Informatik, die unter die Haut geht

16. April 2013, 17:42
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Visualisierungsforscher Ivan Viola versucht, die unübersichtliche Datenflut, die Medizin und Biologie produzieren, in Bilder zu verwandeln - Dafür greift er auf die Technik traditioneller Illustratoren zurück

Informatik und Fotografie - beides hat Ivan Viola schon früh begeistert. Die logische Folge war für ihn ein Informatik-Studium mit dem Schwerpunkt Computergrafik und Visual Computing. "Ich bin von Natur aus eine logisch orientierte Person", meint Viola, der in Bratislava aufwuchs und zum Studieren nach Wien ging.

Die Kombination fasziniert ihn immer noch. Aber anstatt Computergrafiken für die Game- oder Filmindustrie zu programmieren, legte er seinen Schwerpunkt bald auf die Darstellung wissenschaftlicher Daten. Eine Stelle als Postdoktorand brachte ihn an die Universität Bergen in Norwegen, wo er sechs Jahre lang federführend eine Gruppe für Visualisierungsforschung aufbaute. Ende letzten Jahres ist er an die TU Wien zurückgekehrt, gelockt durch das Angebot, eine Vienna Research Group for Young Investigators des Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds WWTF aufzubauen.

1,5 Millionen Euro stehen dem 35-jährigen Forscher und seinem Team für die Dauer von acht Jahren zur Verfügung. Seit Jahresanfang tüftelt er mit einem stetig wachsenden Team an neuen Möglichkeiten zur anschaulichen Darstellung komplexer Strukturen und Vorgänge im Körper, von der Zellebene bis zu den Organen. Um diese im Computer möglichst verständlich darzustellen, greift Viola just auf althergebrachte Techniken aus dem Präcomputerzeitalter zurück, nämlich auf jene traditioneller Illustratoren.

"Es war immer schon ein Ziel des Menschen, Biologie, Geografie und Medizin bildlich darzustellen", sagt Viola, der selbst gern einen Blick in andere Wissenschaftsfelder abseits der Informatik wirft. Ziel der Visualisierungsforscher ist es heute, möglichst interaktive Ansätze zu finden, die es ermöglichen, Phänomene optisch zu erfassen, die ansonsten gut versteckt in den großen Datensätzen schlummern, die etwa die Computertomografie oder die Molekularbiologie produziert.

"Wir müssen einerseits mit den großen Datenmengen zurechtkommen und die richtigen Algorithmen für ihre Verarbeitung entwickeln. Auf der anderen Seite wollen wir die Daten so aufbereiten, dass sie für den Menschen möglichst gut verständlich sind", beschreibt Viola die wissenschaftlichen Herausforderungen. "Wir beziehen daher sehr stark die Erkenntnisse der Kognitionswissenschaft und der Wahrnehmungspsychologie in unsere Arbeit mit ein."

Welche Form der Darstellung besonders eingängig ist, wissen auch Illustratoren - aus ihrer Erfahrung und Intuition, ganz ohne Wissenschaft. Auf illustrative Zeichentechniken wurde Viola schon während seines Dissertationsprojekts aufmerksam, als er die sogenannte Cut-away-Methode am Computer imitierte. Dabei wird die Oberfläche eines Körpers quasi aufgeschnitten, um die innere Anatomie offenzulegen - ohne den Bezug zum großen Ganzen zu verlieren.

Leber und Schatten

"Da habe ich mich zum ersten Mal gefragt, wie wissenschaftliche Illustratoren arbeiten, und was ihre Methoden so klar verständlich macht" , schildert Viola. "Wir haben schließlich dasselbe Ziel: Die unnötigen Details weglassen und sich auf das Wesentliche konzentrieren." Das ist auch notwendig, wenn etwa in der Medizin komplexe Daten möglichst rasch interpretiert werden müssen. Anhand von unscharfen Ultraschallaufnahmen und Schnittbildern aus der Computertomografie, die immer nur einen kleinen Querschnitt zeigen, haben Viola und seine Kollegen bereits eine Reihe illustrativer Visualisierungen entwickelt: etwa rotierende 3-D-Modelle vom Inneren eines menschlichen Torsos mit all seinen Organen oder auch von Ultraschallbildern der Leber, die verdeutlichen, was darauf zu sehen ist.

