Voxel und Voxel-basierte Grafik in Spielen: Hardware- und Grafikeffekte Glossar

Special 27.08.2017 um 10:30 Uhr Philipp Reuther

Quelle: CD Projekt

Was bedeuten Grafikbegriffe wie Reflexionen, Spiegelungen, HBAO+ oder VXAO in Spielen? Im Artikel erfahrt ihr, was sich dahinter versteckt.

Voxel und Voxel-basierte Grafik in Spielen

Voxel-basierte Spiele gibt nicht erst seit Minecraft - doch tatsächliche Voxel sieht man selten.

Aktuell ist Voxelgrafik vor allem aus Spielen wie Minecraft sowie Indie-Titeln wie Nex Machina oder 7 Days to Die bekannt. Dabei haben Voxel bereits einen langen Weg hinter sich und kaum ein Spieler, der innerhalb der letzten zehn Jahre mit seinem Hobby begonnen hat, hat wohl je wirklich einen Voxel zu Gesicht bekommen. Dieser Satz klingt widersprüchlich: Wie kann eine aktuell zum Einsatz kommende, populäre Technik in Spielen, in denen sie ausdrücklich genutzt wird, nicht sichtbar sein? Das erklärt sich folgendermaßen: Was ihr in "Voxel"-Spielen wie Minecraft, Resogun, Eldritch oder No Man's Sky zu Gesicht bekommt, sind reguläre Polygone. Die Voxel dienen lediglich der Engine als Basis, um mit diesen Geometrie oder Effekte zu erzeugen.

Quelle: PC Games Ist das Voxelgrafik? Nicht wirklich, die Voxel dienen intern zur Erstellung von Polygonen. Dabei waren und sind Voxel eine interessante Technik und vor dem Siegesmarsch der 3D-Beschleunigerkarten träumte so mancher gar einmal, dass Voxel, nicht Polygone, die Grafik der Zukunft ausmachen würden. Voxel bedeutet schlicht "Volume Element" - "Vox" von Volume und "el" von Element. Ebenfalls gebräuchlich ist "Volume Pixel", und letzteres ist eine gute Bezeichnung: Ein Voxel ist ein dreidimensionaler Pixel. Er besitzt drei Koordinaten (x, y, z) sowie einen einzelnen Farbwert. Ursprünglich stammt die Technik aus der Medizin, genauer der Magnetresonanztomographie. Doch im Jahre 1992 brachte Novalogic mit Commanche ihre patentierte Engine Voxel Space ins Spiel. Diese zeichnete Landschaften weitaus glaubwürdiger als damalige 3D-Engines mittels Polygonen. Sogar die US Army nutzte Simulationen auf Basis der Novalogic-Engine. Wir müssen für diesen Artikel also ein wenig in die Vergangenheit blicken, um die Gegenwart zu verstehen und die Zukunft abzusehen.

Philipps Tipp: Voxel sind cool. Die Technik erlaubt es im Grunde, eine dreidimensionale, dynamische Szene aus Voxeln mit der gleichen Genauigkeit wie ein zweidimensionales Bild aus Pixeln zusammenzusetzen. Aber das hat natürlich einen Haken: Zuerst einmal sind moderne Grafikkarten auf die Verarbeitung von Polygonen ausgelegt, Voxel müssten zu weiten Teilen von der CPU berechnet werden. Außerdem brauchen sie extrem viel Speicher. Wirkliche Voxelgrafik ist aus diesen Gründen wohl auch in Zukunft nicht zu erhoffen.

Die Ursprünge der Voxel-Technik

Ein Voxel ist ein dreidimensionaler, einfarbiger Pixel - oder ein farbiger Quader. Um es ein wenig bildhafter zu beschreiben: Ihr könnt euch einen Voxel wie einen Legostein vorstellen. Aus diesen lässt sich ein dreidimensionales Gebilde bauen. Je mehr Bausteine ihr nutzt, desto komplexer und feiner kann ein solches Objekt ausfallen. Da jeder dieser Bausteine aber auch ständig berechnet werden muss, ist dies extrem anspruchsvoll.

