Presseaussendung der TU Wien vom 19.11.2015

Mit einer Datensammel-App am Smartphone und Satellitendaten soll künftig prognostiziert werden, ob eine bestimmte Region von Nahrungsmittelknappheit und Mangelernährung bedroht ist. Die neue Methode wurde nun in der Zentralafrikanischen Republik getestet.

Mangelernährung kann unterschiedliche Ursachen haben, und nicht alle sind einfach vorherzusehen. Dürre und Missernten lassen sich oft schon frühzeitig prognostizieren, indem Wetter und Bodenfeuchte beobachtet werden. Doch andere Risikofaktoren, etwa sozio-ökonomische Probleme oder gewaltsame Konflikte, können die Nahrungsmittelsicherheit ebenso gefährden. Für Organisationen wie Ärzte ohne Grenzen/Médecins Sans Frontières (MSF) ist es ganz entscheidend, so früh wie möglich zu erfahren, in welchen Regionen sich Probleme abzeichnen. Nur so kann rechtzeitig  Hilfe geleistet werden.

Ein Forschungsteam der TU Wien und des International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) in Laxenburg konnte nun eine Methode entwickeln, mit der man Nahrungsmittelsicherheit mit Hilfe einer Smartphone-App überwachen kann. Die App kombiniert Wetter- und Bodenfeuchtedaten, die mit Hilfe von Satelliten gemessen werden, mit einem Crowd-Sourcing-Ansatz. Durch Befragungen werden sozioökonomische Daten erhoben und die Gefahr von Mangelernährung prognostiziert. Tests in der Zentralafrikanischen Republik haben bereits vielversprechende Resultate erbracht, sie wurden nun im Fachjournal PLOS ONE publiziert.

Erster Schritt: Satellitendaten

„Seit Jahren entwickeln wir Methoden, um die Feuchtigkeit des Bodens aus Satellitendaten zu berechnen“, sagt Markus Enenkel vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien. Satelliten tasten die Erdoberfläche mit Mikrowellenstrahlen ab. Aus den Ergebnissen kann man dann auf den Wassergehalt des Bodens schließen. Wenn man die Messergebnisse mit Datenbanken über langjährige Bodenfeuchte-Verhältnisse vergleicht, lässt sich eine Aussage darüber treffen, ob der Boden in einer bestimmten Region ausreichend feucht ist, oder ob dort die Gefahr einer Trockenheit besteht.

„Die Methode funktioniert gut und liefert uns wichtige Information. Aber Daten über mangelnde Bodenfeuchte genügt nicht, um die Gefahr von Mangelernährung einzuschätzen“, sagt IIASA-Forscherin Linda See. „Wir brauchen auch Information über andere Faktoren, die einen Einfluss auf das lokale Nahrungsangebot haben.“ So können etwa politische Unruhen die Bevölkerung davon abhalten, ihre Felder zu bestellen, auch wenn die Wetterbedingungen gut sind. Solche Probleme lassen sich nicht vom Satelliten aus erkennen. Die Forschungsgruppe musste daher eine Möglichkeit finden, die nötigen Daten direkt in den meistgefährdeten Regionen zu sammeln.

„Smartphones sind heute sogar in weniger entwickelten Ländern verbreitet. Daher beschlossen wir, die App SATIDA COLLECT zu entwickeln, die uns dabei hilft, die nötigen Daten zu sammeln“, sagt App-Entwickler Mathias Karner (IIASA). Für den ersten Test wurde die Zentralafrikanische Republik ausgewählt – eines der gefährdetsten Länder der Welt, das unter chronischer Armut und gewaltsamen Konflikten leidet und nur über wenig Widerstandskraft gegenüber  Katastrophen verfügt. Lokale Unterstützungskräfte wurden einen Tag lang eingeschult und sammelten anschließend Daten, indem sie zahlreiche Interviews führten.

