Pixel aus der Natur

Pixel aus der Natur


Leibniz-Preisträger Joachim Weickert ahmt natürliche Prozesse mathematisch nach und bringt so die Informatik entscheidend voran

Am Anfang war die Windel. Die nasse Windel. Besser gesagt, das mathematische Modell einer nassen Windel. Als Joachim Weickert, Professor für Mathematik und Informatik an der Uni des Saarlandes und frischgebackener Leibniz-Preisträger, Anfang der 1990er Jahre seine Diplomarbeit abgab, ahnte er noch nicht, dass diese Idee zu einem Eckpfeiler seiner wissenschaftlichen Arbeit werden sollte. In dieser Arbeit stellte er den optimalen Flüssigkeitsverlauf in einer Windel mathematisch dar. Der Gedanke, Phänomene aus der Natur, im Beispiel der Windel die Diffusion, als Vorbild für mathematische Modelle zu nutzen und diese in Informatik-Anwendungen umzusetzen, wurde zur Grundlage seiner Forschung.

Denn heute entwickeln und verbessern Joachim Weickert und sein Team Bildverarbeitungsmethoden mit mathematischen Modellen, die neben der Diffusion zum Beispiel Wellenausbreitung, Osmose oder Wärmeleitung zum Vorbild haben. Die verrauschte Röntgenaufnahme einer weiblichen Brust zum Beispiel zeigt nach Weickerts Bilderkur kristallklare Aufnahmen von weißen Kalkeinschlüssen. »Bei harten Kanten, also dort, wo sich die Grauwerte zwischen benachbarten Pixeln stark unterscheiden, sagen wir dem Programm: ›Nicht diffundieren!‹«, erklärt er das Verfahren stark vereinfacht. Die Unterschiede im Grauwert zwischen den weißen Kalkeinschlüssen und der mit grauen Schlieren durchzogenen Umgebung selbst sind groß genug, die Unterschiede innerhalb der verrauschten Umgebung selbst sind jedoch zu klein, so dass der Computer daraus eine einheitlich graue Fläche errechnet. Noch einfacher ausgedrückt: »Der Rest wird plattgemacht«, so Weickert.

Ein anderes Verfahren, das Weickert entwickelt hat, macht sich das Prinzip der Wärmeleitung zunutze. Aus einem Bild, auf dem nur noch zwei Prozent des ursprünglichen Fotos vorhanden sind, einzelne Pixel also, errechnet Weickerts Programm eine gut erkennbare Rekonstruktion des Originals. Die fehlenden 98 Prozent Informationen sind übrigens nicht nur nicht zu sehen, sie existieren nicht. »Zehn Prozent Bildinformation reichen bereits, um bei der Rekonstruktion kaum noch einen Unterschied zum Original zu sehen«, erklärt der 45-Jährige. Das heißt dann natürlich auch, dass es zukünftig ausreichen könnte, nur noch wenige Prozent der bisherigen Datenmenge zu speichern. Öffnet ein Nutzer die Bilddatei, rekonstruiert der Rechner automatisch die fehlende Information. Festplatten, dvds und andere Medien könnten damit deutlich mehr Daten speichern.

Solche einfach zu vermittelnden Ideen, deren Umsetzung allerdings anspruchsvolle mathematische Modelle erfordern, sind es, die Joachim Weickert im März den Leibniz-Preis eingebracht haben. Das und seine Vielseitigkeit. Er ist nicht nur Mathematiker und Informatiker. Er hat auch Physik studiert sowie im Rahmen eines Lehramtsstudiums Pädagogik-, Psychologie- und Philosophievorlesungen belegt und 14 Monate als Postdoktorand in einem Utrechter Krankenhaus gearbeitet, um die dortigen bildgebenden Verfahren kennenzulernen. Mit dem Blick in andere Disziplinen, in andere Berufe holt sich Weickert Ideen und Inspiration für seine Forschung.

In den kommenden sieben Jahren kann er 2,5 Millionen Euro Preisgeld völlig frei für seine Forschungsprojekte investieren. Einen Teil dieses Geldes möchte er in »riskantere« Forschung stecken wie beispielsweise das Kompressionsverfahren auf Grundlage der Wärmeleitung. Riskant deshalb, weil sie viele Jahre Forschungsarbeit benötigen und solche Verfahren in Konkurrenz zu etablierten Methoden wie jpeg stehen. Zudem kann es auch passieren, dass sich neue Ideen trotz ihrer Qualität nicht unbedingt industriell durchsetzen. »vhs war schließlich auch nicht das beste Videosystem«, nennt er ein Beispiel. Einen Großteil des Geldes möchte er in Stellen für junge Wissenschaftler investieren, weniger in große Rechenpower von Computern. »Im Kalten Krieg waren die Russen besser in der Forschung, weil sie die schlechteren Rechner hatten. Sie waren dadurch gezwungen, bessere mathematische Ideen zu entwickeln«, weiß der gebürtige Pfälzer Weickert, der jüngst einen Ruf an die TU Kaiserslautern ablehnte.

Darüber hinaus will Joachim Weickert mit Hilfe des Leibnizpreises auch seine anderen Arbeitsgebiete weiter ausbauen. Beispielsweise forscht seine Gruppe seit Jahren daran, Bewegungen in Videos genauer und schneller zu erkennen. Auch diese Ideen sind physikalisch motiviert und haben viele Anwendungen: Einerseits kommen sie im Hollywoodfilm »Fast & Furious« zum Einsatz und werden in zukünftigen Fahrerassistenzsystemen helfen, Gefahrensituationen besser zu erkennen. Andererseits haben ähnliche Ideen zu einer vollautomatischen Frisurensimulation geführt, bei der eine Kundin im Friseursalon beurteilen kann, wie sie mit einer neuen Frisur aussehen würde.

 _Thorsten Mohr