Ein spezielles Phänomen, mit dem sich Viola schon länger beschäftigt, sind Schatten. Sie werden von Illustratoren eingesetzt, um dem Raum Tiefe zu geben. "Aus Studien zur visuellen Wahrnehmung wissen wir, dass Schatten sehr nützlich sind, um Vorder- und Hintergrund zu kommunizieren" , erklärt Viola. In der Computervisualisierung wurde bisher wenig mit Schatten gearbeitet, weil sie sehr kompliziert zu berechnen sind. Mittlerweile konnten die Informatiker eine Methode ausarbeiten, die Schatten in Echtzeit anpasst.

Blieb noch das Problem, dass dort, wo Schatten ist, auch die Struktur dahinter im Dunkeln verschwindet und somit relevante Informationen verborgen werden könnten. Illustratoren haben dafür längst eine Lösung gefunden: "Sie verwenden blaue Tinte für die Schatten. So kann man immer noch erkennen, was sich dahinter befindet." Um die exakten Mechanismen der visuellen Wahrnehmung dahinter zu verstehen, führten Viola und sein Team eine Studie mit rund 60 Probanden durch. Sie mussten Punkte auf Bildern verorten, die bläuliche und schwarze Schattierungen beinhalteten. Aufgrund der Ergebnisse konnten die Forscher die optimale Mischung zwischen Dunkelheit und Blauton berechnen, sodass sowohl die Raumtiefe als auch die Form hinter dem Schatten dekodiert werden können.

In seinem aktuellen WWTF-Projekt will Ivan Viola weiter den Dunstkreis zwischen Illustrationstechniken und Wahrnehmungsstudien ausloten, um interaktive Visualisierungen zu entwickeln, die nicht nur auf strikten Algorithmen beruhen. Der Fokus soll in Zukunft nun aber nicht mehr nur auf statischen Strukturen, sondern auf den sich ständig verändernden Prozessen der Biologie liegen.

Mit Daten aus der Bioinformatik und der Hilfe von System- und Molekularbiologen will er so richtig unter die Haut gehen und sich auf die Visualisierung des Lebens in allen Größenordnungen konzentrieren: Von der mikroskopischen Ebene der Moleküle über biochemische Vorgänge in der Zelle bis hin zu makroskopischen Strukturen. Ziel ist es, interaktiv von einer Dimension zur anderen wechseln zu können: "als würde man durch ein Mikroskop schauen", präzisiert Viola. Als erstes Fallbeispiel wird er sich die Reparaturmaschinerie vornehmen, die bei defekten DNA-Strängen zum Einsatz kommt.

Auch in diesem Feld lässt er sich von herkömmlichen Illustrationen inspirieren, die es oft auf verblüffende Weise schaffen, mehrere Ebenen auf einem Bild darzustellen. Deshalb plant Viola, später auch einen Illustrator in sein Team aufzunehmen. Derzeit arbeitet er mit einer Spezialistin für Mensch-Computer-Interaktion zusammen, im Lauf des Jahres werden noch ein Experte für Computeranimation und ein weiterer Visualisierungsforscher folgen.

Auch wenn er in Norwegen optimale Forschungsbedingungen vorgefunden habe - Wien schätzt er als Zentrum für Bildverarbeiter aller Art: "Hier gibt es Fachleute für Computergrafik, Visual Computing, Virtual Reality und Multimedia. Das erleichtert die Arbeit." Nach wie vor pflegt er enge Bande nach Norwegen: Einerseits weil er weiterhin eng mit der Uni Bergen kooperiert, anderseits weil seine aus Taiwan stammende Freundin dort lebt. "Leider würde sie in Österreich nur eine Arbeitserlaubnis bekommen, wenn wir verheiratet wären", erklärt Viola. "Aber allein aus diesem Grund wollen wir nicht heiraten." Ein Dilemma, für das sie noch eine Lösung suchen.

Wissenschaftlich gesehen, ist Viola auf der Suche nach weiteren Kooperationspartnern, die ihn dabei unterstützen, unübersichtliches Datenterrain in anschauliche Bilder zu verwandeln. Das könnte letztlich Biologen und Medizinern helfen, Muster und Trends zu entdecken, die sonst verborgen bleiben würden. Und wie wäre es mit einem Computerspiel, mit dem man beliebig durch den Körper navigieren kann? "Das wäre ein schönes Zusatzergebnis." (Karin Krichmayr, DER STANDARD, 17.04.2013)

  • Insider-Informationen: Interaktive Computermodelle erlauben Blicke unter die Oberfläche.
    illustration: viola

    Insider-Informationen: Interaktive Computermodelle erlauben Blicke unter die Oberfläche.

  • Ivan Viola: Informatiker mit Faible für Biologie und Bilder.
    foto: privat

    Ivan Viola: Informatiker mit Faible für Biologie und Bilder.

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