„Wie oft essen die Leute? Wie hoch ist die aktuelle Rate von Mangelernährung? Haben irgendwelche Familienmitglieder in letzter Zeit die Region verlassen? Ist jemand gestorben? Antworten auf diese Fragen verwenden wir, um statistisch auszuwerten, ob die Region in Gefahr ist“, sagt Candela Lanusse, Ernährungsberaterin von „Ärzte ohne Grenzen“. „Manchmal sind unreife Früchte alles, was die Leute zu essen haben, manchmal essen sie das Saatgut, das sie eigentlich für das nächste Jahr aufbewahrt hatten. Manchmal müssen sie Vieh verkaufen, danach fehlt wertvolle Milch, was dann die Gefahr von Ernährungsproblemen noch verschärft. Solche Verhaltensweisen können schon Monate vor einer großen Krise ein Indikator für Probleme sein.“

Eine Karte der Mangelernährungs-Gefahr

Der digitale Fragebogen von SATIDA COLLECT kann an lokale Ernährungsgewohnheiten angepasst werden. Die Antworten und die dazugehörigen GPS-Koordinaten werden nach jeder Befragung lokal am Smartphone gespeichert. Wenn eine Internetverbindung verfügbar ist, werden die Daten auf einen Server hochgeladen und können dann gemeinsam mit der satellitenbasierten Bodenfeuchte und anderen Daten analysiert werden, um das Risiko der Mangelernährung abzuschätzen. Am Ende wird eine Landkarte des Ernährungsrisikos erstellt, die gefährdete Gebiete sichtbar macht. Für Ärzte ohne Grenzen sind solche Karten extrem wertvoll. Sie helfen, künftige Aktivitäten zu planen und Hilfe zur Verfügung zu stellen, sobald sie benötigt wird.

„Das Tool in der Zentralafrikanischen Republik zu testen, war nicht einfach“, berichtet Markus Enenkel. „Die politische Situation dort ist kompliziert. Doch selbst unter diesen Bedingungen konnten wir zeigen, dass unsere Technologie funktioniert. Wir konnten wertvolle Information sammeln. SATIDA COLLECT hat das Potenzial, ein wirkungsvolles Frühwarnsystem zu werden. Es mag Krisen vielleicht nicht verhindern, aber es wird NGOs jedenfalls dabei helfen, durch frühes Eingreifen ihre Auswirkungen zu mildern. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
PLOS ONE, 18.11.2015

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 13.10.2015

Rund 39 Stunden haben die Deutschen laut einer aktuellen Studie im vergangenen Jahr im Stau verbracht. Vor allem Kölner Autofahrer mussten bei 65 Stunden Stillstand viel Geduld mitbringen. Um kritische Verkehrspunkte zu umgehen, nutzen viele Fahrer den Verkehrsfunk im Radio oder das Navigationssystem. Aber nicht immer werden Staus dabei verlässlich angegeben. Abhilfe schafft nun eine neue App von Saarbrücker Informatikern. Das Miniprogramm zeigt zeitnah alle aktuellen Staus auf Autobahnen und Bundesstraßen an und liefert auch Verkehrsprognosen. In ihrem Start-up-Unternehmen „apptimists“ vermarkten die Informatiker ihre Anwendung. Sie ist kostenfrei für alle gängigen Smartphones erhältlich.

Verstopfte Straßen und kilometerlange Staus im Feierabendverkehr – vor allem in Ballungsgebieten wird die Geduld vieler Autofahrer regelmäßig auf die Probe gestellt. Das Leben erleichtern könnte in diesem Fall eine neue App, die das junge Saarbrücker Unternehmen apptimists derzeit vermarktet: Informatiker um Johannes Berdin und Andreas Mohr haben ein Miniprogramm entwickelt, das bundesweit alle aktuellen Staus auf Autobahnen und Bundesstraßen angibt und dazu noch Verkehrsprognosen liefert.

„Wir nutzen wie die Radiosender die Daten des Deutschen Verkehrsfunks“, sagt Johannes Berdin. „Die Sender aktualisieren ihre Verkehrsnachrichten im Schnitt aber nur alle zehn Minuten, wir hingegen alle zwei Minuten, sodass wir schneller mitteilen können, dass ein Stau entstanden ist.“ Auch gegenüber herkömmlichen Navigationssystemen habe das neue Angebot Vorteile, wie Berdin erläutert: „Die herkömmlichen Systeme erstellen lediglich Verkehrsprognosen, die sie mithilfe der Funkdaten ihrer Nutzer errechnen.“ Sie können beispielsweise angeben, dass der Verkehr sehr dicht ist, wenn viele ihrer Nutzer in einer Tempo-100-Zone nur 60 Stundenkilometer schnell fahren. Ob es einen Stau gibt, geben die Systeme nicht an.

„Für jede Verkehrsstörung gibt unser Programm den Grund, die Staulänge und den geschätzten Zeitverlust an“, so Andreas Mohr weiter. Die Anwendung besitze darüber hinaus eine Favoritenliste, in der die Nutzer ihre häufig gefahrenen Routen speichern können. Sie können ebenso selber Verkehrsinformationen wie Gefahrgüter, Baustellen oder Unfälle melden. Damit keine Falschmeldungen in das System gelangen, muss jede eingehende Verkehrsmeldung durch andere Nutzer bestätigt werden.

