BMBF-Projekt KI4D4E - Visualisierung und Auswertung von großen Datenmengen der 4D-Tomographie

Synchrotronstrahlung gilt als die brillanteste und hellste Röntgenstrahlung der Welt. Dies bedeutet eine 100- bis 1.000-fach verbesserte Auflösung und eine wesentlich bessere Bildqualität im Vergleich zu einer konventionellen Computertomographie (CT), wie sie etwa bei klinischen CTs genutzt wird. Bei bildgebenden Verfahren dieser Art entstehen riesige Datenmengen. In einem gerade gestarteten Forschungsprojekt arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Forschergruppe und des Instituts FORWISS an der Universität Passau gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen anderer Universitäten und europäischer Forschungseinrichtungen an der Nutzbarmachung dieser Daten. Das Projekt „KI4D4E – Ein KI-basiertes Framework für die Visualisierung und Auswertung der massiven Datenmengen der 4D-Tomographie für Anwender von Beamlines“ wird vom BMBF gefördert und läuft noch bis 2026.

„Wir freuen uns außerordentlich, dass wir in der Zusammenarbeit zwischen FORWISS und der Fraunhofer-Forschergruppe an der Universität Passau unsere gemeinsame Expertise im Bereich der Nutzbarmachung von Daten auch in diesem spannenden Projekt einbringen und weiterentwickeln können“, sagt Prof. Dr. Tomas Sauer, Lehrstuhlinhaber für Mathematik mit Schwerpunkt Digitale Bildverarbeitung an der Universität Passau, Leiter des Instituts FORWISS und Mitarbeiter im Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS.

Riesige Datenmengen, wie sie bei der zeitaufgelösten 4D-Computertomographie mit Synchrotronstrahlung generiert werden, stehen für die Fraunhofer-Forschergruppe bei dem Projekt „KI4D4E“ im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses: Das Synchrotron ist ein spezieller Teilchenbeschleuniger, der zu den Ringbeschleunigern gehört. Geladene Elementarteilchen oder Ionen werden darin auf einer Kreisbahn beschleunigt, wodurch sie sehr hohe kinetische Energien erhalten und diese in Form von Röntgenstrahlung abgeben, die für Experimente genutzt werden kann. „Ganz vereinfacht erklärt, kann man sich das wie Fotografie mit einem extrem hellen Blitz und kurzen Belichtungszeiten vorstellen: Dadurch entstehen Bilder von höchster Brillanz, die man in dieser Qualität mit normalen Laboranlagen nicht bekommen würde“, erklärt Tomas Sauer. Derartige Synchrotrons sind in Gebäudekomplexen untergebracht, zum Teil mit einem Durchmesser von bis zu einem Kilometer. Durch die neue Strahllinie BM18 and der ESRF in Grenoble ist nun auch eine hochauflösende Tomographie von vergleichsweise großen Objekten möglich.

„Bei Scans dieser Art entstehen schnell Daten in der Größenordnung mehrerer Terabytes. Und genau hier liegt unsere Aufgabe: Mit Methoden der Bildverarbeitung, Visualisierung, Segmentierung und Kompression sollen die Daten für Anwenderinnen und Anwender so aufbereitet werden, dass sie einfach und intuitiv nutzbar sind“, so Prof. Dr. Christoph Heinzl, Leiter der Fraunhofer Forschergruppe Wissensbasierte Bildverarbeitung in Passau. Das bedeutet, dass die Daten untersucht und zerlegt, relevante Anteile identifiziert und die dreidimensionalen Videos schließlich auf eine Art komprimiert werden, sodass sie für Anwenderinnen und Anwender überhaupt erst verwendbar sind. Dabei spielen KI-Methoden und maschinelles Lernen eine wichtige Rolle. „Die Nachfrage von Industrieseite bei den Synchrotrons ist riesig. Deshalb ist es essenziell, dass wir ihnen das Tooling an die Hand geben können, um niederschwellig mit ihren Daten umgehen zu können. Andernfalls wissen sie irgendwann nicht mehr, wohin mit den Datenmengen“, so Dr. Thomas Lang, der das Projekt in der Fraunhofer Forschergruppe Wissensbasierte Systeme leiten wird.

Über das Projekt „KI4D4E“

Das Projekt „KI4D4E“ wird im Rahmenprogramm „Erforschung von Universum und Materie“ gefördert und läuft bis zum 28.06.2026. Neben der Fraunhofer-Forschergruppe an der Universität Passau sind an dem Projekt die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Universität Stuttgart, das KIT – Karlsruher Institut für Technologie, das Fraunhofer Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT sowie die Helmholtz-Gemeinschaft beteiligt. Verbundkoordinatorin ist die Universität Stuttgart.

Über das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen und den Standort an der Universität Passau

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen ist eine weltweit führende anwendungsorientierte Forschungseinrichtung für mikroelektronische und informationstechnische Systemlösungen und Dienstleistungen. Es ist heute das größte Institut in der Fraunhofer-Gesellschaft. Die Forschung am Fraunhofer IIS orientiert sich an den Leitthemen „Audio und Medientechnologien“ sowie „kognitive Sensorik“. Das Fraunhofer Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT ist ein Bereich des Fraunhofer IIS. An dessen Standort in Passau forschen und arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler u. a. daran, große und hochkomplexe Datenmengen nutzbar zu machen. Segmentierungs- und Komprimierungsmethoden sowie Visualisierung spielen hierbei eine zentrale Rolle.

Projektleitung an der Universität Passau	Prof. Dr. Tomas Sauer (Institut für Softwaresysteme in technischen Anwendungen der Informatik (FORWISS Passau))
Laufzeit	01.03.2023 - 28.02.2026
Mittelgeber	BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung