Kurz erklärt · Grafik & Sound
Ein Voxel ist ein Wert in einem regelmäßigen dreidimensionalen Raster – das räumliche Gegenstück zum Pixel. In Spielen bestehen Voxelwelten aus solchen Zellen, die oft als Würfel dargestellt werden und sich einzeln abbauen oder setzen lassen.
Auch: Voxels, Volumenpixel, Voxelgrafik, Voxel-Grafik, Voxelwelt, Volumenelement
Was ist ein Voxel?
Ein Bildschirmbild ist ein Raster aus Pixeln: Jedes Feld hat eine Spalte, eine Zeile und eine Farbe. Ein Voxel überträgt diese Idee in den Raum. Es ist eine Zelle in einem dreidimensionalen Raster mit Spalte, Zeile und Höhe – also x, y und z – und speichert einen Wert: eine Farbe, eine Dichte oder in Spielen die Art eines Blocks wie Stein, Erde oder „leer“.
Das Wort ist aus englisch volume (Volumen) und element gebildet, nach dem Vorbild von Pixel, das für picture element steht. Wie beim Pixel steht die Position eines Voxels nicht in seinen Daten, sondern ergibt sich aus seinem Platz im Raster.
Wichtig: Ein Voxel hat streng genommen keine Form. Es ist ein Wert an einem Gitterpunkt. Dass Voxel in Spielen oft als Würfel erscheinen, ist nur eine von mehreren Arten, sie darzustellen.
Wie funktioniert eine Voxelwelt?
Eine Voxelwelt ist im Kern eine riesige dreidimensionale Tabelle. Schon eine kleine Welt mit 128 × 128 Feldern Grundfläche und 64 Schichten hat über eine Million Zellen. Damit das handhabbar bleibt, nutzen Spiele ein paar Kniffe:
- Abschnitte: Die Welt wird in Blöcke zerlegt, und nur die Abschnitte rund um die Spielfigur liegen im Speicher.
- Nur sichtbare Flächen: Gezeichnet werden nur Würfelseiten, die an eine leere Zelle grenzen. Alles im Inneren eines Bergs bleibt unsichtbar und kostet keine Grafikleistung.
- Erzeugen statt speichern: Die Landschaft entsteht per prozeduraler Generierung aus einem Seed. Gespeichert werden oft nur die Änderungen, die du vorgenommen hast.
- Detailstufen: Ferne Bereiche werden gröber dargestellt – ein Fall von Level of Detail.
Spielerisch ist das Raster ein Geschenk: Abbauen heißt, eine Zelle auf „leer“ zu setzen; Bauen heißt, eine leere Zelle zu füllen. Graben, Tunnel, Häuser – alles ist nur eine Änderung von Werten. Genau das zeigt die Animation.
Würfel, glatte Flächen und Höhenkarten
- Würfeloptik: Jede gefüllte Zelle wird als Würfel gezeichnet. Das ergibt den typischen Klötzchen-Look.
- Glatte Oberflächen: Verfahren wie Marching Cubes legen aus Dichtewerten eine glatte Haut aus Dreiecken um die Voxel. So entstehen weiche Hügel und Höhlen, die sich trotzdem verformen lassen.
- Strahlen durchs Gitter: Statt Flächen zu bauen, kann ein Programm auch Sehstrahlen Zelle für Zelle durch das Raster schicken, bis sie auf etwas Festes treffen – eine Erweiterung der Idee hinter dem Raycasting in die dritte Dimension.
- Höhenkarten: In den 1990er-Jahren hießen auch Landschaften aus Höhenkarten oft Voxel-Grafik. Dort gibt es pro Rasterpunkt aber nur eine Höhe und keine echten Schichten – Überhänge und Höhlen sind so nicht möglich.
Vor- und Nachteile von Voxeln
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Welt lässt sich überall abbauen und bebauen | hoher Speicherbedarf, auch für das Innere |
| einfache Regeln für Bauen, Graben und Fließen | Treppenkanten an schrägen und runden Formen |
| gut für zufällig erzeugte Welten | Änderungen erfordern Neuberechnung der Umgebung |
| Höhlen und Erze im Inneren sind echt vorhanden | große Sichtweiten brauchen Tricks wie Detailstufen |
Außerhalb von Spielen sind Voxel Alltag in der Medizin: Computertomografie und Magnetresonanztomografie liefern ihre Messwerte als Voxel. Jeder Wert beschreibt ein winziges Raumstück im Körper, und aus allen zusammen entstehen Schnittbilder und 3D-Ansichten.
Unterschied zu Pixel, Polygon und Low Poly
Ein Pixel ist eine Fläche im 2D-Raster, ein Voxel eine Zelle im 3D-Raster. Polygon-Modelle dagegen speichern nur die Oberfläche eines Körpers als Netz aus Eckpunkten und Dreiecken – innen sind sie hohl. Polygone eignen sich deshalb sparsam für glatte, große Flächen, Voxel spielen ihre Stärke aus, wenn das Innere zählt.
Low Poly sieht manchmal ähnlich kantig aus, besteht aber aus wenigen Polygonen und nicht aus einem Raster. Die Blockgrafik alter Heimcomputer setzt flache Bilder aus Zeichen zusammen und hat mit Voxeln nichts zu tun. Echtzeit-3D mit Polygon-Modellen zeigt dagegen Mittweida Stories, dessen Wahrzeichen als eigene 3D-Modelle nachgebaut wurden.
Voxel in Spielen auf Player 0o5
Klotz Z9001
In Klotz Z9001 besteht eine ganze Insel aus Klötzen: 128 × 128 Säulen mit 18 Blockarten, von Gras über Kohle bis zum Fels ganz unten. Das Programm verfolgt Strahlen durch das Klötzchengitter und zeichnet die Ich-Sicht nur aus Grafikzeichen. Für den Z9001 ist das Schwerstarbeit: Klotz hält immer nur den Ausschnitt um dich herum im Speicher und rechnet den Rest bei Bedarf aus der Saat nach; gespeichert werden nur Saat, Spielstand und deine Änderungen.
Häufige Fragen zu Voxel
Was ist ein Voxel?
Ein Voxel ist eine Zelle in einem dreidimensionalen Raster, die einen Wert wie eine Farbe, eine Dichte oder eine Blockart speichert. Es ist das räumliche Gegenstück zum Pixel.
Wofür steht das Wort Voxel?
Voxel ist aus englisch volume und element gebildet, nach dem Vorbild von Pixel, das für picture element steht. Auf Deutsch spricht man auch vom Volumenpixel.
Sind Voxel immer Würfel?
Nein. Ein Voxel ist nur ein Wert an einem Rasterpunkt. Spiele zeigen Voxel oft als Würfel, können sie aber auch zu glatten Oberflächen verbinden.
Was ist der Unterschied zwischen Voxel und Polygon?
Polygone beschreiben nur die Oberfläche eines Körpers als Netz aus Dreiecken. Voxel füllen den ganzen Raum, auch das Innere – deshalb lassen sich Voxelwelten überall aufgraben.
Wo werden Voxel außer in Spielen genutzt?
Vor allem in der Medizin: Computertomografie und Magnetresonanztomografie liefern ihre Messdaten als Voxel, aus denen Schnittbilder und 3D-Ansichten berechnet werden.
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