Johannes Berdin und Andreas Mohr haben ihr Unternehmen apptimists bereits während ihres Studiums 2012 im Starterzentrum der Universität des Saarlandes gegründet. Sie entwickeln und vermarkten neue App- und Webanwendungen, die für Nutzer einfach und intuitiv zu bedienen sein sollen. Die Informatiker sind Absolventen des kalifornischen Gründerzentrums „Y Combinator“ und haben an dem Programm „German Silicon Valley Accelerator“ (GSVA) teilgenommen, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird. Es zielt darauf ab, dass deutsche Start-ups der Informationstechnologie den US-amerikanischen Markt kennenlernen und dort auch von Experten unterstützt werden, eigene Ideen weitervoranzubringen und Kontakte zu knüpfen.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Presseinformation der HAW Landshut vom 20.08.2015

Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut leistet wesentlichen Beitrag zur virtuellen Leichtbau-Produktentwicklung

Um das Leichtbaupotenzial von Magnesiumfeinblechen gerade im Automobilbau besser ausschöpfen zu können, wurde in einem vom Bund geförderten Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut ein Verfahren zur Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen entwickelt. Anhand der Untersuchungsergebnisse ist eine genauere Betriebsfestigkeitsanalyse für Bauteile aus Magnesiumblechen möglich. Am Ende der dreijährigen Projekt-Laufzeit wurden beim Abschlusskolloquium Ergebnisse präsentiert, die auch in kommerzielle Betriebsfestigkeitstools einfließen werden und damit die Basis für die zuverlässige Lebensdauerberechnung von Bauteilen des Leichtbau-Werkstoffes bilden.

Die Leitung des im Rahmen des Förderprogramms „profUnt – Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit 311.600 Euro geförderten Forschungsvorhabens „Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen – MagFest“ hatte Prof. Dr.-Ing. Otto Huber (Leiter Kompetenzzentrum für Leichtbau an der Hochschule Landshut, LLK) inne. Projektpartner waren die Adam Opel AG, CADFEM GmbH, Magnesium Flachprodukte GmbH sowie die Technische Universität Bergakademie Freiberg. Dipl.-Ing. (FH) Johannes Dallmeier, wissenschaftlicher Mitarbeiter im LLK, führte im Rahmen seiner Doktorarbeit die analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen durch, wertete diese aus und entwickelte ein neues Modell zur Lebensdauerberechnung. Zusätzlich befassten sich 12 Abschlussarbeiten und 9 Projektarbeiten mit Themen der Betriebsfestigkeitsanalyse von Magnesiumblechstrukturen.

Berechenbarkeit als Voraussetzung für Nutzung

Magnesium ist mit rund 1,74 Kilogramm pro Kubikdezimeter einer der leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe. Bauteile sind um ca. 30% leichter als solche aus Aluminium und bis zu 75% leichter als solche aus Stahl. Weitere Vorteile sind die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit und eine gute Recyclingfähigkeit. Bisher finden Magnesiumlegierungen zumeist in druckgegossenen Teilen in Motor und Getriebe Anwendung.

Der industrielle Einsatz von Magnesiumknetlegierungen in Form von Blechen befindet sich noch im Entwicklungsphase und ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erst seit der Entwicklung neuer Fertigungsverfahren wie dem Gießwalzen bzw. dem Strangpressen erschwinglich. Das Verformungs- und Festigkeitsverhalten von Magnesiumfeinblechen bzw. generell Magnesiumknetlegierungen unterscheidet sich stark von dem der Magnesiumgusslegierungen. „Das Forschungsprojekt leistet einen wesentlichen Beitrag, um das Material und sein Verhalten besser verstehen, charakterisieren und berechnen zu können“, ist Prof. Dr. Huber überzeugt.

Eine Grundlage für den verstärkten Einsatz von Magnesiumfeinblechen in der industriellen Produktion bildet eine genaue Charakterisierung der Materialeigenschaften, die eine aussagekräftige numerische Betriebsfestigkeitsanalyse ermöglichen. Nur so können Schädigungsverläufe, Lebensdauer etc. simuliert und die Konstruktion bzw. Berechnung von Leichtbaustrukturen mittels Computer Aided Engineering (CAE) durchgeführt werden.

