缘起
两三个月前，我和匡冶去上海出差，周日下午坐高铁回北京。忙活了一周，我们俩都精疲力竭地坐在高铁上。还有 3 个小时才到北京，不如写点代码消磨时间，也算放松一下身心。正好聊到 Minecraft （“别人的世界”） 和 MagicaVoxel，于是我们决定来个 Hackathon，用 Taichi 整个 GPU 光线追踪体素渲染器。在快到北京南站之前，我们有了第一版雏形：
高铁上的第一版渲染器原型
Taichi 是嵌入在 Python 中的并行编程语言，这使得我们的渲染器几乎可以在任何操作系统上运行，并且和 Python 很容易地交互。据我们所知，目前 Python 生态系统里面还没有工具能够实现跨平台的 GPU 光线追踪体素渲染器。Taichi 只需要大约 300 行代码就可以实现这个渲染器 ¹。
写完代码，我们才发现一个更严峻的问题：对我们老图形程序员来说，造个光线追踪渲染器容易，渲染出好看的图反而更难。加上写 UI 是个工作量很大的事情，我们只支持一个体素一个体素地编辑，这得猴年马月才能做出想要的结果...
好在 “批量操作体素” 这个事情本身也是可以写代码完成的。Minecraft 大神们可以用各种搭建技法创建自己的体素世界，咱没那个技法，要不直接写代码生成吧！开动！
愿景
做任何事情之前先要有个美好的愿景，才能确保自己在正确的方向上。在网上找了一些 Voxel 大佬的艺术作品，发现森林是一个常见题材。于是我找了找森林的照片，找到一张秋天的，意境很不错：
（图片来源于网络）
于是我决定照着这张照片和一些体素艺术家的作品，还原一个秋天的场景，再用光线追踪渲染出来，应该会挺有意思~
以下内容只需要一些基础的 Python 知识就可以阅读。Taichi 是一个嵌入在 Python 中的编程语言，能够让你的程序被 GPU 加速。如果对 Taichi 还不是很了解，可以参考这篇文章👉🏻搭建体素世界，真没想象中那么难… | Taichi 入门秘籍

运行代码，3D 漫游！

Follow 完这篇教程，你会得到一个 3D 场景并在里面漫游。代码是跨平台的，我的 Macbook 笔记本上也可以运行（20 FPS）。如果你有 RTX 3090 之类的核武器那运行得会更流畅。我的笔记本上移动相机的时候会稍有噪点，停下来很快就收敛了：
小笔记本录制，两倍速播放视频
如果你想体验这个场景，浏览完整的 91 行代码，可以 clone 作品仓库 ²。如果你想创建自己的场景，可以从我们的模板仓库 ³ 开始。
首届 Taichi 体素创意大赛正在如火如荼地进行，更多规则请见 GitHub，欢迎有兴趣的同学参加，一起切磋代码技能。
*另外有同学反馈表示 1.0.1 在某些环境上有些 Vulkan 兼容性的问题，使用 1.0.0 就可以解决。输入命令行 pip install taichi==1.0.0 即可。同时，这个 bug 已经修复了，下一个版本会 ship 这个 bug fix。
*相关 issue：https://github.com/taichi-dev/taichi/issues/4891

用体素搭建秋日小树林

先分析一下“愿景图”，里面有几个关键元素：枫(?)树，铺满落叶的地面和体积雾。我们的渲染器并不支持体积雾，好在我们可以用一个 45° 的斜阳（directional_light）加上偏黄的色温来模拟这个场景。
from
 scene 
import
 Scene
import
 taichi 
as
 ti
from
 taichi.math 
import
 *
scene = Scene(voxel_edges=
0
, exposure=
2
)
# 创建场景，指定体素描边宽度和曝光值
scene.set_floor(
0
, (
1.0
, 
1.0
, 
1.0
))
# 地面高度
scene.set_background_color((
0.5
, 
0.5
, 
0.4
))
# 天空颜色
scene.set_directional_light((
1
, 
1
, 
-1
), 
0.2
, (
1
, 
0.8
, 
0.6
))
# 光线方向和颜色@ti.kerneldefinitialize_voxels():
    scene.set_voxel(vec3(
0
), 
1
, vec3(
1
))
# 在 (0, 0, 0) 加入一个白色 (1, 1, 1) 的体素！
initialize_voxels()
scene.finish()
你就能得到如下场景：
先来一个小方块，调下光的方向和色温，来点秋天的感觉。
（不要问我为啥 voxel_edge=0 了还有描边，问就是浮点误差，离远点就看不见了...）

