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Voxel analog zu Pixel aus dem Englischen volume und el von element 1 bezeichnet in der Computergrafik einen Gitterpunkt

Voxel

Voxel (analog zu Pixel aus dem Englischen volume und el von element) bezeichnet in der Computergrafik 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 der Eckkoordinaten 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.

Eine Menge von gestapelten Voxeln.
Ein einziges ist hervorgehoben.

Beschreibung Bearbeiten

Voxel bezeichnet zwei Dinge:

Bildliche Veranschaulichung eines Voxelgitters. Jedes Voxel enthält einen Farbwert, hier ersichtlich durch die unterschiedliche Graufärbung der Kugeln.

Räumlicher Datensatz Bearbeiten

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 Polygone. 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.

Raytracing Bearbeiten

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 Bearbeiten

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.

Computerspiele Bearbeiten

Zu den voxelbasierten Computerspielen gehören:

Voxelbasiertes Rendering Bearbeiten

Spiele, bei denen einzelne Objekte oder die gesamte Spielwelt als Voxel gerendert werden:

  • 1997: Shadow Warrior und Blood nutzten eine spätere Version der Build-Engine, die Voxel-Objekte verwendet.
  • 2008: Voxelstein 3D verwendet Voxel um eine vollständig zerstörbare Umgebung zu ermöglichen. Das Spiel basiert auf Ken Silvermans Voxlap-Engine.
  • 2020: Teardown verwendet Voxel ähnlich wie Voxelstein 3D.

Voxelobjekte innerhalb isometrischer Welten Bearbeiten

Spiele mit isometrischer Perspektive, bei denen Objekte aus Voxeln bestehen:

  • 1999: Command & Conquer: Tiberian Sun und Command & Conquer: Alarmstufe Rot 2, Fahrzeuge und Gleiter werden mit Voxelgrafik dargestellt.
  • 1999: Sid Meier’s Alpha Centauri, Strategiespiel, nutzt Voxel-Modelle, um Einheiten zu zeichnen.

Voxel als Grafikstil Bearbeiten

Spiele, die Voxel als Grafikstil aber Polygone zur Darstellung verwenden.

Heightmap Raycasting Bearbeiten

Um den hohen Gebrauch an Speicherplatz und CPU-Leistung von vollständigen Voxelwelten zu minimieren und somit eine dreidimensionale Darstellung von Umgebungen zu Laufzeit zu ermöglichen, vereinfachten Entwickler die auf Raytracing basierenden Rendering-Algorithmen so weit, dass lediglich ein Höhenfeld dargestellt wird. Durch den deutlichen reduzierbaren Rechenaufwand war somit eine Darstellung von dreidimensionalen Umgebungen in Echtzeit möglich und dabei lediglich Speicherplatz für zweidimensionale Karten mit Höhen- und Farbinformationen nötig. Dies entspricht zwar keinen Voxeln im eigentlichen Sinn, wurde aber von verschiedenen Herstellern trotzdem als Voxel-Grafik beworben. Die Darstellung von überhängenden Gebilden ist so nicht möglich. Objekte innerhalb der Spielwelt wurden deshalb mit Sprites oder Polygonen dargestellt.

  • 1992: Comanche, eine Helikopterflugsimulation, benutzt eine frühe Implementierung von Heightmap Raycasting
  • 1998: Delta Force, Ego-Shooter, nutzt die Engine VoxelSpace
  • 1999: Outcast, ein Spiel des belgischen Entwicklers Appeal, das das Höhenfeld-Terrain mit einer sogenannten Voxel-Engine rendert. Objekte in der Spielwelt bestehen allerdings aus Polygonen.