Wie sich im Vorfeld des Projektes bereits gezeigt hatte, waren für die im Forschungsvorhaben untersuchten Magnesiumknetlegierungen die verfügbaren Standard-Berechnungsmodelle nicht geeignet. Es waren deutliche Abweichung zwischen Simulation unter Verwendung herkömmlicher Berechnungsansätze und den durchgeführten Experimenten zu erkennen. „Dies, weil die spezielle Textur der Magnesiumfeinbleche, unter anderem zu einer ausgeprägten Zug-Druck-Asymmetrie sowie s-förmigen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen führt“, wie Prof. Dr.Holger Saage (LLK) erläutert, unter dessen Leitung die Mikrostruktur der Werkstoffe analysiert wurde.

Neues Modell als Basis für virtuelle Entwicklung

Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich zum einen um die Magnesiumknetlegierung AM50, welche von der Magnesium Flachprodukte GmbH über das Gießwalzverfahren zu Feinblech verarbeitet wird. Bei AM50-Feinblechen werden gegenüber der bisher verwendeten Legierung AZ31 Vorteile wie höhere Duktilität und bessere Korrosionseigenschaften bei gleichzeitig niedrigerem Preis erwartet. Die Magnesiumknetlegierung ME21, aus der über das Strangpressverfahren Feinblech hergestellt wird, diente als Vergleichswerkstoff, um den Unterschied zwischen den beiden Legierungen und Verfahren bzgl. des mechanischen Verhaltens bewerten zu können. Dabei erwies sich die Magnesiumlegierung AM50 als besonders gut geeignet für den Einsatz in der Automobilproduktion.

Johannes Dallmeier entwickelte in seiner Dissertation, betreut von Prof. Dr. Klaus Eigenfeld (Technischen Universität Bergakademie Freiberg) und Prof. Dr. Otto Huber (Hochschule Landshut), ein neues Modell zur Lebensdaueranalyse von Magnesiumknetlegierungen. Mit geeigneten mathematischen Formulierungen erzielte er eine gute Übereinstimmung zwischen Rechenmodell und Experimenten. Hierzu war eine genaue Charakterisierung bzw. die Definition von relevanten Materialparametern nötig. Er entwickelte einen „energiebasierten Schädigungsparameter“ mit gewichteten Anteilen der unterschiedlichen Dehnungsenergiedichten, mit welchem sich eine deutlich bessere Korrelation gegenüber anderen Modellen erreichen lässt.

Die Erkenntnisse der Untersuchungen werden in die Betriebsfestigkeitssoftware nCode DesignLife einfließen und so der Industrie zur Verfügung gestellt. Damit lässt sich der virtuelle Produktentwicklungsprozess auch beim Einsatz von Magnesiumknetlegierungen umsetzen. Dies stellt einen wichtigen Baustein für den Serieneinsatz dieser innovativen Leichtbaumaterialien dar.

Externer Link: www.haw-landshut.de

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 25.08.2015

Handschriften sind so individuell wie Menschen. Dennoch sind Computer heute in der Lage, auch historische Handschriften automatisch zu entschlüsseln. Ein neues, von der Universität Innsbruck koordiniertes EU-Projekt will diese Technologie nun der Wissenschaftsgemeinde, interessierten Archiven und der breiten Öffentlichkeit zugänglich machen und damit gleichzeitig die eingesetzten Computeralgorithmen weiter verbessern.

Wer sich schwer tut, einen in Kurrentschrift verfassten Brief seines Großvaters zu entziffern, der könnte bald digitale Unterstützung erhalten. Denn seit einigen Jahren arbeiten Forscherinnen und Forscher weltweit daran, digitalisierte historische Dokumente vom Computer automatisch entschlüsseln zu lassen. „Die Grundlagenforschung zur Handschriftenerkennung ist schon recht weit fortgeschritten. Nun geht es darum, diese Forschungsergebnisse auch für eine breite Öffentlichkeit nutzbar zu machen“, erzählt Günter Mühlberger, Leiter der Gruppe Digitalisierung und Elektronische Archivierung an der Universität Innsbruck. Mit seinem Team arbeitet er federführend am Aufbau einer Serviceplattform, die sich besonders an Archive und Historiker richtet. „Mit den von der Technischen Universität Valencia und dem Nationalen Forschungszentrum in Athen gelieferten Algorithmen können wir heute bereits 70 bis 80 Prozent eines Dokuments automatisch entziffern.“ Schwierigkeiten bereiten den Computerprogrammen bisher vor allem das komplexe Layout historischer Dokumente, die unterschiedlich geformten Handschriften, aber auch die verschiedenen Sprachen, die sich im Laufe der Zeit auch stark gewandelt haben. „Die Maschine muss zunächst einmal erkennen, wo auf einem Dokument ein Text steht und die einzelnen Zeilen richtig erkennen – eine technische Herausforderung, die nicht zu unterschätzen ist“, sagt Mühlberger.

