Wer Minecraft spielt, kennt sie: Die charakteristischen Würfelwelten, in denen jeder Block abgebaut und neu platziert werden kann. Auch das aktuelle Donkey Kong Bananza für die Nintendo Switch 2 setzt auf diese Technologie, um seine vollständig zerstörbaren Umgebungen zu realisieren. Doch was genau steckt hinter dem Begriff Voxel, und warum erleben diese dreidimensionalen Bausteine gerade eine Renaissance in der Spielebranche?
Was ist ein Voxel?
Der Begriff Voxel setzt sich aus den englischen Wörtern „Volume“ (Volumen) und „Element“ zusammen, manchmal auch als „Volume Pixel“ interpretiert. Ein Voxel ist im Grunde das dreidimensionale Gegenstück zum Pixel, den wir aus zweidimensionalen Bildern kennen. Während ein Pixel einen einzelnen Farbpunkt auf einer flachen Ebene darstellt, repräsentiert ein Voxel einen Datenpunkt in einem dreidimensionalen Gitter.
Jedes Voxel besitzt drei Koordinaten (X, Y und Z) sowie einen Farbwert. Diese Kombination ermöglicht es, dreidimensionale Objekte und Umgebungen aus vielen kleinen Bausteinen zusammenzusetzen. Die Vorstellung ist ähnlich wie bei Legosteinen: Je mehr Bausteine verwendet werden, desto feiner und detaillierter kann das Endergebnis ausfallen. Im Unterschied zu herkömmlicher Polygongrafik, bei der nur die Oberflächen von Objekten definiert werden, repräsentieren Voxel tatsächlich Volumen, also auch das Innere eines Objekts.
Die Ursprünge: Von der Medizin ins Wohnzimmer
Voxel stammen ursprünglich nicht aus der Spielebranche, sondern aus der Medizin. Bei bildgebenden Verfahren wie der Magnetresonanztomographie werden Körper Schicht für Schicht gescannt, wobei jede Schicht aus einzelnen Datenpunkten besteht. Aus diesen Voxeln lässt sich dann ein dreidimensionales Bild des gescannten Bereichs rekonstruieren, das Ärzten erlaubt, beispielsweise Tumore oder Frakturen zu erkennen, ohne operieren zu müssen.
Die Spielebranche entdeckte das Potenzial der Technologie 1992, als Novalogic mit dem Helikoptersimulator Commanche die patentierte Voxel Space Engine vorstellte. Diese Technologie ermöglichte Landschaften, die weit natürlicher und detaillierter wirkten als die eckigen Polygongebirge der Konkurrenz. Die sanft geschwungenen Hügel und die beeindruckende Sichtweite setzten damals neue Maßstäbe. In der Folge setzte Novalogic die Technologie auch in der Delta Force-Reihe ein und etablierte Voxel als ernstzunehmende Alternative zur Polygongrafik.
Voxel gegen Polygone: Zwei Philosophien
Die moderne 3D-Grafik basiert überwiegend auf Polygonen, also Vielecken, die zu Drahtgittermodellen zusammengesetzt und mit Texturen überzogen werden. Diese Methode hat sich durchgesetzt, weil moderne Grafikkarten speziell für die Verarbeitung von Polygonen optimiert sind. Die Hardware ist darauf ausgelegt, Dreiecke zu rastern und Texturen darauf abzubilden, was äußerst effizient funktioniert.
Voxel verfolgen einen anderen Ansatz. Statt nur die Oberfläche eines Objekts zu definieren, wird das gesamte Volumen durch einzelne Datenpunkte repräsentiert. Das hat bedeutende Vorteile: Voxel ermöglichen echte Zerstörbarkeit, da jeder einzelne Baustein unabhängig existiert und entfernt werden kann. Höhlen, Überhänge und komplexe Hohlräume lassen sich problemlos darstellen, was mit einfachen Höhenkarten nicht möglich wäre. Auch die Erstellung von Inhalten wird intuitiver, da man quasi wie mit digitalem Ton formen kann.
Der Nachteil liegt im enormen Ressourcenbedarf. Jedes Voxel muss gespeichert und berechnet werden, was bei komplexen Szenen zu gewaltigen Datenmengen führt. Eine detaillierte Voxelwelt kann aus Milliarden einzelner Bausteine bestehen. Hinzu kommt, dass Voxelberechnungen traditionell besser auf dem Prozessor als auf der Grafikkarte laufen, was die Nutzung moderner GPU-Leistung erschwert.
