Computergrafik - Maschinen das Lernen beibringen

Die Kunst, Bilder zu erschaffen

Neu berufen: Der Maier-Leibnitz-Preisträger Marc Alexa leitet das Fachgebiet Computer Graphics

Gemeinsam mit Humboldt-Stipendiatin Olga Sorkine will er Maschinen das Lernen beibringen

05.01.2007 - Ob bunte Bilder, detailreiche Animationen oder realitätsnahe PC-Spiele: Heute vermag man sich kaum vorzustellen, dass in den Anfängen des Personal Computers am monochromen Bildschirm meist nur Zahlen und Buchstaben zu sehen waren. Daran, dass die Darstellung von Bildern und 3D-Modellen noch besser wird, arbeitet der Informatik-Professor Dr. Marc Alexa. Im Dezember 2005 kam der Heinz Maier-Leibnitz-Preisträger von der TU Darmstadt und übernahm mit gerade einmal 31 Jahren das Fachgebiet "Computer Graphics" an der TU Berlin. Damit ist er einer der jüngsten TU-Professoren.

"Computergrafik kann man grob in zwei Bereiche unterteilen: Modellierung und die Darstellung am Bildschirm", erläutert Marc Alexa. Modellierung heißt, wie stellt man die Wirklichkeit am Rechner dar. "Typischerweise ist sie zu kompliziert, um sie sinnvoll abzubilden. Also erstellen wir Modelle", so der Informatiker. Ziel ist es, möglichst wenig Megabyte zu verbrauchen, damit die Bilderzeugung schnell geht. Und die Abbildung muss so realistisch wie möglichst aussehen.

Interessant sind die gemeinsamen Arbeiten von Marc Alexa und der Humboldt-Stipendiatin Dr. Olga Sorkine, die derzeit an der TU Berlin forscht, zum Beispiel für computerbasierte Animationsfilme. So kam jetzt der Kontakt mit den Walt Disney Studios zustande. Disney sucht nach Wegen, wie Designer schnell, einfach und ohne besondere Computerkenntnisse 3D-Modelle von Figuren wie etwa in dem Film "Cars" erzeugen können. Die Schwierigkeit besteht darin, dass man nicht wie am Zeichentisch eine Figur entwerfen kann. Ein 3D-Modell setzt sich aus vielen Punkten, kleinen Flächen und Kanten zusammen.

Schwierig wird es insbesondere, wenn Designer mit wenigen Strichen andeuten, wie sich die Silhouette eines Modells ändern soll, wenn etwa die Nase zu unnatürlich aussieht. Damit das nicht in stundenlanger Arbeit durch eine Handvoll Programmierer, sondern per Knopfdruck in wenigen Sekunden passiert, müssen neue Algorithmen entworfen werden. "Das haben wir nach einiger Zeit und viel Arbeit ganz gut gelöst. Zum Interesse von Disney", schmunzelt Alexa.

Ein anderes Beispiel kommt aus der Medizin. Hier soll eine interaktive Chirurgiesimulation entwickelt werden. Dabei geht es weniger darum, Operationen im Voraus zu planen, sondern den Medizinernachwuchs üben zu lassen. Das spart Geld, denn die Instrumente und Leichen sind teuer. Gleichwohl geht es Marc Alexa weniger darum, Konkretes für bestimmte Anwendungen zu entwickeln. Für ihn steht im Vordergrund, die bereits entwickelten Modelle weiter zu verbessern. Daraus ergeben sich in der Regel Anwendungsmöglichkeiten, wie eben bei der Veränderung der Silhouette. Ein Ziel ist es nun, nicht nur eine bestimmte Ansicht zu verändern, sondern gleich eine komplette Animation. So etwas sorgt bei heutigen Rechnern schon mal für die Auslastung des ganzen Arbeitsspeichers.
Im Visier hat Marc Alexa auch die so genannte "Computational Photography". Hier geht es um neue Möglichkeiten der Verarbeitung und Optimierung bei der digitalen Fotografie, etwa um automatische Panorama-Bilder zu erzeugen, oder eine Kamera kombiniert selbst-ständig verschiedene Aufnahmen, um das bestmögliche Bild zu ermitteln. "Hier begibt man sich in Konkurrenz zu den großen US-Unis wie Stanford oder MIT", weiß Marc Alexa. Aber gerade die Herausforderung spornt ihn an. Darum hatte er auch den Ruf an die TU Berlin angenommen: "Berlin ist ein lukrativer Standort. Angesichts der zahlreichen Forschungseinrichtungen hat man die Chance, mit vielen hervorragenden Kollegen zusammenzukommen", so Marc Alexa.


Maschinen das Lernen beibringen

Exzellente Forschung zieht auch herausragende Nachwuchswissenschaftler aus dem Ausland an, so wie die 25-jährige Olga Sorkine aus Israel. Die promovierte Informatikerin ist seit Juli für ein Jahr als Humboldt-Stipendiatin bei Professor Marc Alexa. Humboldt-Stipendiaten können sich ihren Aufenthaltsort in Deutschland selbst aussuchen. Alternativ hätte Olga Sorkine auch an einer der Top-Adressen in den USA gehen können. Sie entschied sich aber letztlich doch für das Humboldt-Stipendiat und für die TU Berlin, was auf den ersten Blick nicht unbedingt selbstverständlich ist: "Einerseits war ich bereits mehrfach in Deutschland, daher ist für mich im Gegensatz zu vielen anderen die Sprache keine so große Hürde mehr. Andererseits arbeiten wir schon länger zusammen und das an wirklich spannenden Themen", erzählt Olga Sorkine. Seit 2003, als Marc Alexa im Rahmen eines Forschungsaufenthaltes an der Tel Aviv University weilte, besteht der Kontakt, gemeinsam haben sie bereits mehrere Publikationen veröffentlicht.

Neben den 3D-Modellen zur Veränderung der Silhouetten beschäftigen die beiden sich mit einem sehr jungen und aktuellen Thema in der Computergrafik, dem "Machine Learning". Hierfür soll ein 3D-Modell entwickelt werden, dass jede Art von Bewegung erzeugen kann. Dazu werden verschiedene Bewegungen von Personen mit Hilfe einer Tiefenbildkamera in 3D eingescannt. Damit hat man quasi ein Grundgerüst an natürlichen Bewegungen, die das 3D-Modell in Bildschirm-Animationen umsetzen kann. Das Besondere ist, dass das Modell in der Lage sein soll, eigenständig Bewegungen zu kombinieren. Das heißt, aus den Einzelbewegungen zu lernen, wie müsste es aussehen, wie die Animationen nicht nur läuft, sondern dabei zugleich mit den Armen rudert. Und zwar so natürlich, wie es ein Mensch auch machen würde.
Olga Sorkine kann ebenso wie Marc Alexa einen beeindruckenden Lebenslauf vorweisen. Schon als 15-Jährige hat sie parallel zur Schule mit dem Studium an der Tel Aviv University begonnen. Mit ihren 25 Jahren hat sie Bachelor-Abschlüsse in Mathematik und Informatik sowie einen Doktortitel in Informatik. Es würde nicht überraschen, wenn sie bald nach Ablauf des Humboldt-Stipendiums auch eine Professur übernehmen würde.

Quelle im Internet und weitere Informationen unter: www.tu-berlin.de


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