Mit Unterstützung der Crowd

Die Forscherinnen und Forscher um Günter Mühlberger wollen ihr Know-how nun der internationalen Wissenschaftsgemeinde und der breiten Öffentlichkeit zugänglich machen und gemeinsam die Technologien weiter verbessern. Unterstützt werden sie dabei von der Europäischen Union, die das Vorhaben von insgesamt 13 europäischen Partnern mit insgesamt 8,2 Millionen Euro fördert. „Gemeinsam mit unseren Partnern aus Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien und Spanien werden wir eine Serviceplattform entwickeln, über die jede und jeder historische Handschriften bearbeiten kann“, sagt Mühlberger. „Unter unseren Partnern sind auch zahlreiche Archive, die ihre Bestände zur Verfügung stellen.“ Denn die eingesetzten Computeralgorithmen müssen trainiert werden, um die Handschriftenerkennung immer weiter zu verbessern. „Deshalb wollen wir nicht nur Forscherinnen und Forscher aus den Geisteswissenschaften einladen, die neue Infrastruktur zu nutzen, sondern auch die breite Öffentlichkeit. Je mehr mit unseren Programmen zur Handschriftenerkennung gearbeitet wird, umso besser werden diese Algorithmen“, weiß Günter Mühlberger.

Mit der Software und der Unterstützung anderer Nutzer sollte es dann auch möglich sein, den in Kurrentschrift verfassten Brief des Großvaters rasch zu entziffern. So sollen in den nächsten Jahren Katasterbände, Kirchenbücher, Briefe, aber auch unterschiedlichste Personenlisten (Immigranten, Passagiere, etc.), Ratsprotokolle und viele andere historische Dokumente computerlesbar gemacht werden. Die Forscher werden dafür auch eine App für Smartphones anbieten, mit der die Handschriften direkt eingescannt werden können. Um die Menschen zum Mitmachen zu motivieren, sollen gemeinsam mit der Öffentlichkeit auch die Handschriften berühmter Persönlichkeiten gesammelt und automatisch erkennbar gemacht werden. „Alle diese digitalisierten Handschriften können dann am Computer durchsucht werden. Das erspart die sehr aufwändige Abschrift der Texte und gibt einen direkten Zugang zu den Dokumenten“, sagt Mühlberger. „Mittels der automatisierten Schreibererkennung kann man dann zum Beispiel in den Archiven auch nach anderen Handschriften einer bestimmten Person suchen, was bisher so nicht möglich war.“

Aufbau einer europäischen Forschungsinfrastruktur

Die Dimension des Projekts wird deutlich, wenn man bedenkt, dass – im Gegensatz zu Bibliotheken – die von Archiven gesammelten Dokumente grundsätzlich unveröffentlicht und einmalig sind, d.h. meist nur in einem einzigen Exemplar existieren. In ihnen spiegelt sich vor allem das tägliche Leben einzelner Personen wider, sei es als kurze Notiz in einem Tauf- oder Sterberegister, als Eintrag in einer Katastralmappe, als Akt in einem Gerichtsverfahren oder als Notiz in einem Polizeibericht. Diese historischen Schätze der Forschung und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen, dem hat sich das von der Universität Innsbruck koordinierte EU-Projekt READ verschrieben. Es wird im Rahmen des Förderprogramms Horizon 2020 mit insgesamt 8,2 Millionen Euro unterstützt, 1,1 Millionen davon fließen an die Universität Innsbruck. Partner sind Universitäten, Forschungseinrichtungen und Archive in ganz Europa. Das auf dreieinhalb Jahre anberaumte Projekt startet Anfang 2016 und hat den Aufbau einer Forschungsinfrastruktur für die europäische Wissenschaftsgemeinde zum Ziel. Da für die massenhafte automatische Handschriftenerkennung auch großen Rechenleistungen erforderlich sind, arbeiten die Innsbrucker Forscher sowohl mit dem Forschungszentrum Hochleistungsrechnen an der Leopold-Franzens-Universität als auch dem Vienna Scientific Cluster eng zusammen. „Die vorhandenen Strukturen und Ressourcen für Hochleistungsrechnen haben sicher dazu beigetragen, dass die EU dieses Projekt genehmigt hat“, betont Mühlberger.