Für jeden (potenziellen) Baustein muss zudem Speicherplatz reserviert werden, bei dynamischer Grafik sogar mit stetigem Lese- und Schreibzugriff. Letzteres ist auch die eigentliche Crux der Voxelgrafik, wenn man einmal davon absieht, dass schon das eigentliche Anzeigen der dreidimensionalen Pixel extrem viel Rechenleistung benötigt. Im Grunde bekommt ihr Voxel aktuell vor allem im wissenschaftlichen Bereich zu Gesicht, bei 3D-Scans beispielsweise. Und genau dort hat die Technik auch ihren Ursprung: Voxel wurden und werden bei sündteuren medizinischen Scannern eingesetzt, um beispielsweise Tumore oder Frakturen offenzulegen. Der Schädel wird Schicht für Schicht gescannt, aus den einzelnen Elementen lässt sich schlussendlich ein dreidimensionales Bild erzeugen, der Arzt kann in den Schädel blicken, ohne diesen aufzuschneiden.

Novalogic brachte die Technik 1992 in abstrahierter Form mit der patentieren Voxel Space Engine und Commanche in auf die heimischen Monitore von Spielern. Die Voxel-Space-Engine funktioniert so: Die Engine "baut" aus einer Textur mit Farbinformationen [1] sowie Höhen-Map [2] ein virtuelles, dreidimensionales Gitter. Von jedem Pixel auf dem Schirm wird ein Strahl ausgesandt (Raycasting) [3]. Trifft er auf einen Punkt im dreidimensionalen Raum, der durch die Höhen-Map definiert wurde, wird ein Voxel mit dem Farbwert aus der zweiten Textur kreiert. Aus diesen Informationen lässt sich schlussendlich die Landschaft erzeugen.
Quelle: Wikipedia Commons Voxel haben ihre Ursprünge in wissenschaftlichen 3D-Scans, genauer: der Magnetresonanztomographie (MRI). Auch heute ist die Technik in verfeinerter Form im Einsatz. Quelle: Simulationcorner.net Mit Commanche und der Voxel Space-Engine brachte Novalogic die Technik anno 1992 auf die heimischen Bildschrime - in stark vereinfachter Form.

Weitere Titel mit Voxelgrafik

Wusstet ihr, dass die im aktuellen Doom eingesetzte id Tech 6 einmal eine Voxel-Engine werden sollte? 2009 geisterten Voxel-Renderings, Entwicklerkommentare und Gerüchte durch das Netz. id Software tüftelte zusammen mit Engine-Guru John Carmack an der nächsten Technikrevolution. Doch Mastermind Carmack wandte sich von 3D-Engines ab, die Voxel verschwanden in der Versenkung und die id Tech 6 erschien als klassische 3D-Engine auf Basis von Polygonen (wobei einzelne volumetrische Effekte intern mittels Voxeln berechnet werden, wie auch in anderen aktuellen Spielen). Es gab jedoch auch schon früher und abseits von Novalogic einige Spiele, die tatsächlich auf Voxelgrafik setzten. Zu den bekanntesten und fortschrittlichsten Voxel-Titeln dürfte Outcast zählen. Das coole Sci-Fi-Abenteuer nutzt eine der Voxel-Space-Technik zumindest sehr ähnliche Technik und mischt sie mit Polygonen.

Noch heute, 18 Jahre später und inklusive Performance-Patch für Achtkern-Prozessoren, bringt Outcast selbst extrem starke Rechner zum Glühen. Und das trotz starker Abstraktion und Vereinfachung der Darstellung: Es können beispielsweise keine Überhänge mit Voxeln erzeugt werden, ein Voxel kann in Breite und Tiefe maximal die gleichen oder geringere Werte des darunterliegenden annehmen, nur in der Höhe einen größeren - die Texturen zur Erstellung der 3D-Voxel-Landschaften sind eben doch nur zweidimensional.

