时渲染数以亿计的空间点位。与由顶点定义的多边形不同，体素数据本质上是离散的三维采样点集合。在设计渲染管线之初，架构师必须面对一个核心的权衡，即是追求极致的静态分辨率与几何精度，还是追求极高的动态编辑频率与物理响应速度。这一决策将直接决定底层数据结构的选择，并最终影响整个引擎的技术基因。
体素存储与空间划分结构
如果将一个标准的大型游戏世界完全展开存储，即便每个体素仅占极少的内存空间，其线性增长的数据量也将迅速耗尽现代硬件的存储资源。若要模拟星球级尺度，线性存储显然是不可行的。因此，如何压缩空的空间并保持对实的空间的快速访问，是体素引擎的基石。在此问题上，业界主要演化出两种截然不同的技术路线，分别是稀疏八叉树与分块三维数组。
以 Atomontage 引擎为代表的技术路线，追求的是原子级的视觉精度与近乎无限的几何细节。为了实现这一目标，架构采用了稀疏八叉树结构。该方案的核心逻辑是将三维空间递归地划分为八个子象限。如果某个象限内全是空气，则该节点不再细分，直接标记为空，从而极大程度地压缩了稀疏数据。这种层级结构天然契合层级细节机制，在光线追踪过程中，当射线距离物体较远时，步进算法不需要遍历到底层的叶子节点，而是直接读取树结构上层节点的统计数据，如子节点的平均颜色或平均法线。这使得渲染极其庞大的静态场景或高精度的点云扫描数据成为可能，视觉表现上可以做到平滑且无极的细节过渡。
然而，稀疏八叉树的阿喀琉斯之踵在于写入性能。由于数据是非线性存储的，通过指针连接，任何一个微小的体素增删，比如玩家开了一枪或者发生了一次局部爆炸，都可能导致从叶节点到根节点的整条路径需要重新计算哈希或分配内存。这种对数级时间复杂度且伴随大量内存碎片的操作，难以支撑每秒发生数千次爆炸计算的高频交互场景。
相比之下，以 Minecraft 和 Teardown 为代表的沙盒游戏，选择了更为务实的分块三维数组方案。其技术原理是将无限的世界在水平和垂直方向上切割为固定大小的立方体区域，在区域内部，数据以扁平的一维数组或三维数组形式连续存储。这种结构的寻址复杂度是常数级的。要修改任意坐标的体素，只需计算简单的内存偏移量即可完成。这种极高的缓存局部性使得它非常适合 GPU 的并行计算与物理引擎的高频查询。虽然这种方案在处理大面积稀疏空间时存在一定的内存浪费，且其层级细节通常依赖离散的三维纹理多级渐远纹理来实现，可能导致画面在不同距离切换时出现层级突变，但它为全场景可破坏性提供了最坚实的底层支持。对于一个强调物理破坏、爆炸与实时建造的游戏世界，分块三维数组是毫无疑问的首选。
表面纹理与细节表现
在传统建模中，模型师会手动展开纹理坐标，将 2D 贴图映射到 3D 模型表面。然而，体素是程序化生成或实时破坏的，无法预先定义纹理坐标。如果简单地将纹理拉伸覆盖，或者每个体素仅显示纯色，画面将显得极其单调且缺乏质感，呈现出廉价的塑料感。为了让体素表面呈现出大理石的纹路、金属的划痕或泥土的颗粒感，必须引入三平面映射技术。
三平面映射的核心思想是放弃对物体表面纹理坐标的依赖，转而使用世界空间坐标作为纹理采样的依据。由于任何复杂的 3D 物体表面在微观上都可以近似分解为朝向 X、Y、Z 三个轴向的平面，渲染器可以将纹理分别从这三个方向投影到物体上。在片元着色器中，系统首先获取当前体素表面的法线向量，并计算三个轴向的混合权重。通常会对权重进行绝对值计算并进行幂次锐化以减少模糊。随后，系统分别利用世界坐标的不同分量组合进行三次纹理采样，最后根据权重将三次采样的颜色相加，得到最终片元颜色。这种技术保证了纹理在复杂地形上自动无缝拼接，且当物体破碎后，断面能自动获得正确的纹理坐标，彻底解决了模型拉伸的问题。
在实际工程中，三平面映射还需要解决薄墙体素的渲染缺陷。如果一面墙只有单体素厚度，且正面是砖块，背面是粉刷墙，普通的投影会导致正反面纹理混淆，出现“力透纸背”的现象。改进的方案是引入法线方向敏感采样逻辑。在着色器中，不仅判断法线的轴向，还需判断其正负号。例如，当法线朝向南时采样砖块材质，当法线朝向北时采样内饰墙纸材质。这种逻辑可以通过在体素数据中存储一个材质索引表来实现，该表根据面法线指向不同的纹理图集区域，从而实现内外分明的视觉效果。
渲染管线与光线步进