Eine experimentelle Version der Software steht im Internet bereits zum Download zur Verfügung. Expertinnen und Experten, aber auch Laien können sich dort registrieren und das Programm ausprobieren.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.08.2015

KIT, Disney Research und Cornell University entwickeln ein Verfahren zur effizienten Berechnung fotorealistischer Bilder von granularen Materialien wie Sand, Schnee, Salz oder Zucker

Computergrafik ist heutzutage in der Lage erstaunlich fotorealistische Bilder zu erzeugen. Jedoch gibt es zahlreiche Motive, die enorm viel Rechenzeit benötigen. Forscher des KIT, von Disney Research in Zürich und der Cornell University haben nun ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt körnige Objekte aus beispielsweise Sand, Schnee oder Zucker schneller zu berechnen. Es wurde kürzlich auf der renommierten internationalen Konferenz für Computergrafik in Los Angeles, ACM SIGGRAPH 2015, vorgestellt.

„Objekte aus granularen Medien, etwa eine Sandburg, bestehen aus Millionen oder Milliarden einzelner Körner. Die Rechenzeit um daraus fotorealistische Bilder zu erzeugen beträgt Hunderte bis Tausende Prozessorstunden“, erklärt Professor Carsten Dachsbacher vom Institut für Visualisierung und Datenanalyse des KIT. Materialien wie Sand, Salz oder Zucker, die aus zufällig orientierten, aber bei genauem Hinsehen erkennbaren Körnern bestehen, stellen für die Bildsynthese, dem sogenannten Rendering, große Schwierigkeiten dar, da die Wege von Millionen von Lichtstrahlen durch die Körner hindurch simuliert werden müssen. „Zudem können komplexe Streueigenschaften der einzelnen Körner, sowie ihre Anordnung zu einem Gesamtsystem den Einsatz klassischer Beschleunigungsverfahren verhindern. Das macht es schwierig effiziente Algorithmen zu finden“, fügt Doktorand Johannes Meng hinzu. „Gerade bei transparenten Körnern und langen Lichtlaufwegen wächst die Rechenzeit überproportional.“

Für die Bildsynthese entwickelten die Forscher ein neues mehrskaliges Verfahren, das die Simulation an die Struktur des Lichttransports in granularen Medien auf verschiedenen Größenordnungen anpasst. Auf der feinsten Skala, wenn nur wenige Körner im Bild sind, werden Geometrie, Größe und die Materialeigenschaften einzelner erkennbarer Körner sowie ihre Packungsdichte berücksichtigt und Lichtstrahlen werden, wie bei klassischen Ansätzen, dem sogenannten Path Tracing, durch die virtuellen Körner hindurch verfolgt. Path Tracing berechnet einzelne Lichtpfade von jedem Pixel zurück zu den Lichtquellen. Dieser Ansatz ist allerdings nicht praktikabel bei Millionen oder Milliarden Körnern.

Das neue Verfahren kann daher nach einigen Interaktionen – etwa Reflektionen an Körnern –, wenn die Beiträge einzelner Interaktionen kaum mehr zu trennen sind, zu einer anderen Rendering-Technik, dem Volumetric Path Tracing, wechseln. Die Forscher haben gezeigt, dass diese Technik, normalerweise eingesetzt zur Berechnung von Lichtstreuung in Materialen wie Wolken oder Nebel, auch Lichttransport in granularen Materialien auf diesen Skalen akkurat repräsentieren und effizienter berechnen kann.

Auf noch größeren Skalen kann schließlich eine Diffusionsapproximation eingesetzt werden, die eine analytische, effiziente Lösung für den verbleibenden Lichttransport liefert. Diese ermöglicht vor allem bei hellen, stark reflektierenden Körnern, wie beispielsweise Schnee oder Zucker, eine effiziente Berechnung der fotorealistischen Darstellung.

Die Forscher konnten in ihrer aktuellen Arbeit auch zeigen, wie die einzelnen Techniken kombiniert werden müssen, sodass konsistente visuelle Resultate über die Skalen hinweg – von einzelnen Körnern bis zu Objekten aus Milliarden Körnern – in Bildern und Animationen erreicht werden. Abhängig vom jeweiligen Material beschleunigt der hybride Ansatz die Berechnung bei gleicher Bildqualität um einen Faktor 10 bis zu mehreren Hundert im Vergleich zum sonst üblichen Path Tracing. (kes)

Externer Link: www.kit.edu