Bildverarbeitung für die Meeresforschung
Meeresforschung in Heidelberg? Sozusagen in der "heimischen Badewanne" Erkenntnisse über den Austausch von klimarelevanten Gasen wie Kohlendioxid an der Oberfläche der Weltmeere gewinnen? Bernd Jähne und sein Team vom Institut für Umweltphysik und dem Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg simulieren in einer Wasserrinne "ozeanische Verhältnisse". Mit Hilfe von speziellen Beleuchtungseinrichtungen, Fluoreszenzfarbstoffen und Wärmebildkameras analysieren sie Windwellen an der Wasseroberfläche. Bilder als "Meßergebnisse" und ihre quantitative Auswertung mit mathematisch fundierten Methoden erschließen der naturwissenschaftlichen Forschung neue Erkenntnismöglichkeiten.
Seit Anbeginn bedient sich die Wissenschaft der Bilder, um ihre Beobachtungen und Ergebnisse festzuhalten. Anfänglich in Form von Zeichnungen, besonders eindrucksvolle Beispiele sind von Leonardo da Vinci überliefert. Die erste Revolution im Umgang mit Bildern war die Erfindung der Fotografie. Sie ermöglichte erstmals, bildhafte Information exakt festzuhalten. Allerdings hatte die mühsame manuelle Auswertung eine quantitative Analyse von Bildmaterial weitgehend verhindert. Einzig die Astronomie und die Geographie nutzten die quantitative Bildanalyse, um auf Fotoplatten die Position und Helligkeit von Sternen zu vermessen und mit der Photogrammetrie Luftbildaufnahmen zur Geländevermessung und Herstellung von Karten auszuwerten. Abgesehen von diesen Ausnahmen wurde Bildmaterial in der Wissenschaft weiterhin hauptsächlich qualitativ verwendet, um Beobachtungen und Versuchsergebnisse zu illustrieren und zu dokumentieren. Heute erleben wir eine zweite Revolution im Umgang mit Bildern: Spezielle Kameras und Computerprogramme erlauben, Bilder quantitativ auszuwerten, automatisch exakte Messungen vorzunehmen und neue Phänomene zu entdecken und zu analysieren.
Die quantitative Analyse von Bildern hat inzwischen eine überragende Bedeutung für die Wissenschaft gewonnen. Viele komplexe physikalische Phänomene, vor allem Strömungs- und Gasaustauschvorgänge, lassen sich durch Meßergebnisse, die mit punktförmig messenden Sonden erhoben werden, nicht adäquat beschreiben. Will man die Phänomene messen, die die Wellenbewegung hervorruft, würde ein ins Wasser gehaltenes Instrument zudem genau das Phänomen stören, welches man messen möchte. Geeignete Abbildungsverfahren und Techniken helfen heute, viele physikalische Parameter sichtbar zu machen. Entscheidend ist, daß die abbildenden Techniken nicht auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschränkt sind, sondern den gesamten Bereich von der Gammastrahlung bis zu Radiowellen nutzen. Auch mit Hilfe von Schallwellen, Teilchenstrahlung - bei der Elektronenmikroskopie - und komplexen Verfahren wie der Magnet-Resonanz-Tomographie in der Medizin, lassen sich bildliche Informationen gewinnen. Mit jeder neuen Möglichkeit der Visualisierung sind neue physikalische Phänomene entdeckt worden. Ich möchte das schlaglichtartig an einigen Schlüsselentdeckungen aus meinem Arbeitsbereich in der Umweltphysik, genauer gesagt der Ozeanographie, erläutern. Kap Canaveral, Florida, 26. Juni 1978: Start des SEASAT-Satelliten. Erstmals an Bord ist ein sogenannter "Synthetic Aperture Radar", der hochauflösende Bilder von der Meeresoberfläche liefert. Die Bilder entstehen durch ein aktives abbildendes Verfahren. Eine Antenne des Satelliten strahlt elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich mit einer Frequenz von 1,27 Gigahertz und einer Wellenlänge von 24 Zentimetern auf die Meeresoberfläche ab. Diese streut die Wellen zurück, und der Satellit empfängt sie wieder. Die Stärke des zurückgestreuten Signals hängt im wesentlichen von der kleinskaligen "Rauhigkeit" des Meeres im Zentimeterbereich ab, von der Kräuselung seiner Oberfläche durch winzige Wellen, die der Wind erzeugt.
