Voxel
Ein Voxel ist das dreidimensionale Gegenstück zum Pixel: Es beschreibt einen winzigen Würfel im Raum und speichert einen Wert für diesen Punkt, zum Beispiel Dichte, Farbe oder Helligkeit. Voxel werden überall dort eingesetzt, wo man Volumen statt Flächen darstellen oder verarbeiten muss – von der Medizintechnik bis zur Spielegrafik.
Ein Pixel ist ein kleines Quadrat in einem flachen Bild. Wenn man diese Idee in die dritte Dimension überträgt, entsteht ein Voxel — ein winziger Würfel im Raum. Das Wort setzt sich aus « volumetric » (englisch für « das Volumen betreffend ») und « pixel » zusammen. So wie ein Foto aus Millionen kleiner Quadrate besteht, lässt sich ein dreidimensionales Objekt aus Millionen kleiner Würfel aufbauen. Jeder dieser Würfel speichert genau einen Wert: etwa einen Farbwert, eine Materialdichte oder die Information, ob an dieser Stelle überhaupt etwas ist. Voxel beschreiben damit nicht nur Oberflächen, sondern das Innere eines Körpers.
Voxel als Schlüssel zur dritten Dimension
In einem normalen Bild gibt es keine Information darüber, was hinter der Oberfläche steckt. Bei einem Foto einer Hand sieht man Haut — was darunter liegt, ist im Bild nicht vorhanden. Ein Voxel-Datensatz löst dieses Problem. Er beschreibt Schicht für Schicht den gesamten Raum innerhalb eines Objekts.
Das ist besonders in der Medizin entscheidend. Ein Computertomograph — kurz CT — durchleuchtet den Körper aus vielen Winkeln und erzeugt dabei einen Voxel-Datensatz. Jeder Voxel enthält einen Dichtewert: Knochen sind dicht, Luft ist es nicht. Das Ergebnis ist ein vollständiges, dreidimensionales Abbild des Körperinneren. Ärzte können darin beliebige Schnitte legen, ohne den Patienten wirklich aufzuschneiden.
Auch in der KI-Forschung spielen Voxel eine wachsende Rolle. Neuronale Netze, also lernende Programme, die nach dem Vorbild des Gehirns gebaut sind, können dreidimensionale Voxel-Daten direkt verarbeiten. Das ermöglicht etwa die automatische Erkennung von Tumoren in CT-Aufnahmen — eine Aufgabe, die früher ausschließlich Radiologen übernahmen.
Wie ein Voxel-Datensatz aufgebaut ist
Man kann sich einen Voxel-Datensatz als einen Stapel von Schichten vorstellen. Jede Schicht ist ein normales Rasterbild. Legt man viele solcher Bilder übereinander — wie Seiten in einem Buch — entsteht ein dreidimensionales Gitter aus Würfeln. Die Auflösung beschreibt, wie klein jeder einzelne Würfel ist. Bei medizinischen CT-Aufnahmen ist ein Voxel typischerweise weniger als einen Millimeter groß.
Je kleiner die Voxel, desto feiner die Darstellung — und desto größer die Datenmenge. Ein hochauflösender Voxel-Datensatz des menschlichen Gehirns kann schnell mehrere Gigabyte umfassen. Darin liegt der wichtigste Unterschied zum Dreiecksnetz, einem anderen verbreiteten Verfahren für 3D-Objekte: Ein Netz beschreibt nur die Außenhülle eines Objekts als Sammlung von Dreiecken, spart dabei Speicherplatz, enthält aber keine Informationen über das Innere. Voxel dagegen speichern alles — Oberfläche und Kern.
Ein weiterer Vorteil von Voxeln ist ihre Regelmäßigkeit. Das Gitter ist gleichmäßig, jeder Würfel hat dieselbe Größe und sitzt an einem bekannten Ort. Das macht mathematische Operationen einfacher. Computerprogramme können etwa zwei Datensätze direkt übereinanderlegen und Punkt für Punkt vergleichen — zum Beispiel, um das Wachstum eines Tumors über Monate zu verfolgen.
Wo Voxeln im Alltag begegnet
Das bekannteste Beispiel aus der Medizin ist das CT, aber auch MRT-Geräte — Magnetresonanztomographen, die den Körper mit Magnetfeldern statt Röntgenstrahlen untersuchen — liefern Voxel-Daten. Beide Verfahren sind aus modernen Krankenhäusern nicht mehr wegzudenken.
In der Spielebranche wurde der Begriff vor allem durch das Spiel Minecraft populär. Dessen gesamte Welt besteht aus gleichgroßen Würfeln — ein anschauliches, wenn auch grob aufgelöstes Beispiel dafür, wie eine Voxel-Struktur aussieht. Professionelle Grafikprogramme nutzen Voxel dagegen für realistische Effekte wie Rauch, Feuer oder Wolken, weil sich diese Phänomene als Volumen und nicht als Oberfläche besser beschreiben lassen.
Auch in der Robotik und beim autonomen Fahren tauchen Voxel auf. Sensoren wie Lidar — Geräte, die mit Lichtpulsen die Umgebung abtasten — erzeugen Punktwolken. Diese werden häufig in ein Voxel-Gitter umgewandelt, damit ein KI-System die Umgebung strukturiert analysieren kann. Der Begriff ist also längst nicht mehr auf Medizin beschränkt, sondern ein Grundbaustein überall dort, wo Computer den dreidimensionalen Raum verstehen sollen.