Weitere Bearbeiten

  • 2007: Crysis, verwendet eine Kombination von Höhenfeld und Voxel für sein Terrain-System.
  • 2013: Space Engineers verwendet eine Kombination aus auf Voxeln und Polygonen basierenden Strukturen
  • 2014: Rising World, Open-World-Sandbox-Spiel
  • 2015: Empyrion - Galactic Survival, ähnlich Space Engineers
  • 2016: Dual Universe Sci-Fi-MMO. Ein Universum für alle Spieler gleichzeitig. Die Welten und von Spielern gebaute Konstrukte sind aus editierbaren Voxeln.
  • 2005: C4 Engine, eine Spieleengine die Voxel zur Darstellung des Terrains verwendet. Zum Editieren gibt es einen Voxeleditor innerhalb des Leveleditors.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Voxel statt Pixel: Aktuelle Methoden der 3D-Darstellung. In: computerwoche.de. Computerwoche, 31. Mai 1991, abgerufen am 19. Januar 2017.
  2. Alan Watt (2002): 3D-Computergrafik, 3. Auflage, Addison-Wesley
  3. https://voxelstein3d.sourceforge.net/
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Veröffentlichungsdatum:
Voxel analog zu Pixel aus dem Englischen volume und el von element 1 bezeichnet in der Computergrafik 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 ublicherweise die Position nicht explizit gespeichert sondern implizit aus der Position zu anderen Voxeln hergeleitet Im Gegensatz dazu werden bei Punkten oder Polygonen die Positionen der Eckkoordinaten gespeichert Eine direkte Konsequenz dieses Unterschiedes ist dass man mit Polygonen eine 3D Struktur mit viel leerem oder homogen gefulltem Raum effizient darstellen kann Voxel hingegen sind gut bei der Reprasentation eines aquidistant gesampelten Raums der nicht homogen gefullt ist Eine Menge von gestapelten Voxeln Ein einziges ist hervorgehoben Inhaltsverzeichnis 1 Beschreibung 1 1 Raumlicher Datensatz 1 2 Raytracing 2 Verwendung 3 Computerspiele 3 1 Voxelbasiertes Rendering 3 2 Voxelobjekte innerhalb isometrischer Welten 3 3 Voxel als Grafikstil 3 4 Heightmap Raycasting 3 5 Weitere 4 EinzelnachweiseBeschreibung BearbeitenVoxel bezeichnet zwei Dinge nbsp Bildliche Veranschaulichung eines Voxelgitters Jedes Voxel enthalt einen Farbwert hier ersichtlich durch die unterschiedliche Graufarbung der Kugeln Raumlicher Datensatz Bearbeiten Bei einem raumlichen 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 Aquivalent eines Pixels somit hat ein Voxel keine bestimmte Form Man spricht hier auch vom isotropen Voxel oder Volumenpixel Haufig 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 Datenreprasentation vor allem in den bildgebenden Verfahren der Medizin hier konnen die diskreten Werte als Dichte Knochen Fettgewebe aufgefasst werden und entsprechend visualisiert werden Fur die Darstellung dieser Voxel gibt es spezialisierte Algorithmen Der Marching Cubes Algorithmus erlaubt das Umwandeln von Voxeldaten in Polygone Dazu bedarf es allerdings eines Schwellenwerts weil die Polygone ublicherweise 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 Opazitat erreicht wird 2 Raytracing Bearbeiten In anderen Fallen bezeichnet ein Voxel eine quaderformige Zelle innerhalb eines regelmassig aufgeteilten Quaders oder unbegrenzten Raumes Am haufigsten 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 BearbeitenUblicherweise werden Voxel in der Medizin oder bei der Darstellung von Landschaften in Computerspielen und Simulation eingesetzt Voxelterrain wird statt eines Hohenfelds Heightmap eingesetzt weil es Uberhange Hohlen Bogen und andere 3D Merkmale einer Landschaft darstellen kann Diese konkaven Merkmale konnen mit einem Hohenfeld nicht reprasentiert