Voxel: hoe computers de wereld in 3D-blokjes opdelen
Een voxel is het driedimensionale broertje van een pixel. Waar een pixel een gekleurd puntje is op een plat scherm, is een voxel een klein blokje met een vaste positie in de ruimte, met lengte, breedte én hoogte. De naam is dan ook een samentrekking van "volumetric pixel" (volumetrische pixel). Stapel je genoeg voxels op elkaar, dan ontstaat een driedimensionaal model dat je van alle kanten kunt bekijken, net zoals een stapel Lego-blokjes samen een kasteel vormt.
Het bekendste voorbeeld voor de meeste mensen is het computerspel Minecraft, waarin de hele wereld is opgebouwd uit kubusvormige blokken. Dat is een vereenvoudigde, zichtbare vorm van een voxel-wereld. Maar voxels worden ook gebruikt op plekken waar je ze niet ziet: een CT-scan in het ziekenhuis maakt bijvoorbeeld een stapel platte doorsnedes van je lichaam, die de computer samenvoegt tot een 3D-blokjesmodel waarin artsen dwars door organen en botten heen kunnen kijken.
Wat is het precies?
Een gewoon 3D-model in games of animatiefilms bestaat meestal uit een "mesh": een oppervlak van driehoeken die samen een vorm vormen, zoals de buitenkant van een auto. Een voxelmodel werkt anders: het beschrijft niet alleen het oppervlak, maar de hele inhoud van een ruimte, ingedeeld in een rooster van kleine kubusjes. Elk voxel krijgt een waarde mee, bijvoorbeeld een kleur, een dichtheid, of "leeg" versus "gevuld".
Dat rooster kan extreem fijn zijn. Een CT-scan werkt bijvoorbeeld met voxels van minder dan een millimeter. Het probleem is dat het aantal voxels razendsnel oploopt: verdubbel je de resolutie in alle drie de richtingen, dan heb je acht keer zoveel voxels nodig. Daarom gebruiken ontwikkelaars trucs om geheugen te besparen, zoals de "sparse voxel octree": een boomstructuur die lege of uniforme gebieden (zoals de lucht boven een landschap) samenvat in één groot blok, en alleen daar waar detail nodig is verder opsplitst in kleinere blokjes.
Om een voxelmodel op een scherm te tonen, moet een computer bepalen welke voxels zichtbaar zijn vanuit het standpunt van de kijker. Dat kan via "ray casting" of "ray marching": voor elke pixel op het scherm wordt een denkbeeldige lichtstraal de voxel-ruimte in gestuurd totdat die een gevuld blokje raakt. Dit is rekenkundig zwaarder dan het tekenen van driehoeken, wat de reden is waarom voxel-graphics lange tijd vooral in niches als medische software en visuele effecten bleven, en pas de laatste jaren dankzij snellere grafische kaarten breder haalbaar worden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grote voordeel van voxels is dat ze niet alleen een oppervlak beschrijven, maar ook wat zich daaronder of daarbinnen bevindt. Dat maakt ze geschikt voor alles wat vervormbaar, doorzichtig of vloeibaar moet zijn: rook, vuur, wolken, water, maar ook aardlagen, tumoren in een lichaam, of een muur die kapotgeschoten kan worden in een spel. Bij een mesh-model moet je van tevoren precies vastleggen hoe iets eruitziet; bij voxels kun je materiaal toevoegen of weghalen zonder dat de onderliggende structuur instort.
Een tweede doel is realistische, geautomatiseerde weergave van enorme hoeveelheden data, zoals landschappen opgemeten met laserscanners (lidar) of astronomische simulaties. Voxels bieden een natuurlijke manier om zulke puntenwolken om te zetten in iets waar een computer snel doorheen kan navigeren of op kan rekenen, bijvoorbeeld om te bepalen of een zelfrijdende auto ergens tegenaan dreigt te botsen.
Tot slot spelen voxels een rol bij digitale twins: nauwkeurige, doorzoekbare 3D-kopieën van bestaande objecten of omgevingen, van een fabriekshal tot een menselijk orgaan, waarin je kunt meten, simuleren en plannen zonder het origineel aan te raken.
Voorbeelden uit de praktijk
Minecraft (Mojang, 2009) is verreweg het bekendste voorbeeld: een volledig voxel-gebaseerde wereld waarin spelers blokken kunnen plaatsen en weghalen. De eenvoud van grote, zichtbare kubussen maakte het spel ook technisch behapbaar op gewone computers.