Quelle: PC Games Das bis heute wohl fortschrittlichste Spiel mit Voxelgrafik ist Outcast von 1999. Trotz eingeflossener Optimierungen für Achtkern-CPUs schwitzt der Prozessor noch heute.
Weitere Titel mit Voxelgrafik waren einige Spiele auf Basis einer überarbeiteten Fassung der "2,5D"-Engine Build, die ursprünglich in Duke Nukem 3D zum Einsatz kam. In späteren Titeln, wie dem hier abgebildeten Shadow Warrior wurden einzelne, unanimierte Gegenstände auf Wunsch mittels Voxeln [1] statt 2D-Sprites dargestellt [2]. Auch Command & Conquer: Tiberian Sun nutzte Voxel - diesmal für Einheitengrafiken [3].

Quelle: PC Games Vor Quake und anderen Meilensteinen der Polygongrafik war es zeitweise ungewiss, welche der Techniken die Zukunft gehört - Entwickler experimentierten mit Voxelgrafik.

Voxel-basierte Grafik in aktuellen Spielen

Aktuell sind Voxel vor allem aus "blockigen" Spielen wie Minecraft bekannt. Viele Sandbox-Titel nutzen Voxel zudem für die Landschaftsdarstellung, oder um abbaubare Ressourcen zu visualisieren. Dabei bekommt ihr als Spieler aber keine wirklichen Voxel zu Gesicht, denn diese werden allein intern von der Engine genutzt, um anhand der dynamischen, dreidimensionalen Informationen, die mithilfe der Voxel berechnet werden, klassische Polygongrafik zu erstellen. Ja, die Blöcke in Minecraft basieren auf Voxeln, die Welt aus einem dreidimensionalen Voxelgitter - was im Übrigen auch der Grund ist, weshalb das Spiel bei großen Welten extrem CPU-lastig wird und nach Unmengen Hauptspeicher giert - aber was ihr auf dem Bildschrim seht, sind Quader aus Polygonen, die von der Grafikkarte 3D-beschleunigt, (pixelig) texturiert und mit Shader-Effekten verziert auf den Monitor gezeichnet werden.
Quelle: PC Games Überall Voxel? Mitnichten - auch das "voxelig" wirkende Nex Machina nutzt aus Voxeln gewonnene Polygone. Die herumfliegenden "Voxel"-Brocken sind GPU-Partikeleffekte.

Auch andere "Voxel"-Spiele nutzen keine tatsächliche Voxeldarstellung, sondern verwenden die Technik nur intern zur Berechnung von Polygonlandschaften oder volumetrischen Effekten. Voxel eignen sich auch ausgesprochen gut für die prozedurale Erstellung von Inhalten - so nutzt beispielsweise No Man's Sky Voxel zur Generierung von Planeten - das erlaubt auch das optische Abbauen von Ressourcen. An dieser Stelle drückt sich No Man's Sky allerdings aus Performancegründen um die Physikberechnung, daher sind schwebende Objekte an der Tagesordnung. Spiele wie Space Engineers sind da weiter und inkludieren eine Physik für die intern genutzten Voxel - doch auch hier werden aus Voxeldaten Polygone kreiert. Viele weitere Titel nutzen Voxelberechnungen für einzelne Elemente, beispielsweise können die Steine in Conan Exiles dank Voxeltechnik zerlegt werden. Trotzdem seht ihr keinen einzigen Volumenpixel auf dem Schirm.
Quelle: PC Games Voxel-basierte Landschaftsdarstellung aus Polygonen in No Man's Sky - die aus internen Voxeldaten gewonnene Polygonstruktur ist klar zu erkennen.

In diesem Artikel

Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt - Zeitplan

7. Mai 2017 - Teil 1 - Umgebungsverdeckung
20. Mai 2017 - Teil 2 - Spiegelungen und Reflexionen
3. Juni 2017 - Teil 3 - Die moderne Texturdarstellung
25. Juni 2017 - Teil 4 - Depth of Field oder Tiefenschärfe
9. Juli 2017 - Teil 5 - Moderne Kantenglättungsverfahren
30. Juli 2017 - Teil 6 - Globale Beleuchtung
13. August 2017 - Teil 7 - Voxel und Voxel-basierte Grafik in Spielen
27. August 2017 - Teil 8 - Schattendarstellung in Spielen
...Viele weitere Teile folgen!