Der Minecraft-Effekt
Mit Minecraft erlebte der Voxel-Stil 2011 seinen großen Durchbruch, wobei hier eine wichtige Unterscheidung getroffen werden muss. Minecraft verwendet zwar eine blockartige Ästhetik, die an Voxel erinnert, die tatsächliche Darstellung erfolgt jedoch über herkömmliche Polygone. Die charakteristischen Würfel werden als Polygonmodelle gerendert, nicht als echte Voxel. Man spricht daher von einem Voxel-Stil, nicht von echter Voxel-Grafik.
Diese Unterscheidung ist wichtiger, als sie zunächst klingen mag. Echte Voxel-Grafik würde bedeuten, dass jeder einzelne Würfel als Datenpunkt im dreidimensionalen Raum existiert und bei der Darstellung individuell berechnet wird. In Minecraft werden die Blöcke hingegen als klassische 3D-Objekte behandelt und von der Grafikkarte wie jedes andere Polygonmodell verarbeitet. Die Spielmechanik des Abbauens und Platzierens von Blöcken ist unabhängig von der Rendering-Technologie.
Echte Voxel: Teardown und die neue Generation
Spiele wie Teardown aus dem Jahr 2020 zeigen, was mit echter Voxel-Technologie möglich ist. In diesem Spiel besteht die gesamte Spielwelt aus Voxeln, und jeder einzelne kann dynamisch verändert werden. Die Entwickler nutzen dabei mehrere überlagerte Voxel-Strukturen: eine für die visuelle Darstellung, eine für die Physikberechnung und eine weitere für die Beleuchtung mittels Raytracing.
Das Ergebnis ist beeindruckend. Gebäude können nicht nur zerstört, sondern Stück für Stück abgetragen werden. Wenn tragende Strukturen entfernt werden, stürzt das darüberliegende Material physikalisch korrekt zusammen. Die Beleuchtung reagiert in Echtzeit auf Veränderungen in der Umgebung, Löcher in Wänden lassen Licht herein, zerstörte Lampen verdunkeln Räume. Diese Dynamik wäre mit herkömmlicher Polygongrafik in diesem Umfang nicht realisierbar.
Die technischen Herausforderungen bleiben allerdings bestehen. Größere Level in Teardown bestehen aus rund einer halben Milliarde Voxel, was clevere Kompressions- und Verwaltungssysteme erfordert. Die Entwickler nutzen verschiedene Optimierungen, um die Datenmenge handhabbar zu halten, darunter die dynamische Ableitung bestimmter Voxel-Strukturen aus anderen zur Laufzeit.
Donkey Kong Bananza: Voxel auf der Konsole
Mit Donkey Kong Bananza hat Nintendo 2025 gezeigt, dass Voxel-Technologie auch auf Konsolen funktionieren kann. Die Nintendo Switch 2 bietet genug Rechenleistung, um eine vollständig zerstörbare Spielwelt in Echtzeit darzustellen. DK kann praktisch jede Oberfläche durchschlagen, Tunnel graben und die Landschaft nach Belieben umgestalten.
Die Technik ermöglicht dabei nicht nur Zerstörung, sondern auch eine Materialvielfalt, die bei traditioneller Grafik schwieriger zu erreichen wäre. Verschiedene Gesteinsarten, Erde, Vegetation und künstliche Strukturen reagieren unterschiedlich auf Einwirkung und haben jeweils eigene physikalische Eigenschaften. Diese Dichte und Vielfalt hebt Bananza von früheren Ansätzen ab und zeigt das Potenzial der Technologie für Mainstream-Titel.
Vor- und Nachteile der Voxel-Grafik
Die Vorteile der Voxel-Technologie liegen auf der Hand. Vollständige Zerstörbarkeit ist der offensichtlichste Pluspunkt, da jeder Voxel unabhängig entfernt oder verändert werden kann. Komplexe Geländeformen mit Höhlen, Überhängen und verschachtelten Strukturen lassen sich natürlich darstellen. Die Erstellung von Inhalten wird intuitiver, da das Formen von Voxelmodellen dem Arbeiten mit echtem Material ähnelt. Zudem lässt sich der Detailgrad dynamisch anpassen, indem Voxel bei Bedarf in feinere Sub-Voxel unterteilt werden.
Die Nachteile sind ebenso gewichtig. Der Speicherbedarf ist enorm, da jeder einzelne Voxel Daten benötigt. Die Rechenleistung für vollständige Voxelszenen übersteigt oft die Kapazitäten aktueller Hardware. Moderne Grafikkarten sind für Polygonverarbeitung optimiert, nicht für Voxel, was die Nutzung vorhandener Hardware erschwert. Dynamische Beleuchtung und andere fortgeschrittene Effekte erfordern zusätzliche Rechenleistung, die bei Voxelgrafik ohnehin knapp ist. Schließlich erfordern bewegte Objekte wie Charaktere bei reiner Voxeldarstellung eine ständige Neuberechnung, was die Performance weiter belastet.
