Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 21.06.2011

Informatiker der FAU programmieren intelligente Forschungssoftware

Das Metropolitan Museum of Modern Art in New York, die Max-Planck-Gesellschaft oder das Deutsche Archäologische Institut: Sie alle arbeiten bereits mit einer wegweisenden Software, die Wissenschaftler vom Lehrstuhl für Informatik 8 (Theoretische Informatik) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) um Prof. Dr. Günther Görz entwickelt haben und die eine semantische Erschließung von Datenbanken ermöglicht. Such- und Rechercheprozesse werden damit wesentlich einfacher und inhaltlich umfassender. Während herkömmliche Suchmaschinen die Datenbanken ausschließlich nach den eingegebenen Wörtern – also exakt festgelegten Zeichenketten – durchsuchen und alle anderen Informationen, die ebenfalls zu dem eingegeben Suchbegriff passen könnten, ausblenden, können die Nutzer mit der Software aus Erlangen die riesigen Datenmengen mit logischer Systematik durchforsten. Jetzt macht sich auch die Universität Oxford das Know-how zunutze. Unter Verwendung des an der FAU entwickelten Programms hat die englische Uni das Such-System CLAROS entwickelt, das weltweit Datenbanken zur Kunst der klassischen Antike vernetzt, etwa von Museen oder Kunstsammlungen.

„Stellen Sie sich vor, Sie suchen das Foto einer Vase, auf der Herkules zu sehen ist, mit einem Speer in der Hand“, führt Prof. Görz als Beispiel die Erlanger Forschungssoftware an. „Sie wissen allerdings nicht, ob es eine Vase mit diesem Motiv gibt oder wie eine solche Datei benannt sein könnte. Also beschreiben Sie dem Computer anhand wichtiger Eigenschaften einfach, wie das von Ihnen gewünschte Motiv gestaltet sein soll.“ Bei CLAROS können in verschiedenen Suchkategorien wie „Fundort“, „zeitliche Periode“ oder „Datenbank“ Suchbegriffe wie „Vase“ oder Abbildungen wie „Herkules“ angegeben werden. Das Programm listet dann nicht nur alle Bilder auf, die ein solches Motiv beinhalten, sondern zusätzlich auch Fotos von Vasen, auf denen Herkules mit anderen Waffen oder Werkzeugen zu sehen ist. Alternativ kann der Nutzer ein Bild bei CLAROS hochladen oder den Link zu einem Foto im Internet angeben, das der von ihm gesuchten Herkules-Vase sehr ähnlich ist. Auch in diesem Fall sucht das Programm dann Bilder, die zu dem angegeben Motiv passen. „Mit einer herkömmlichen Suchmaschine ist eine solche Vorgehensweise technisch nicht möglich“, sagt Görz.

Aber CLAROS kann noch mehr – zum Beispiel eine antike griechische Inschrift finden, von der sich die erste Hälfte in einem Museum in Athen befindet und die zweite Hälfte in einer Kunstsammlung in den USA. Beide Hälften sind zwar elektronisch verzeichnet und im Internet einsehbar. Es gibt aber keine gegenseitigen und damit ergänzenden Verweise. Die griechische Datenbank des Museums ist zudem nach einem anderen System aufgebaut als die amerikanische; die Beschreibung oder der Fundort der Inschrift sind nur auf Griechisch angegeben oder auf Englisch. Schnell stößt man an Grenzen beim Versuch, mit einer herkömmlichen Suchmaschine die beiden zueinander passenden Teile zu finden, da diese ausschließlich nach identischen Zeichenketten sucht, die es in diesem Fall nicht gibt. CLAROS kann die beiden Teile dagegen als zueinandergehörig identifizieren.