当数据被存储并定义了外观后，最后一步是如何将其呈现在屏幕上。目前主流存在两种路径，即网格化与光线步进。网格化方案通过 CPU 遍历体素数据，剔除被遮挡的内部面，将暴露在外的表面生成顶点和三角形网格，然后提交给 GPU 进行标准光栅化渲染。这种方案兼容所有标准图形管线，如阴影和后处理，且渲染极快，但其缺点在于每次地形破坏都需要 CPU 重新计算网格，在高频破坏时容易产生帧率波动与延迟。
为了追求极致的体积感与动态响应，下一代体素引擎更倾向于采用光线步进技术。该方案不生成任何三角形，而是直接在计算着色器或片元着色器中发射射线。射线在 3D 纹理或八叉树中利用数值微分分析算法进行步进，直到撞击非空体素。这种方案无需 CPU 参与几何生成，破坏响应几乎是瞬时的，只需更新显存中的 3D 纹理即可。同时，光线步进天然支持体积光、软阴影等高级光照效果，尽管其对 GPU 算力要求极高，但在当前硬件条件下，结合分块存储与三平面映射，已能实现兼顾高保真视觉与高频物理交互的理想效果。
物理系统：动态拓扑与结构仿真
当体素世界不再是静止的背景，而是可以被切断、炸飞、甚至组装成复杂机械的客体时，物理系统的设计便成为了重中之重。不同于传统游戏中预先烘焙的刚体碰撞网格，体素引擎必须应对实时的拓扑结构改变。开发者必须思考一系列深层架构问题：一扇门与一座房子在物理上究竟是属于一个整体，还是通过某种约束连接的独立个体？当爆炸发生时，如何判定哪些部分应该悬空，哪些部分应该坠落？
统一实体模型与连通性检测
为了实现全场景的统一物理交互，架构设计必须摒弃将地形与物体二元对立的传统观念，转而引入体素实体的统一概念。每一个体素实体本质上都是一个独立的物理刚体，拥有自身的质量中心、惯性张量与速度向量。在初始状态下，大地和山脉被标记为静态实体，它们拥有无限大的质量，其位移与旋转自由度被锁定。而飞船、车辆或被炸毁的残骸则被标记为动态实体，完全受牛顿力学支配。为了优化物理引擎的宽阶段碰撞检测，巨大的体素实体内部通常采用分层结构，即实体包含多个分块，分块包含具体的体素数据。这种层级设计不仅服务于渲染流式加载，更确保了当一个巨型飞船受到局部损伤时，物理引擎仅需更新受影响区域的碰撞体生成，而无需重算整个飞船的物理拓扑。
实现破坏效果的核心挑战在于结构完整性的判定。当玩家切断了连接浮空岛与地面的石柱，或者炸毁了建筑的承重墙，引擎需要实时做出响应，将悬空部分转化为受重力影响的动态物体。这涉及到连通性检测算法。每当体素被删除或破坏，引擎会以破坏点为圆心，在受影响的体素分块内运行增量广度优先搜索或并查集算法。算法旨在寻找剩余体素与逻辑根节点（如地基锚点）的连接路径。一旦检测到某一部分体素集合与根节点断开，这部分分块就会触发剥离逻辑，从原有的父实体中分离，瞬间封装成一个新的动态实体，并继承原有的线速度与角速度。这种从静态到动态的瞬间相变，是体素游戏产生真实破碎感的灵魂所在。
多体动力学与约束架构
在处理门窗、车轮、机械臂等具有相对运动关系的结构时，存在两种技术路线：一种是在单一实体内部通过逻辑标记实现局部形变，另一种是采用多体加物理约束的架构。工程实践表明，前者虽然能节省物理对象的数量，但在处理复杂的碰撞反馈和力矩传递时极易出现穿模或计算发散。因此，构建高保真物理系统的最佳实践是采用多体架构。例如，房体是一个静态实体，门板是一个独立的动态实体，两者在空间上虽然紧密相邻，但在数据结构上是分离的，它们之间的相对运动关系完全通过物理引擎中的关节约束来维系。
物理约束系统负责定义两个实体之间的运动自由度。对于一个普通的铰链门，约束将限制两个实体的相对位移为零，仅保留绕特定轴旋转的一个自由度；对于液压机或电梯，滑块约束则限制旋转，仅保留沿轴线平移的自由度。这种基于刚体动力学的约束解算，能够天然地模拟出极其真实的物理细节。例如，当爆炸产生的冲击波击中门板时，物理引擎会自动计算施加在铰链上的剪切力。如果该力超过了预设的断裂阈值，引擎可以销毁该约束，使得门板被炸飞，而非像传统游戏那样仅仅播放一个损坏动画。
交互范式与功能性体素耦合
在确立了多体约束的底层逻辑后，面临的挑战是如何将复杂的机械工程概念转化为直观的玩家交互。在传统 CAD 软件中，建立约束需要精确指定锚点坐标与轴向矢量，这显然会破坏游戏的心流体验。体素引擎的独特优势在于其离散化的空间单元，我们可以利用功能性体素耦合技术，将物理约束的创建过程隐性化。