werden weil es nur die oberste Ebene der Landschaft speichert und alles darunter als gefullt angenommen wird Computerspiele BearbeitenZu den voxelbasierten Computerspielen gehoren Voxelbasiertes Rendering Bearbeiten Spiele bei denen einzelne Objekte oder die gesamte Spielwelt als Voxel gerendert werden 1997 Shadow Warrior und Blood nutzten eine spatere Version der Build Engine die Voxel Objekte verwendet 2008 Voxelstein 3D verwendet Voxel um eine vollstandig zerstorbare Umgebung zu ermoglichen Das Spiel basiert auf Ken Silvermans Voxlap Engine 3 2020 Teardown verwendet Voxel ahnlich wie Voxelstein 3D Voxelobjekte innerhalb isometrischer Welten Bearbeiten Spiele mit isometrischer Perspektive bei denen Objekte aus Voxeln bestehen 1999 Command amp Conquer Tiberian Sun und Command amp Conquer Alarmstufe Rot 2 Fahrzeuge und Gleiter werden mit Voxelgrafik dargestellt 1999 Sid Meier s Alpha Centauri Strategiespiel nutzt Voxel Modelle um Einheiten zu zeichnen Voxel als Grafikstil Bearbeiten Spiele die Voxel als Grafikstil aber Polygone zur Darstellung verwenden 2009 3D Dot Game Heroes voxelbasierte Welt 2009 Minecraft voxelbasiertes Open World Sandbox 2011 Minetest ahnlich Minecraft 2011 Castle Story ein Echtzeit Strategiespiel 2012 Ace of Spades ein Open World Ego Shooter 2014 Planets Rollenspiel 2015 Trove MMORPG 2017 Castle Story 2019 Cube World 2020 The Sandbox ahnlich Minecraft mit NFTsHeightmap Raycasting Bearbeiten Um den hohen Gebrauch an Speicherplatz und CPU Leistung von vollstandigen Voxelwelten zu minimieren und somit eine dreidimensionale Darstellung von Umgebungen zu Laufzeit zu ermoglichen vereinfachten Entwickler die auf Raytracing basierenden Rendering Algorithmen so weit dass lediglich ein Hohenfeld dargestellt wird Durch den deutlichen reduzierbaren Rechenaufwand war somit eine Darstellung von dreidimensionalen Umgebungen in Echtzeit moglich und dabei lediglich Speicherplatz fur zweidimensionale Karten mit Hohen und Farbinformationen notig Dies entspricht zwar keinen Voxeln im eigentlichen Sinn wurde aber von verschiedenen Herstellern trotzdem als Voxel Grafik beworben Die Darstellung von uberhangenden Gebilden ist so nicht moglich Objekte innerhalb der Spielwelt wurden deshalb mit Sprites oder Polygonen dargestellt 1992 Comanche eine Helikopterflugsimulation benutzt eine fruhe Implementierung von Heightmap Raycasting 1998 Delta Force Ego Shooter nutzt die Engine VoxelSpace 1999 Outcast ein Spiel des belgischen Entwicklers Appeal das das Hohenfeld Terrain mit einer sogenannten Voxel Engine rendert Objekte in der Spielwelt bestehen allerdings aus Polygonen Weitere Bearbeiten 2007 Crysis verwendet eine Kombination von Hohenfeld und Voxel fur sein Terrain System 2013 Space Engineers verwendet eine Kombination aus auf Voxeln und Polygonen basierenden Strukturen 2014 Rising World Open World Sandbox Spiel 2015 Empyrion Galactic Survival ahnlich Space Engineers 2016 Dual Universe Sci Fi MMO Ein Universum fur alle Spieler gleichzeitig Die Welten und von Spielern gebaute Konstrukte sind aus editierbaren Voxeln 2005 C4 Engine eine Spieleengine die Voxel zur Darstellung des Terrains verwendet Zum Editieren gibt es einen Voxeleditor innerhalb des Leveleditors Einzelnachweise Bearbeiten Voxel statt Pixel Aktuelle Methoden der 3D Darstellung In computerwoche de Computerwoche 31 Mai 1991 abgerufen am 19 Januar 2017 Alan Watt 2002 3D Computergrafik 3 Auflage Addison Wesley https voxelstein3d sourceforge net Normdaten Sachbegriff GND 4534766 9 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Voxel amp oldid 237419568