Die Funktionsweise von CLAROS

Grundlage von CLAROS ist das Conceptual Reference Model, kurz CRM. Unter CRM verstehen die beteiligten Wissenschaftler ein sehr allgemeines System aus Begriffen und Eigenschaften, mit dem Objekte beschrieben werden können. Besonders gut eignet sich das Modell für die Museumsdokumentation, weil es den universellen Zugang zu und den Austausch von vielen verschiedenen Daten ermöglicht. Inzwischen ist das CRM als internationaler Standard für die Museumsdokumentation anerkannt.

Lange Zeit existierte die Idee zu diesem System nur auf dem Papier. Für die Implementierung des Konstrukts in ein Computerprogramm nutzten Prof. Görz und sein Team die sogenannte „Web Ontology Language“, eine logische Programmiersprache, die für die Wissensrepräsentation und -verarbeitung im „Semantischen Web“ dient.

Zahlreiche Wissenschaftler nutzen das Erlanger Computerprogramm für eigene Projekte und entwickeln es weiter. Die von Prof. Görz entwickelte Software ist frei im Internet erhältlich.

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 23.05.2011

Transport von 700 DVDs in nur einer Sekunde – Höchste Bitrate auf einem Laser

Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es gelungen, Daten im Umfang von 26 Terabit pro Sekunde auf einen einzigen Laserstrahl zu kodieren, 50 Kilometer weit zu übertragen und dann erfolgreich wieder zu dekodieren. Dies ist die größte je auf einem Laserstrahl transportierte Datenmenge. Das am KIT entwickelte Verfahren ermöglicht es, den Inhalt von 700 DVDs in nur einer Sekunde zu übertragen. Die renommierte Zeitschrift „Nature Photonics“ berichtet in ihrer neuesten Ausgabe über diesen Erfolg (DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.74).

Die KIT-Wissenschaftler um Professor Jürg Leuthold schlagen mit dem Experiment ihren eigenen Rekord in der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung vom Jahr 2010, in dem sie bereits die magische Grenze von 10 Terabit pro Sekunde, also eine Datenrate von 10 000 Milliarden Bit pro Sekunde, durchbrechen konnten. Der Erfolg gelang der Gruppe dank eines von ihr entwickelten Verfahrens zur Datendekodierung. Das neue optisch-elektrische Dekodierverfahren beruht darauf, dass zu Beginn bei höchsten Datenraten zunächst rein optisch gerechnet wird, um die große Datenrate auf kleinere Bitraten hinunterzubrechen, welche anschließend elektrisch weiterprozessiert werden können. Die zunächst optische Reduzierung der Bitraten ist notwendig, da es bei einer Datenrate von 26 Terabit pro Sekunde keine elektronischen Verarbeitungsprozesse gibt.

Für die Rekord-Datenkodierung verwendet das Team um Leuthold das sogenannte Orthogonale Frequenz-Division Multiplexing (OFDM). Das Verfahren wird seit Jahren in der Mobilkommunikation erfolgreich eingesetzt und greift auf mathematische Routinen (Fast Fourier Transformation) zurück. „Die Kunst bestand darin, das Verfahren nicht nur tausendmal, sondern für die Datenverarbeitung bei 26 Terabit pro Sekunde fast eine Million mal schneller zu machen“, betont Leuthold, der die Institute für Photonik und Quantenelektronik sowie Mikrostrukturtechnik am KIT leitet. „Die bahnbrechnende Idee war letztendlich die optische Umsetzung der mathematischen Routine.“ Dabei zeigte sich, dass das Rechnen im optischen Bereich nicht nur außerordentlich schnell, sondern auch sehr energieeffizient ist, da Energie nur für den Laser und wenige Prozessschritte benötigt wird.

„Unser Ergebnis führt vor Augen, dass selbst bei extrem hohen Datenraten noch keine physikalischen Grenzen überschritten sind“, sagt Leuthold mit Blick auf das stetig wachsende Datenaufkommen im Internet. Die Übertragung von 26 Terabit pro Sekunde zeige, so Leuthold, dass selbst hohe Datengeschwindigkeiten heute handhabbar seien – und das bei sparsamem Umgang mit der wertvollen Ressource Energie.

