Voxel

In der Computergrafik bezeichnet der Begriff Voxel (zusammengesetzt aus volumetric und pixel) einen Gitterpunkt („Bild“punkt, Datenelement) in einem dreidimensionalen Gitter. Dies entspricht einem Pixel in einem 2D-Bild, einer Rastergrafik. Wie bei Pixeln wird bei Voxeln üblicherweise die Position nicht explizit gespeichert, sondern implizit aus der Position zu anderen Voxeln hergeleitet. Im Gegensatz dazu werden bei Punkten oder Polygonen die Positionen in den Koordinaten der Ecken gespeichert. Eine direkte Konsequenz dieses Unterschiedes ist, dass man mit Polygonen eine 3D-Struktur mit viel leerem oder homogen gefülltem Raum effizient darstellen kann. Voxel hingegen sind gut bei der Repräsentation eines äquidistant gesampelten Raums, der nicht homogen gefüllt ist.

Beschreibung

Voxel bezeichnet zwei Dinge:

Räumlicher Datensatz

Bei einem räumlichen Datensatz, der in diskretisierter Form in kartesischen Koordinaten vorliegt, bezeichnet Voxel den diskreten Wert an einer XYZ-Koordinate des Datensatzes. Bei dieser Definition handelt es sich um das dreidimensionale Äquivalent eines Pixels, somit hat ein Voxel keine bestimmte Form. Man spricht hier auch vom isotropen Voxel oder „Volumenpixel“. Häufig handelt es sich bei den in Voxelgittern enthaltenen Daten um Farbwerte, die mit den Mitteln der Volumengrafik zur Visualisierung bestimmt sind. Anwendungen findet diese Form der Datenrepräsentation vor allem in den bildgebenden Verfahren der Medizin, hier können die diskreten Werte als Dichte (Knochen, Fettgewebe) aufgefasst werden und entsprechend visualisiert werden.

Für die Darstellung dieser Voxel gibt es spezialisierte Algorithmen. Der Marching-Cubes-Algorithmus erlaubt das Umwandeln von Voxeldaten in Polygon. Dazu bedarf es allerdings eines Schwellenwerts, weil die Polygone üblicherweise nicht transparent sind. Eine andere Methode ist das direkte Rendering der Voxeldaten. Dies kann mit Raycasting geschehen indem man einen Strahl durch das Voxelgitter wirft und die Farbwerte verrechnet. Abgebrochen wird, falls Opazität erreicht wird. <ref>Alan Watt (2002): 3D-Computergrafik, 3. Auflage, Addison-Wesley</ref>

Raytracing

In anderen Fällen bezeichnet ein Voxel eine quaderförmige Zelle innerhalb eines regelmäßig aufgeteilten Quaders oder unbegrenzten Raumes. Am häufigsten wird diese Bedeutung bei bestimmten Techniken zur Beschleunigung von Raytracing verwendet. Da sie sich allerdings nicht an die lokalen Gegebenheiten anpasst ist diese Methode nicht sehr effizient. Besser ist es, eine Beschleunigungsstruktur wie den k-d-Baum zu verwenden.

Verwendung

Üblicherweise werden Voxel in der Medizin oder bei der Darstellung von Landschaften in Computerspielen und Simulation eingesetzt. Voxelterrain wird statt eines Höhenfelds (Heightmap) eingesetzt, weil es Überhänge, Höhlen, Bögen und andere 3D-Merkmale einer Landschaft darstellen kann. Diese konkaven Merkmale können mit einem Höhenfeld nicht repräsentiert werden, weil es nur die oberste Ebene der Landschaft speichert, und alles darunter als gefüllt angenommen wird. In der Telefontechnik wird mitunter der Begriff für schnurlose Telefonanlagen verwendet (lat. Vox für Stimme).

Computerspiele

Zu den voxelbasierten Spielen gehören:

• 1992: Comanche, eine Helikopterflugsimulation, benutzt eine frühe Implementierung der Voxeltechnik
• 1999: Command & Conquer: Tiberian Sun, Fahrzeuge und Gleiter werden mit Voxelgrafik dargestellt.
• 1999: Outcast, ein Spiel des belgischen Entwicklers Appeal, das die Außenlandschaften mit einer Voxel-Engine rendert.
• 2005: C4 Engine, eine Spieleengine die Voxel zur Darstellung des Terrains verwendet. Zum Editieren gibt es einen Voxeleditor innerhalb des Leveleditors.
• 2007: Crysis, verwendet eine Kombination von Höhenfeld und Voxel für sein Terrain-System.
• 2008: Voxelstein 3D verwendet Voxel um eine vollständig zerstörbare Umgebung zu ermöglichen.<ref>http://voxelstein3d.sourceforge.net/</ref>
• 2011: Castle Story, ein voxelbasiertes Echtzeit-Strategiespiel
• 2013: Space Engineers verwendet eine Kombination aus auf Voxeln und Polygonen basierenden Strukturen.
• 2014: Rising World voxel-basierendes, Open-World-Sandbox-Spiel
• 2015: Trove voxel-basierendes, MMORPG

Verwandte Spiele:

• 2009: Minecraft, ein Open-World-Spiel mit generischem Terrain, das bearbeitet werden kann. Minecraft-Blöcke werden jedoch als Polygone gerendert.
• 2011: Minetest, ein freies Open-World-Spiel mit generischem Terrain, das bearbeitet werden kann.

Einzelnachweise

<references />