09.07.2013

Die Realität digitalisieren: Saarbrücker Informatiker gewinnt hoch dotierten EU-Forschungspreis

Menschen können ihre Umgebung im Bruchteil einer Sekunde erfassen, Bewegungen blitzschnell erkennen und deuten. Damit Computer dies auch schaffen, müssen Grundsätze der Bilderkennung und Computergrafik völlig überarbeitet, neue Rechenverfahren entworfen werden. Der Saarbrücker Informatik-Professor Christian Theobalt stellt sich dieser Herausforderung. Der europäische Forschungsrat hat ihn dafür nun mit einem „ERC Starting Grant“ und 1,48 Millionen Euro ausgezeichnet.

Die Augen gehören zu den wichtigsten Sinnesorganen des Menschen. Durch sie kann er detaillierte Informationen über räumliche Zusammenhänge erfassen und Abläufe von Aktionen erkennen. Computersysteme besitzen inzwischen zwar immer öfter Kameras, jedoch ist es für sie noch immer schwierig, eine reale Umgebung mit der Hilfe der aufgenommen Bilddaten zu deuten. Geometrie und Bewegung von Szenen zu erfassen, ist für sie ein noch komplexeres Problem.

Daran arbeitet Christian Theobalt, Leiter der Gruppe „Graphics, Vision and Video“ am Max-Planck-Institut für Informatik in Saarbrücken. Anhand von Aufnahmen aus Videokameras sollen Computer Bewegungen in der Szene und Oberflächeneigenschaften der gefilmten Objekte rekonstruieren können. „Obwohl die Bilderkennung große Fortschritte hin zu diesem Ziel gemacht hat, stehen viele der Methoden noch ganz am Anfang und unterliegen sehr starken Einschränkungen“, sagt Theobalt, der auch als Informatik-Professor an der Universität des Saarlandes lehrt. Ihre Resultate seien noch nicht vergleichbar mit dem Detailgrad der realen Welt, so Theobalt. Mit seinem Projekt „CapReal – Performance Capture of the Real World in Motion“ will er dies ändern. Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat ihn dafür mit dem „ERC Starting Grant“ ausgezeichnet. Jährlich bewerben sich Tausende von Forschern aus ganz Europa darum, doch nur  wenige werden ausgewählt. Die Europäische Union will so exzellenten Nachwuchswissenschaftlern die Möglichkeit geben, unabhängig neue und zukunftsweisende Wege in ihrem Gebiet zu eröffnen. Theobalt erhält nun insgesamt 1,48 Millionen Euro für fünf Jahre.

Damit will er die theoretischen Grundlagen für völlig neue Methoden zur dynamischen Szenenrekonstruktion schaffen. In einem bisher unbekannten Detailgrad sollen sie Geometrie, Bewegung und Materialeigenschaften (beispielsweise Verformungsverhalten) in komplexen, realen Szenen erfassen. Und dies unabhängig davon, ob sich diese Szenen in speziell ausgeleuchteten Studios abspielen oder in der freien Natur, wodurch Beleuchtung, Bewegung und Geometrie in der Szene beliebig komplex werden. „Anstatt mit einem empfindlichen, festinstallierten System, wollen wir mit immer weniger Kameras auskommen, so dass gegen Ende eine Handvoll Handykameras ausreicht“, sagt Theobalt.

Dafür müssen seine Arbeitsgruppe und er jedoch grundlegende Ansätze der Bilderkennung überarbeiten. „Licht gestaltet die Szene. Seine Veränderung und seine vielschichtige Interaktion in einer realen Szene macht aber auch deren Berechnung sehr komplex. Um Szenen dennoch rekonstruieren zu können, müssen unsere Programme Lichtverhältnisse besser abschätzen und diese mathematisch noch feiner beschreiben können“, sagt Theobalt. Dazu werden die Saarbrücker Informatiker Verfahren aus der Computergrafik weiterentwickeln, mit denen Wissenschaftler bisher fotorealistische Bilder erzeugen. Weiterhin werden sie neue Methoden ausarbeiten, um Material- und Oberflächeneigenschaften von sich in der Szene bewegenden Objekten zu berechnen. Jedoch nicht nur mit diesen Herausforderungen in der Bilderkennung und der Computergrafik müssen sich die Forscher beschäftigen. Sie müssen auch neue Ansätze entwickeln, um die dabei auftretenden mathematischen Probleme effizient zu berechnen.

Um Forschungsergebnisse aus Vorarbeiten zu diesem Projekt zu kommerzialisieren, gründen Mitarbeiter seiner Gruppe in Saarbrücken gerade das Unternehmen „The Captury“. Ihre Technologie ermöglicht es, ohne Spezial-Ausrüstung und stattdessen nur mit herkömmlichen Videokameras die Bewegungen von Personen zu erfassen.  Das vereinfacht beispielsweise die Produktion neuer visueller Effekte. Doch nicht nur Film und Fernsehen werden von den Ergebnissen der Saarbrücker Informatiker profitieren: Biomechaniker können die Bewegung eines Sportlers auf dem Feld in einem weitaus höherem Detailgrad analysieren. Mediziner können in ihrer eigenen Praxis mit preiswerten Kameras nicht nur die Bewegungen ihrer Patienten vermessen, sondern sich dabei auch die Deformation der Muskulatur anzeigen lassen. So können sie besser abschätzen, ob eine Therapie wirkt. Ebenso sind neue Formen denkbar, wie Menschen mit ihren Gesten Computer steuern. In der Industrie können Ingenieure mit Hilfe von nur wenigen Kameras und damit mit weit weniger Aufwand als bisher prüfen, ob Materialien bestimmte Belastungen aushalten. Selbst autonome Fahrzeuge und Robotersysteme werden dadurch die reale Welt besser verstehen können.

(www.uni-saarland.de)