 基座 

看了几个大佬的体素作品，发现他们常用的一个技法是 “蛋糕切块”，也就是通过截面表现一些平时不容易看到的东西，比如说土地内部的结构，作为作品的基座：
蛋糕切块效果...（图片来源于网络）
那我们依葫芦画瓢，做一个泥土的基座。
画个饼：读完这一节你就能做出如上的底座，看起来还有点泥土的味道...
其实也不是太难，我们一层一层来。如果只考虑相同颜色的一层，那其实就是一个立方体，带上一些随机性。
我们首先要实现一个函数，来生成一个从 (pos[0], pos[1], pos[2]) 开始，大小是 size[0] x size[1] x size[2] 的立方体。当然，我们可以指定颜色 color。为了增加真实感，我们不能让这个立方体看起来太完美，所以加上一些噪声 color_noise：
@ti.funcdefcreate_block(pos, size, color, color_noise):for
 I 
in
 ti.grouped(
            ti.ndrange((pos[
0
], pos[
0
] + size[
0
]),
                       (pos[
1
], pos[
1
] + size[
1
]),
                       (pos[
2
], pos[
2
] + size[
2
]))):
        scene.set_voxel(I, 
1
, color + color_noise * ti.random())
这里利用过了一个技巧：ti.ndrange，它能够在一行中实现一个多层 for 循环（否则要写 3 层 for loop，比较麻烦）。配上 ti.grouped，我们将 i, j, k 三个循环变量塞到一个向量 I = (i, j, k) 里面。
有了这个函数，我们就可以绘制一个大大的方块：
@ti.kerneldefinitialize_voxels():
    create_block(pos=ivec3(
0
, 
0
, 
0
),
                 size=ivec3(
20
, 
40
, 
30
),
                 color=vec3(
0.3
, 
0.5
, 
0.3
),
                 color_noise=vec3(
0.1
))
注意
从 (0, 0, 0) 开始长出来的一个 20x40x30 的方块
紧接着，我们只要用一个 4 层的 for 循环，把每一层绘制出来：
@ti.kerneldefinitialize_voxels():for
 i 
in
 range(
4
):
        create_block(ivec3(
-60
, -(i + 
1
)**
2
 - 
40
, 
-60
),
                     ivec3(
120
, 
2
 * i + 
1
, 
120
),
                     vec3(
0.5
 - i * 
0.1
) * vec3(
1.0
, 
0.8
, 
0.6
),
                     vec3(
0.05
 * (
3
 - i)))
这样你就得到了一个淡黄的提拉米苏...
现在有个问题：地表颜色有点淡，我们来加一层地表：
看起来更美味了...
好的，说回来，我们并不是在做蛋糕，但是这个蛋糕形状的底座作为整个作品的基座还是不错的。于是，我们的基座就这样完成了！