该方案的核心思想是将物理属性封装进特定的体素材料中。开发者可以定义如铰链材料、滑块材料或轴承材料等特殊体素。当玩家在两个独立的体素实体上分别放置具有铰链属性的方块时，引擎的后台系统会启动邻近检测机制。一旦检测到两个隶属于不同实体的铰链体素在空间上相邻且轴向对齐，系统便会自动在物理后端生成一个旋转约束，将这两个实体在力学层面上连接起来。
这种设计将复杂的机械组装简化为了积木式的拼接。例如，玩家若想制造一辆车，只需在车身实体侧面放置轴承方块，再在车轮实体中心放置同样的轴承方块，通过移动工具将两者对齐，物理约束便自动生效。更进一步，这种功能性体素可以承载参数化的物理特性。不同颜色的铰链体素可以代表不同的摩擦系数或最大扭矩限制，滑块体素可以定义不同的阻尼与弹力系数。这种所见即所得的物理构建方式，不仅降低了玩家的上手门槛，更极大丰富了沙盒创造的涌现性玩法。
地形生成：解析式建模与无限尺度演化
在构建体素世界的过程中，地形生成系统的性能与灵活性直接决定了玩家探索边界的深度。面对极远距离的体素星球或超大规模的自然景观，传统的预烘焙地形数据方案在存储与传输上面临巨大的瓶颈。现代体素引擎的生成逻辑已由静态的数据加载全面转向动态的解析式密度函数生成，通过数学公式在运行时即时推导出空间中每一处的物质分布。
解析式建模与自上而下的生成逻辑
地形生成的核心矛盾在于生成精度与计算开销的动态平衡。传统的“从下到上”生成模式需要先填充底层最细微的体素数据，再逐层向上汇总生成低分辨率的缩略信息，这导致在玩家尚未抵达的远景区域浪费了大量的内存与计算力。为了实现真正意义上的无限世界，架构设计必须采用自上而下的生成策略。
该策略的核心在于将地形视为一个连续的密度函数。通过结合不同频率的三维噪声与符号距离函数，我们可以定义世界的每一个空间坐标。一个典型的全球密度函数模型不仅包含基础的板块高度信息，还通过域扭曲技术引入了山脉的褶皱与断层的细节。这种解析式表达赋予了引擎强大的层级细节控制能力。在渲染远处的星球或地平线外的群山时，生成系统仅需评估函数中的低频分量，从而瞬间得出宏观的外观摘要。只有当玩家的坐标接近某个特定的分块区域时，该区域的体素数据才会被真正实例化，并叠加高频噪声以展开更精细的微观地形。这种按需生成的逻辑确保了无论世界尺度如何扩张，系统的内存占用始终保持在可控范围内。
跨越维度的生成架构
在生成方式的选择上，开发者常面临高度图方案与纯 3D 密度场方案的权衡。传统的 2.5D 高度图方案通过一张二维高度贴图定义地表海拔，其优势在于逻辑简单且便于与传统网格化地形工具（如 World Machine）集成。然而，高度图在数学本质上是单值的，这意味着它无法表达重叠的地形结构，如深邃的洞穴、悬浮的岛屿或内凹的悬崖。
为了构建真正具备空间垂直复杂度的世界，必须采用纯 3D 密度场生成架构。在这种架构中，地形的生成逻辑从“求高度值”转变为“求密度值”。系统不仅可以利用噪声函数生成宏观地貌，还可以通过布尔运算引入复杂的 3D 结构。例如，通过在基础密度场中减去一个蜿蜒的圆柱形符号距离函数，可以实时生成纵横交错的地下洞穴体系。这种方式虽然计算开销高于高度图，但它赋予了体素世界无可比拟的探索纵深，让玩家能从地表无缝潜入地心。同时，为了兼容现有的地形设计管线，引擎可以采用混合模式：使用 World Machine 等软件生成的外部高度图作为基础层，再通过 3D 噪声算子在局部区域动态“挖出”洞穴或“堆出”奇形怪状的岩石，从而兼顾设计的可控性与地形的多样性。
持久化框架与差异存储机制
程序化生成的一个致命弱点在于修改的瞬时性。如果地形仅由数学公式动态决定，那么当玩家在山体上开凿一个隧道并离开该区域后，随着该区域的体素被卸载，玩家的修改逻辑将面临丢失的风险。为了解决这一问题，必须建立一套完善的差异存储机制。
系统引入了层级化的修改映射表。当玩家对原始地形进行破坏或建造时，这些修改行为不会直接覆盖原始的生成公式，而是被记录为一个稀疏的差异层。当该区域需要重新生成时，引擎会采取合成逻辑：首先通过生成函数计算出原始的地貌数据，随后读取修改映射表中的增量数据并进行布尔合成。为了确保远近景的一致性，这些局部的修改记录会被递归地向上传播到高层级的多级渐远纹理中。这意味着，即使玩家在千万米外的星球表面留下了一道裂痕，该裂痕的密度减损信息也会在远景渲染阶段被正确捕捉，确保了动态世界在宏观视角下的真实感与持续性。