Datenraten von 26 Terabit pro Sekunde galten noch bis vor wenigen Jahren selbst für Systeme mit vielen Lasern als utopisch. „Man hätte auch gar keine Anwendungen dafür gehabt“, sagt Leuthold. „Mit 26 Terabit pro Sekunde hätte man bis zu 400 Millionen Telefongespräche gleichzeitig übertragen können. Niemand hätte das damals benötigt. Heute ist das anders.“ Videoübertragungen dominieren das Internet und verlangen extrem hohe Bitraten und der Bedarf wächst ständig. In den Kommunikationsnetzen werden heute bereits erste Strecken mit Kanaldatenraten von 100 Gigabit pro Sekunde (entspricht 0,1 Terabit pro Sekunde) in Betrieb genommen. Die Forschung konzentriert sich nun darauf, Systeme für Übertragungsstrecken mit 400 Gbit/s bis zu 1 Tbit/s zu entwickeln. Die Karlsruher Erfindung greift damit der laufenden Entwicklung vor. Bei der experimentellen Umsetzung der ultraschnellen Datenübertragung am KIT haben Unternehmen und Wissenschaftler aus ganz Europa mitgewirkt. So waren Mitarbeiter von Agilent und Micram Deutschland, Time-Bandwidth Schweiz, Finisar Israel und der Universität Southampton in Großbritannien beteiligt. (lg)

Literatur:
26 Tbit s-1 line-rate super-channel transmission utilizing all-optical fast Fourier transform processing. D. Hillerkuss, R. Schmogrow, T. Schellinger, M. Jordan, M. Winter, G. Huber, T. Vallaitis, R. Bonk, P. Kleinow, F. Frey, M. Roeger, S. Koenig, A. Ludwig, A. Marculescu, J. Li, M. Hoh, M. Dreschmann, J. Meyer, S. Ben Ezra, N. Narkiss, B. Nebendahl, F. Parmigiani, P. Petropoulos, B. Resan, A. Oehler, K. Weingarten, T. Ellermeyer, J. Lutz, M. Moeller, M. Huebner, J. Becker, C. Koos, W. Freude and J. Leuthold. Nature Photonics. DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.74

Externer Link: www.kit.edu

Presseaussendung der TU Wien vom 17.05.2011

Forschung der TU Wien könnte 3D-Drucker zum erschwinglichen Alltagsgerät machen.

Drucker, die dreidimensionale Objekte herstellen können, gibt es schon seit Jahren. An der TU Wien wurde nun allerdings ein Gerät entwickelt, das kleiner, leichter und billiger ist als gewöhnliche 3D-Drucker. Mit Druckern dieser Art könnte man in Zukunft kleine, maßgeschneiderte Objekte nach Bauplänen aus dem Internet zu Hause selbst produzieren – und so etwa teures Geld für seltene Ersatzteile sparen.

Gleich mehrere Wissenschaftsrichtungen müssen zusammenarbeiten, wenn ein 3D-Drucker entwickelt werden soll: Gebaut wurde der Prototyp in der Arbeitsgruppe von Professor Jürgen Stampfl an der Fakultät für Maschinenbau, von wesentlicher Bedeutung war auch die chemische Forschung des Teams um Professor Robert Liska – schließlich muss zunächst geklärt werden, mit welchen Arten von Kunststoff der Drucker überhaupt arbeiten kann.

Schicht für Schicht

Das Grundprinzip des 3D-Druckers ist einfach: Das gewünschte Objekt wird in einem kleinen Becken mit flüssigem Kunstharz erzeugt. Das Kunstharz hat die Eigenschaft, dass es genau dort hart wird, wo man es intensiv mit Licht bestrahlt. Schicht für Schicht wird das Kunstharz also an den richtigen Stellen beleuchtet. Verhärtet eine Schicht, wird an ihr die nächste angelagert, bis das Objekt vollständig ausgehärtet ist – „Rapid Prototyping“ nennt man dieses Verfahren. „Auf diese Weise können wir auch komplizierte geometrische Objekte mit einer genau definierten inneren Struktur herstellen, wie das etwa mit Gussverfahren niemals möglich wäre“, erklärt Klaus Stadlmann, der den Drucker-Prototyp gemeinsam mit Markus Hatzenbichler entwickelt hat.