Die Zukunft der Voxel
Die Entwicklung der Voxel-Technologie schreitet stetig voran. Unternehmen arbeiten an effizienteren Algorithmen und Kompressionsmethoden, um die Datenmenge handhabbar zu machen. Die zunehmende Verbreitung von Raytracing in modernen Grafikkarten kommt der Voxel-Grafik zugute, da Strahlenverfolgung auf Voxel-Strukturen besonders effizient funktionieren kann.
Hybrid-Ansätze, bei denen Voxel für Umgebungen und Terrain genutzt werden, während Charaktere und bewegliche Objekte als Polygone dargestellt werden, gewinnen an Popularität. Dieser Kompromiss vereint die Vorteile beider Technologien: die Zerstörbarkeit und Formbarkeit der Voxelwelten mit der Effizienz und Detailtreue von Polygonmodellen für komplexe animierte Objekte.
Für Spieler bedeutet das vor allem mehr Freiheit. Spiele wie Teardown und Donkey Kong Bananza zeigen, wie Voxel-Technologie neue Gameplay-Möglichkeiten eröffnet. Wenn jede Wand durchbrochen und jeder Berg abgetragen werden kann, entstehen Spielerlebnisse, die mit traditioneller Grafik nicht möglich wären. Die Renaissance der Voxel hat gerade erst begonnen.
Bekannte Spiele mit Voxel-Technologie oder Voxel-Stil
Die Geschichte der Voxel in Spielen reicht von den Pionieren der 90er Jahre bis zu aktuellen Titeln. Commanche von 1992 gilt als erstes kommerzielles Spiel mit Voxel-Technologie und nutzte diese für beeindruckend weite Landschaften. Die Delta Force-Reihe setzte die Tradition fort und bot für ihre Zeit erstaunlich weitläufige Schlachtfelder. Outcast von 1999 kombinierte Voxel-Terrain mit Polygoncharakteren und galt als technisches Wunderwerk.
In der modernen Ära hat Minecraft den Voxel-Stil popularisiert, auch wenn das Spiel technisch auf Polygone setzt. Teardown demonstriert seit 2020 echte Voxel-Zerstörung mit beeindruckender Physik und Beleuchtung. Weitere Titel wie 7 Days to Die, No Man’s Sky (für Terrain), Deep Rock Galactic und Astroneer nutzen Voxel-Mechaniken für abbaubare Umgebungen. Donkey Kong Bananza zeigt schließlich, dass die Technologie auch im Mainstream angekommen ist.
Häufig gestellte Fragen zu Voxel-Grafik
Was ist ein Voxel?
Ein Voxel ist das dreidimensionale Gegenstück zum Pixel. Der Begriff setzt sich aus „Volume“ und „Element“ zusammen. Jedes Voxel hat eine Position im dreidimensionalen Raum (X, Y, Z) und trägt Informationen wie einen Farbwert. Viele Voxel zusammen bilden dreidimensionale Objekte oder ganze Spielwelten.
Was ist der Unterschied zwischen Voxel und Polygon?
Polygone definieren nur die Oberfläche eines Objekts als Netz aus Vielecken, während Voxel das gesamte Volumen als einzelne Datenpunkte repräsentieren. Polygone sind effizienter und werden von moderner Hardware besser unterstützt, Voxel ermöglichen jedoch echte Zerstörbarkeit und komplexere Strukturen wie Höhlen oder Überhänge.
Ist Minecraft ein echtes Voxel-Spiel?
Minecraft verwendet einen Voxel-Stil, also eine blockartige Ästhetik, aber keine echte Voxel-Rendering-Technologie. Die Würfel werden als herkömmliche Polygonmodelle von der Grafikkarte gerendert. Die Spielmechanik des Abbauens und Platzierens ist unabhängig von der Darstellungsmethode.
Welche Vorteile haben Voxel für Spiele?
Voxel ermöglichen vollständig zerstörbare Umgebungen, da jeder einzelne Baustein unabhängig entfernt werden kann. Komplexe Geländeformen wie Höhlen und Überhänge lassen sich natürlich darstellen. Die Erstellung von Inhalten wird intuitiver, und der Detailgrad kann dynamisch angepasst werden.
Warum setzen nicht alle Spiele auf Voxel?
Voxel-Grafik benötigt enorm viel Speicherplatz und Rechenleistung. Moderne Grafikkarten sind für Polygonverarbeitung optimiert, nicht für Voxel. Bewegte Objekte wie Charaktere erfordern bei reiner Voxeldarstellung ständige Neuberechnungen, was die Performance stark belastet.