Teardown (Tuxedo Labs, 2020) ging een stap verder: een voxel-spel waarin vrijwel elk object volledig vernietigbaar is, inclusief de fysica van instortende gebouwen, met fotorealistische verlichting die reageert op de vervorming in real time.
OpenVDB, oorspronkelijk ontwikkeld door animatiestudio DreamWorks Animation en sinds 2012 open source, is een softwarebibliotheek voor het efficiënt opslaan van voxeldata. Het wordt in de filmindustrie gebruikt om rook, vuur, explosies en vloeistoffen te simuleren en te renderen, en valt inmiddels onder de Academy Software Foundation, een samenwerkingsverband van studio's als Disney, Pixar en Sony.
In de medische beeldvorming produceren CT- en MRI-scanners van fabrikanten als Siemens Healthineers, GE HealthCare en Philips standaard voxel-volumes, opgeslagen volgens de wereldwijde DICOM-standaard, waarmee artsen driedimensionale doorsnedes van het lichaam kunnen bekijken en analyseren.
Space Engineers (Keen Software House, 2013) gebruikt voxels voor vervormbare asteroïden en planeetoppervlakken die spelers kunnen uithollen of bewerken met mijnbouwgereedschap, wat een ander praktisch gebruik van vervormbare voxel-terreinen laat zien.
Hoe ver is de techniek?
In de medische wereld en de filmindustrie is voxeltechnologie allang volwassen en dagelijkse praktijk: elke ziekenhuisscan en veel Hollywood-vfx draaien er al decennia op. Daar is de vooruitgang vooral incrementeel, gericht op hogere resolutie, snellere verwerking en betere compressie van de enorme databestanden die voxels opleveren.
In games en real-time graphics is de ontwikkeling grilliger. Het geheugen- en rekenprobleem van voxels is nooit helemaal opgelost: grote, gedetailleerde voxelwerelden vragen nog steeds veel opslag en rekenkracht, ook al hebben technieken als sparse octrees en slimmere compressie het probleem sterk verkleind. Een berucht voorbeeld van de kloof tussen belofte en werkelijkheid is het Australische bedrijf Euclideon, dat rond 2011 met zijn "Unlimited Detail"-engine claimde ongelimiteerde 3D-detail te kunnen tonen zonder grafische kaart. De techniek bleek in de praktijk niet geschikt voor interactieve, bewegende scènes zoals games, en het bedrijf leverde nooit een breed gebruikt product op basis van die belofte. Het voorbeeld wordt in de sector vaak aangehaald als waarschuwing tegen te snel juichen over voxel-doorbraken.
Recentere vooruitgang komt vooral van grafische kaartfabrikanten als NVIDIA, die met onderzoek naar voxel cone tracing en verwante technieken (zoals VXGI) real-time, realistische verlichting in voxel- en meshscènes proberen te combineren. Dat werk is deels doorgesijpeld naar game-engines, maar volledig voxel-gebaseerde, fotorealistische open werelden op consumentenhardware zijn nog geen gangbare praktijk.
Wie werken eraan?
Op medisch gebied zijn de grote fabrikanten van scanapparatuur, zoals Siemens Healthineers, GE HealthCare en Philips, de belangrijkste partijen, samen met ziekenhuizen en onderzoeksinstituten die de DICOM-standaard beheren en toepassen.
In visuele effecten en animatie zijn studio's als DreamWorks Animation, Pixar, Disney en Sony Pictures Imageworks toonaangevend, verenigd in open-sourceprojecten onder de Academy Software Foundation (waaronder OpenVDB).
In de game-industrie werken studio's als Mojang (onderdeel van Microsoft), Tuxedo Labs en Keen Software House aan voxel-gebaseerde spellen, terwijl chipmakers als NVIDIA en, in mindere mate, AMD onderzoek doen naar snellere voxel-rendering op grafische kaarten. Universiteiten en onderzoeksgroepen wereldwijd, onder meer in de Verenigde Staten en Europa, publiceren daarnaast regelmatig over nieuwe compressie- en rendertechnieken voor voxeldata, bijvoorbeeld voor toepassing in robotica en autonome voertuigen, waar voxel-rasters worden gebruikt om de omgeving in kaart te brengen.