Für Massenproduktion von immer gleichen Objekten ist diese Methode nicht gedacht – dafür gibt es billigere Alternativen. Doch der große Vorteil des Rapid-Prototyping-Verfahrens liegt darin, dass sehr einfach individuell angepasste, maßgeschneiderte Einzelstücke erzeugt werden können. Der Drucker-Prototyp ist nicht größer als eine Milchpackung, wiegt 1.5 kg und war mit – 1200 auch erstaunlich billig. „Wir werden den Drucker noch weiter verkleinern – und auch der Preis könnte sicher noch spürbar sinken, wenn man ihn in größerer Stückzahl erzeugen würde“, ist Klaus Stadlmann zuversichtlich.

Hohe Auflösung durch LED-Beamer

Die Auflösung des Druckers ist exzellent: Nur ein Zwanzigstel eines Millimeters messen die Schichten, die jeweils durch Licht verhärtet werden. Damit ist der Drucker auch für Anwendungsbereiche einsetzbar, in denen höchste Präzision erforderlich ist – etwa bei Bauteilen für Hörgeräte. Im Gegensatz zu bisher erhältlichen Druckern verwendet das Modell der TU Wien Leuchtdioden als Lichtquelle, mit deren Hilfe hohe Lichtintensitäten auf sehr kleinem Raum erreicht werden können.

Das Rapid-Prototyping-Forschungsteam der TU Wien arbeitet mit unterschiedlichen 3D-Techniken und Materialien und entwickelt immer neue Keramik- und Polymerwerkstoffe für das dreidimensionale Drucken. So ist es sogar gelungen, 3D-Objekte aus umweltfreundlichen, biologisch abbaubaren Materialien herzustellen. In Zusammenarbeit mit Medizinern und Biologen konnte kürzlich auch gezeigt werden, dass die künstlichen Strukturen, die mit dieser Beamer-Technologie hergestellt wurden, ausgezeichnet dazu geeignet sind, als Gerüst das Wachstum von natürlichem Knochen im Körper anzuregen.

Vielseitig einsetzbar

Egal also, ob man medizinische Teile braucht, die an den Patienten speziell angepasst werden müssen, ob spezielle Ersatzteile benötigt werden, die man nicht teuer um die halbe Welt schicken will, oder ob man einfach nur selbstdesignten Modeschmuck produzieren möchte: Mit den Geräten und Materialien der TU Wien steht ein kostengünstiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem sehr komplexe dreidimensionale Bauteile in einer Vielzahl von anspruchsvollen Werkstoffen mit unterschiedlichen mechanischen, optischen und thermischen Eigenschaften hergestellt werden können. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 24.01.2011

Für Jugendliche ist heute das Profil im sozialen Netzwerk selbstverständlich. Doch nur die wenigsten haben im Blick, dass ein Personalchef noch Jahre später auf peinliche Partyfotos stoßen kann, weil diese im Langzeitgedächtnis des Internets gespeichert sind. Saarbrücker Informatiker haben deshalb ein digitales Verfallsdatum entwickelt, das erstmals die Möglichkeit eröffnet, Jugendsünden aus dem Netz verschwinden zu lassen. Mit der neuen Software, die jetzt im Internet erhältlich ist, kann jeder seine Bilder vor dem Hochladen mit einem Verfallsdatum versehen. Bisher konnte man Privatfotos im Internet nicht löschen, weil sie von Suchmaschinen automatisch erfasst und doppelt und dreifach gesichert wurden.