 树和落叶 

有了基座，我们来点树。
新的饼：读完这一节会知道这个树怎么搞出来 :-)
首先，因为我们有很多树，代码行数也有限，我们需要有个画树的函数：
@ti.funcdefcreate_tree(pos, height, radius, color):    ...
四个参数：
  • pos: 树根的位置
  • height：树的高度
  • radius：树叶半径
  • color：树叶颜色
我们一步步来。先搞个树干。这个比较简单，reuse 我们之前的 create_block 就好：
@ti.funcdefcreate_tree(pos, height, radius, color):    create_block(pos, ivec3(3, height - radius * 0.5, 3), vec3(0.7), vec3(0.3))
只有光秃秃的树干好像还有些枯燥。我们来加点叶子。这里我们加一个函数。先假设一棵树的叶子分布的区域是一个圆柱，圆柱中的每一个 voxel 都有一定概率存在或者不存在。我们希望这个概率离圆柱重心越远，就越小。于是我们得到了下面这个函数：
@ti.funcdefcreate_leaves(pos, radius, color):for
 I 
in
 ti.grouped(
            ti.ndrange((-radius, radius), (-radius, radius),
                       (-radius, +radius))):
        f = I / radius
        d = vec2(f[
0
], f[
2
]).norm() 
# 到圆柱中轴线的距离
        prob = max(
0
, 
1
 - d)**
2if
 ti.random() < prob:
            scene.set_voxel(pos + I, 
1
, color + (ti.random() - 
0.5
) * 
0.2
)
这个树长得有点像冰棍...
好吧，看起来不是很自然... 通过一些脑补出来的数学函数和一些噪声，我们稍微优化一下：
@ti.func
def create_leaves(pos, radius, color):
for
 I in ti.grouped(
            ti.ndrange((-radius, radius), (-radius, radius),
                       (-radius, +radius))):
f
 = I / radius
        h = 
0.5
 - 
max
(
f
[
1
], -
0.5
) * 
0.5
        d = vec2(
f
[
0
], 
f
[
2
]).
norm
()
        prob = 
max
(
0
, 
1
 - d)**
2
 * h 
# xz mask
        prob *= h 
# y mask# noise
        prob += ti.
sin
(
f
[
0
] * 
5
 + pos[
0
]) * 
0.02
        prob += ti.
sin
(
f
[
1
] * 
9
 + pos[
1
]) * 
0.01
        prob += ti.
sin
(
f
[
2
] * 
10
 + pos[
2
]) * 
0.03if
 prob < 
0.1
:
            prob = 
0.0if
 ti.random() < 
prob:
            scene.set_voxel(pos + I, 
1
, color + (ti.random() - 
0.5
) * 
0.2
)
这个函数还有些复杂，但是整体的思路是对于树叶区域的每个体素，计算一个概率，概率和这个体素在空间中的位置有一些关系，还有一些噪声。加上其他细节，就大功告成啦！
加上一些细节，更像树了！
（同事：你这明明是更像一个炸鸡腿..）
因为我们在做秋天，应该有一些落叶。其实也很简单，就是在树下的圆盘区域里面随机撒一些点即可：
for
 i, 
j
 in ti.ndrange((-radius, radius), (-radius, radius)):
        prob = 
max
((radius - vec2(i, 
j
).
norm
()) / radius, 
0
)
        prob = prob * prob
if
 ti.random() < prob * 
prob:
            scene.set_voxel(pos + ivec3(i, 
1
, 
j
), 
1
,
                            color + ti.random() * vec3(
0.1
))
在底部圆盘里面加一些随机的体素，模拟落叶，显得我们并不是炸鸡腿...
我们只要多调用几次 create_tree，就有了一片小树林。注意优化一下每棵树的位置、高度、颜色：
    create_tree
(
ivec3
(
-20
, 
-40
, 25), 65, 35, 
vec3
(1
.0
, 0
.3
, 0
.15
))
create_tree
(
ivec3
(45, 
-40
, 
-45
), 15, 10, 
vec3
(0
.8
, 0
.4
, 0
.1
))
create_tree
(
ivec3
(20, 
-40
, 0), 45, 25, 
vec3
(1
.0
, 0
.4
, 0
.1
))
create_tree
(
ivec3
(30, 
-40
, 
-20
), 25, 15, 
vec3
(1
.0
, 0
.4
, 0
.1
))
create_tree
(
ivec3
(30, 
-40
, 30), 45, 25, 
vec3
(1
.0
, 0
.4
, 0
.1
))

树的部分收工！

 围栏 

最后一步了，其实也比较简单，就是沿着一个方向加入一段长条，然后每隔一段距离加个小竖条就行：
@ti.func
def make_fence(
start
, direction, 
length
):
    color = vec3(
0.5
, 
0.3
, 
0.2
)
    create_block(
start
, direction * 
length
 + ivec3(
3
, 
2
, 
3
), color, vec3(
0.1
))
    fence_dist = 
3for
 i 
inrange
(
length
 // fence_dist + 
1
):
        create_block(
start
 + direction * i * fence_dist + ivec3(
1
, 
-3
, 
1
),
                     ivec3(
1
, 
5
, 
1
), color, vec3(
0
))
调用一次 make_fence...
直接乘四，大功告成
至此，我们完成了基座、树和落叶、围栏，收工！
选个好的角度，按 P 截图...
用 W/S/A/D/Q/E 开启摄影漫游模式，按 P 截图。
好久不摸相机了，在体素世界里安慰一下自己作为摄影爱好者受伤的心灵吧 :-)

我也要玩！

参赛用到的体素渲染器只需要 Python 环境，支持 Windows、Mac、Linux，没有 GPU 的话也可以运行。
复制文末链接⁴，即可查看更多参赛教程及内部测试时候的作品集 ⁵（都有源代码）。
以上。
99 行代码的体素大赛截止时间是 5 月 18 日，优秀作品有纪念奖品哦！（可惜我不能参赛，要不然 Switch 一定是我的 hhh）
只要会 Python，并且有一颗喜欢创造的心，相信你一定能创建出自己喜欢的体素作品！
References：
1. https://github.com/taichi-dev/voxel-challenge/blob/main/renderer.py
2. https://github.com/yuanming-hu/voxel-art
3. https://github.com/taichi-dev/voxel-challenge/
4. https://github.com/taichi-dev/community/blob/main/events/voxel-challenge/reference-zh_cn.md
5. https://github.com/taichi-dev/voxel-challenge/issues/1
编后语：本文转载自胡渊鸣的知乎文章《99 行代码能干啥？造个体素小世界！》，摘录了创造体素秋景的教程，完整内容请点击“阅读原文”查看。也期待大家参与比赛、创造自己的体素小世界！
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