NIFTY: Software für alle Arten der Bildgebung
Astronomen machen numerische Informationsfeldtheorie für jedermann zugänglich.
Algorithmen zur Rekonstruktion von Signalen können nun eleganter entwickelt werden: Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astrophysik veröffentlichen NIFTY, eine neue Software zur Datenanalyse und Bildgebung. Sie dient zur Kartierung von Räumen mit beliebig vielen Dimensionen oder von Kugeloberflächen. Der Vorteil: einmal mit NIFTY programmiert kann eine spezielle Methode zur Bildrekonstruktion einfach in all diesen Räumen eingesetzt werden. Entwickelt wurde NIFTY ursprünglich zur Vermessung des Himmels, die Python-Software lässt sich aber auch in anderen Bereichen wie der medizinischen Bildgebung einsetzen.
Abb.: Signalrekonstruktion mit NIFTY in einer, zwei und sphärischen Dimensionen (jeweils obere, mittlere und untere Zeile). Links jeweils das Orginalsignal, mittig verrauschte Daten der Signale und rechts die Signalrekonstruktionen aus den Daten. Der selbe NIFTY-Code hat alle drei Beispiele erzeugt. (Bild: MPA)
Hinter den beeindruckenden Teleskopaufnahmen aus den Tiefen des Kosmos steckt viel Arbeit und Rechenleistung. Die Rohdaten vieler Instrumente sind so unanschaulich, dass selbst Experten ohne hoch-komplexe, bildgebende Algorithmen kaum eine Chance haben, daraus Erkenntnisse abzuleiten. So tasten einfache Radioteleskope beispielsweise den Himmel ab und liefern lange Zahlenreihen. Komplexere Radiointerferometer messen die Himmelshelligkeit zerlegt in ihre räumlichen Schwingungsmoden. Gammastrahlungsteleskope identifizieren Himmelsquellen durch das Muster, das durch den Schattenwurf einer komplexen Maske vor den Detektoren erzeugt wird. Es sind ausgefeilte Algorithmen nötig, um aus all diesen Rohdaten aussagekräftige Bilder zu generieren. Gleiches gilt auch für medizinische Bildgebungsgeräte, wie Computer- und Kernspintomographen.
Bisher brauchte jedes dieser Bildgebungsprobleme ein spezielles Computerprogramm, welches an die Besonderheiten und Geometrie des darzustellenden Messgebietes angepasst ist. Doch viele der benutzten Konzepte sind allgemeingültiger Natur und müssten eigentlich nur einmal programmiert werden, sofern sich der Computer selbstständig um die geometrischen Details kümmern könnte.
Das von den Forschern in Garching entwickelte und nun veröffentlichte Softwarepaket NIFTY macht genau dies möglich. Durch NIFTY kann ein Algorithmus für Probleme in einer Dimension durch minimale Anpassungen auch in zwei oder mehr Dimensionen und auch auf Kugeloberflächen eingesetzt werden. NIFTY kümmert sich eigenständig um die korrekte Buchhaltung aller geometrischen Größen. Damit kann Bildgebungssoftware wiederverwertet oder auch wesentlich effizienter neu entwickelt werden. Insbesondere dreidimensionale Anwendungen werden somit vereinfacht, da sich viele Kinderkrankheiten eines Programms in eindimensionalen Tests wesentlich leichter kurieren lassen als in allen drei Dimensionen.
Abb.: NIFTY-Rekonstruktion einer stark gestörten Fotografie der Mondoberfläche. Obere Zeile von links nach rechts: Originalbild (Quelle: linkPfeilExtern.gifUSC-SIPI Datenbank) Daten und Rekonstruktion. Untere Zeile zeigt Störeinflüsse in den Daten, von links nach rechts: Korngröße der Glättung, strukturierte Maske und inhomogene Struktur der Rauschverteilung. (Bild: MPA)
NIFTY (engl. für raffiniert oder elegant) steht für „Numerical Information Field Theory” und ist ein Werkzeug der Informationsfeldtheorie. Mit diesem relativ jungen Gebiet lassen sich optimale Formeln zur Kartographie herleiten, die die in Daten und Vorwissen enthaltene Information komplett ausnutzten. NIFTY vereinfacht nun die Programmierung von solchen Formeln zur Bildgebung und Datenanalyse, egal ob sie aus der Informationsfeldtheorie oder von woanders her stammen. Neben einer Fachpublikation, in der die mathematischen Grundlagen anhand von Beispielen illustriert werden, stellen die Forscher auch eine umfangreiche Internetdokumentation zur Verfügung.
MPA / OD
