Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMMediendienst
Datenfluten bildhaft bewältigen
Wenn das menschliche Herz mit Verfahren wie der Röntgentomografie aufgenommen wird, entstehen zunächst nur Daten. Erst eine Bildverarbeitungssoftware baut gemeinsam mit der Graphikhardware des Computers daraus ein Bild auf. Natürlich wünschen sich Mediziner - aber auch Werkstoffwissenschaftler - möglichst detailreiche Bilder, was zu immer gewaltigeren Datenmengen führt.
Doch wie kann etwa der innere Aufbau des Herzens überhaupt als dreidimensional wirkende, farbige Graphik am Monitor erscheinen, zumal seine Strukturen lediglich als Übergänge von Grauwerten im Datensatz vorliegen? Durch »Direktes Volumenrendering«. Nachdem dieses mathematische Verfahren angewendet wurde, kann die dreidimensionale Struktur vom Betrachter interaktiv bewegt und gesteuert werden - auf Voxelebene. Volume elements sind das Analogon zum Pixel, dem picture element im zweidimensionalen Bild.
Softwaremodule wie Multi-Raycaster oder allgemein Raytracer bringen Lichteffekte in das Bild, was zu einer realistischen Darstellung führt. Schattenwurf, Spiegelungen, einstellbare Durchsichtigkeit oder simulierte Material- und Oberflächeneigenschaften sind heute ebenso möglich wie Schnittbilder in allen Richtungen. Die modernsten Programme dringen in die vierte Dimension vor: der Zeit. Viele Einzelbilder verschmelzen dann zu einem Film - etwa des schlagenden Herzens.
PV-4D
Die führende Software, die ohne spezielle Grafikhardware auskommt, heißt PV-4D und kommt vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. »Momentan können wir damit 150 Datensätze mit jeweils 10243 Voxeln visualisieren«, erläutert Dr. Franz-Josef Pfreundt. »Dies entspricht rund 150 Milliarden Voxeln, die in farbige Monitorbilder von 10242 Pixeln umgerechnet werden.
So entstehen Animationen, in denen sich Objekte beliebig drehen, beschneiden und durchfliegen lassen - und mit Spezialbrillen sogar stereoskopisch.« Zum ersten Mal können so wirklich große Datenmengen in Raum und Zeit interaktiv visualisiert werden. PV-4D ist eine parallelisierte und für Cluster von Standard-PCs optimierte Software; ihre Leistung wird selbst von Spezialhardware in Graphikrechnern nicht übertroffen.
Die Forscher im »Competence Center High Performance Computing und Visualisierung« des ITWM stellen mit ihrer Software auch komplexe Strömungsprozesse dar. Noch in diesem Jahr wollen sie Datenmengen bis zu einem Terabyte, also 1 024 Gigabyte, interaktiv visualisieren.