Die sozialen Netzwerke wie Facebook und StudiVZ leben davon, dass Millionen Nutzer ihre privaten Neuigkeiten und Fotos untereinander austauschen. Wer aber seine persönlichen Bilder über diese Webseiten lädt, muss damit rechnen, dass sie auch noch viele Jahre später im Internet zu finden sein werden. „Wir haben daher nach Möglichkeiten gesucht, wie man die Vorzüge der sozialen Netzwerke nutzen kann und dennoch die Kontrolle über seine persönlichen Daten behält“, sagt Michael Backes, Professor für Informationssicherheit und Kryptographie der Universität des Saarlandes. Damit seine Forschungsergebnisse auch dem Endnutzer zugute kommen, hat der Wissenschaftler vor einigen Monaten eine Firma aus der Universität ausgegründet. Ein Team von jungen Informatikern hat dort eine Technik entwickelt, mit der man Informationen im Internet mit Verfallsdatum versehen kann. „Wir haben uns zuerst auf Fotos konzentriert, die man jetzt nach Ablauf des eingegebenen Verfallsdatums nicht mehr ansehen kann. Künftig wird man das Verfahren auch für Dokumente, etwa pdf-Dateien, oder ganze Webseiten einsetzen können“, nennt Backes sein Ziel.

Für soziale Netze wie Facebook, Flickr und Wer-kennt-wen wurde der Schutz bereits getestet und kann jetzt über ein Zusatzprogramm (Plug-in) im Firefox-Browser angewendet werden. „Die Fotos werden beim Hochladen ins Internet verschlüsselt und über ein einfaches Menü mit einem Verfallsdatum versehen. Den Schlüssel, den man zum Lesen der Daten benötigt, legen wir auf mehreren Servern ab“, erklärt Michael Backes. Diese Sicherheitsserver werden von Internet-Dienstleistern betrieben, die den Schlüsselcode nur preisgeben, wenn er zu den anderen Schlüsseln passt. „Diese Abfrage geschieht vollautomatisch im Hintergrund, ohne dass der Benutzer etwas merkt“, sagt Backes. Sobald das Verfallsdatum erreicht ist, löscht der Sicherheitsserver den Schlüssel. Das eingestellte Foto kann dann im Internet nicht mehr angesehen werden. „Für die sozialen Netzwerke mussten wir ein extra Verfahren entwickeln, da die Fotos dort beim Hochladen komprimiert werden. Dies hätte die Verschlüsselung in der Bilddatei zerstört“, erklärt der Informatikforscher.

Nach Meinung von Michael Backes liefern diese Sicherheitsvorkehrungen für fast alle Anwender eine ausreichende Kontrolle. Sie sollen vor allem für die großen Suchmaschinen wie Google oder Yahoo die Hürde hoch setzen, damit diese nicht alle Daten vollautomatisch speichern können. „Für Internetnutzer, die ganz auf Nummer sicher gehen möchten, haben wir eine weitere Sicherheitsstufe in das System eingebaut. Dafür werden so genannte Captchas verwendet, das sind diese schwierig zu erkennenden Buchstabenfolgen, die jeder vom Online-Banking kennt. Sie können nur manuell eingegeben werden, so dass sie von Suchmaschinen nur mit einem hohen kommerziellen Aufwand entziffert werden könnten“, meint der Informatik-Forscher.

Die aus einem Forschungsprojekt entstandene Technologie zum digitalen Verfallsdatum wird jetzt als Software namens „x-pire!“ vermarktet. In die gleichnamige Firma stieg vor kurzem die Saarbrücker Scheer Group GmbH als Teilhaber ein. Das Plugin, das man benötigt, um die mit einem Verfallsdatum versehenen Fotos anzuschauen, ist weiterhin kostenlos erhältlich. Wer die Software nutzen will, um seine Bilder mit einem digitalen Verfallsdatum zu versehen, zahlt pro Monat rund zwei Euro.

Externer Link: www.uni-saarland.de