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StartseiteComputer und KommunikationBionik für Fotos05.11.2011

Bionik für Fotos

Digitale Bilder können mit natürlichen Phänomenen komprimiert werden

Fotografie.- Verrauschte Bilder in brillante Aufnahmen verwandeln, aus Handyfotos hochwertige Bilder machen, aus einem Mindestmaß an Pixeln ein Optimum herausholen: Das gelingt einem Informatiker der Universität des Saarlandes mit Algorithmen, die er der Natur entlehnt.

Von Klaus Herbst

Die Verarbeitung und Kompression von Bilddaten soll schneller werden und eine bisher nicht gekannte Dimension erreichen.  (Stock.XCHNG / Ben Gribbin)
Die Verarbeitung und Kompression von Bilddaten soll schneller werden und eine bisher nicht gekannte Dimension erreichen. (Stock.XCHNG / Ben Gribbin)
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Ein Informatiker von der Universität des Saarlandes will mit Ideen aus der Natur die Bildverarbeitung verbessern und schneller machen. Er sagt, was er für die Datenkompression nutzt:

""dass viele Ideen aus der Natur, aus der Physik, auch aus der Biologie eine Rolle spielen für moderne Bildverarbeitungsverfahren. Dinge wie Diffusion, Wärmeleitung, Wellenausbreitung, aber auch Osmose. Diese Ideen sind unwahrscheinlich fruchtbar, wenn es darum geht, neuere, bessere Bildverarbeitungsverfahren zu entwickeln.”"

Der Mathematiker und Informatiker Joachim Weickert leitet die Gruppe für mathematische Bildanalyse. Das verbreitete JPEG-Format zur Kompression von Bilddaten ist ihm nicht gut genug. Bei höherer Kompression entstehen störende Blockstrukturen, das ganze Bild wirke unregelmäßig. Weickert lässt Bilder aus extrem wenigen Bildpunkten wachsen. Zum Beispiel das Bild einer Katze. Es zeichnet sich ab aus schwarz-weißem Bildrauschen. Um ein vollständiges, scharfes und ruhiges Bild zu rekonstruieren, brauchen die Informatiker aus dem Saarland nur zehn Prozent seiner Daten.

""Es reicht, wenn ich ein paar relevante Pixel, die die Kontur der Katze beschreiben, wenn ich die abspeichere, und der Rest wird aufgefüllt, automatisch, indem die Wärmeleitung gelöst wird. Ich stelle mir vor, die paar Pixel, die ich abspeichere, sind kleine Heizkörper in einem Raum. Die sind auf eine feste Temperatur eingestellt, die ihrem Grau- oder ihrem Farbwert entspricht. Und diese Heizkörper strahlen Wärme aus. Und diese ausgestrahlte Wärme, sozusagen der Grauwert, der entsteht in den unbekannten Pixeln. Und was da rauskommt ist zum Teil verblüffend echte Rekonstruktion des Originalbildes. Ich kann also mit wenigen Daten versuchen, ein möglichst vollständiges Bild zu rekonstruieren.”"

Gerade für dreidimensionale Graphik werden schnellere und bessere Algorithmen gebraucht. Diese sind in Naturgesetzen versteckt. Die sogenannte Partielle Differentialgleichung ist Mathematikern als leistungsfähiges Werkzeug zur Modellierung physikalischer Vorgänge bekannt. Sie bildet Ideen aus der Natur mathematisch ab: die Verteilung von Schadstoffen in der Luft und die Wärmeausbreitung in einem Wohnhaus zum Beispiel. Weickerts Kompression ist vielfach schneller als bekannte Verfahren, konstatiert ein Computerwissenschaftler und Mathematiker von der Universität Darmstadt und vom Fraunhofer Institut für Graphische Bildverarbeitung. Arjan Kuijper:

""Er hat dann einige Pixel von einem Bild, und aus diesen Pixeln wächst dann das ganze Bild. Und das Wachsen, dass wird dann gesteuert von einer partiellen Differenzialgleichung. Und die Randbedingungen sind dann genau die Pixel, die es schon gibt. Das heißt, dass ein optimales Bild gefunden wird, was wirklich passt. Das Besondere ist, dass die mathematischen Modelle sich sehr gut beschreiben lassen mit partiellen Differenzialgleichungen, die beschreiben, wie etwas in der Zeit sich ändert. Die Methode, die er dann benutzt, das sind genau die gleichen Modelle, die es auch in der Natur gibt.”"

Nach dem Vorbild Mutter Naturs werden störende Rauscheffekte gleichmäßig aus dem ganzen Bild entfernt und Kratzer automatisch beseitigt. Genutzt werden die Natur-Algorithmen beispielsweise in der Medizin. Wo bessere, dreidimensionale bildgebende Verfahren Tumore sichtbar machen, die der Arzt heute noch nicht erkennt. Arjan Kuijper:

""Was er macht ist Arbeit auf der Schnittstelle von Mathematik und Informatik. Und er versteht sehr gut, was die Fragestellungen sind, Informatik, in Bildverarbeitung, aber auch in Mathematik. Und was er sehr gut macht ist, diese zwei zusammenzuknüpfen. Er hat zum Beispiel eine Methode entwickelt, die sehr gut Bilder entrauscht.”"

Zurzeit interessiert den Forscher aus dem Saarland der biologische Mechanismus Osmose. Durch Osmose wandern Moleküle durch eine Membran, beispielsweise durch die Zellmembran von Pflanzen.

""Die Tatsache, dass ich mit Osmose sozusagen unterschiedliche Konzentrationen rechts und links von der Membran erzeugen kann, heißt für mich als Bildverarbeiter: Ich kann unterschiedliche Grauwerte oder Farbwerte zwischen Nachbarpixeln herstellen. Und ich kann die im Prinzip so beeinflussen, dass beliebige Endzustände rauskommen. Also mit Osmose kann ich beliebige Filter modellieren. Das ist das Spannende daran, es ist ein ungeheures Potenzial an Möglichkeiten. Man hat unwahrscheinlich viele Freiheitsgrade, und das Ganze ist noch gar nicht ausgenutzt.”"

Zwar werden schon heute in vielen Millionen Digitalkameras Kompressionsalgorithmen verwendet, die hervorragende Bilder erzeugen, davon lebe ja die ganze Digitalfotografie. Aber hier gebe es noch viel Verbesserungspotenzial. Joachim Weickert:

""Was immer mehr wichtig wird, ist dass Leute mit den Handys zum Beispiel Bilder machen und ins Netz stellen oder mit Twitter irgendetwas schicken. Da geht es natürlich auch um die Bandbreite, die es gibt und mit Bildern von einigen Millionen wird das langsam. Und wenn man das mit einem Prozent der Pixel mal sehr viel beschleunigen kann, dann ist es natürlich eine tolle Anwendung.”"

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