Am 9. Oktober 1978 überflog der Satellit die holländische Küste und nahm dabei die küstennahe Nordsee mit einer Auflösung von etwa 25 Metern auf. Während der größte Teil der Nordsee eine weitgehend einheitliche Rückstreuung zeigte, waren im linken Bildteil kilometerlange Schiffspuren zu erkennen. Das hatten die Wissenschaftler erwartet. Völlig überrascht wurden sie hingegen von der Tatsache, daß sich die durch die Bodentopographie modulierte Gezeitenströmung zwischen den beiden Inseln und im Wattenmeer deutlich abzeichnete. Wie kann ein Instrument, dessen Strahlung an der Meeresoberfläche reflektiert wird und nicht bis zum Boden durchdringt, die Bodentopographie abbilden? Bis heute ist das nicht restlos theoretisch verstanden. Soviel ist aber erwiesen: Die Strömungsgeschwindigkeiten, die durch die Beschaffenheit des Bodens verändert werden, modulieren auch die kleinskaligen Windwellen und damit das reflektierte Radarsignal.
Diese Entdeckung hat schlagartig das Interesse der Meeresforscher auf die kleinen Windwellen gerichtet. Bisher hatten sie sich hauptsächlich mit den großen energietragenden Gravitationswellen beschäftigt, die für die Schiffahrt und die Sturmflutvorhersage im Küstenschutz von Bedeutung sind.
Durch die Forschungsarbeiten in meiner Arbeitsgruppe am Institut für Umweltphysik entdeckten wir eine zweite wesentliche Bedeutung der kleinskaligen Wellen. Karl Otto Münnich hatte bei Gründung des Instituts für Umweltphysik 1975 einen kleinen ringförmigen Windkanal aus Jülich mitgebracht, scherzhaft die "Windmühle" genannt, weil der Wind durch ein Paddelrad erzeugt wurde. Meine Aufgabe war es, an dem simplen, aber ungewöhnlichen Gerät Untersuchungen zum Mechanismus des Gasaustausches zwischen Atmosphäre und Meer vorzunehmen. Zunächst erzeugte das Skepsis. Wie sollte man in einer ringförmigen Wasserrinne von zehn Zentimetern Breite und 60 Zentimetern Durchmesser realistisch simulieren, was an der Meeresoberfläche passiert?
Doch die "Windmühle" erwies sich als ideales Instrument, um grundlegende Effekte des Gasaustausches zu studieren. Unsere von 1977 bis 1979 vorgenommenen Messungen zeigen, daß sich die Austauschrate bei gleicher Windgeschwindigkeit durch Windwellen bis zu einem Faktor fünf erhöht. Dies Ergebnis war theoretisch völlig unerwartet und hatte unmittelbare umweltrelevante Konsequenzen, verdeutlichte es doch die Bedeutung, die Verunreinigungen für den Gasaustausch haben. Winzige Spuren oberflächenaktiver organischer Substanzen sind in der Lage, monomolekulare Filme auf der Meeresoberfläche zu bilden und kleinskalige Wellen, und damit den Gasaustausch, zu dämpfen. Inzwischen konnte eine Arbeitsgruppe um Erik Bock und Nelson Frew am Ozeanographischen Institut in Woods Hole, USA, diese Effekte auch im Meer nachweisen. Um die unerwartete Erhöhung des Gasaustausches durch die Wellen zu erklären, bemühten wir uns um eine nähere Erforschung der Windwellen. Das Schlüsselinstrument dazu war ein Abbildungsverfahren, mit dem die Wellenneigung sichtbar gemacht werden kann. Eines der ersten Bilder habe ich 1984 am Wind/Wellen- Kanal der Universität Marseille aufgenommen. Inzwischen haben wir in Marseille, Delft und Heidelberg systematische Wellenmessungen mit diesem Instrument durchgeführt. Die Ergebnisse warfen zunächst alle gängigen Theorien zum Gasaustausch über den Haufen. Weltweit wetteifern Wissenschaftler heute darum, ein abbildendes Instrument zu bauen, das auf dem Ozean kleine Windwellen messen kann. Erst im Herbst 1985 kamen wir der Lösung der Frage nach der Erhöhung der Gasaustauschrate näher. Am Abend des 18. September 1985 trafen der Doktorand Werner Huber und ich an dem inzwischen neugebauten Wind/Wasser-Kanal im Institut für Umweltphysik die letzten Vorbereitungen für ein neuartiges Experiment: Aufnahmen, bei denen wir mit einer chemischen Methode mittels eines fluoreszierenden pH-Indikators direkt messen wollten, wie ein Gas in die Wasseroberfläche eindringt. Die Messungen mußten in vollständiger Dunkelheit durchgeführt werden, da die über dem Kanal montierte Kamera das schwache Fluoreszenzlicht an der Wasseroberfläche sonst nicht registriert. Wir machten zuerst ein Experiment bei niedriger Windgeschwindigkeit, bei der noch keine Wellen auftreten. Wie erwartet zeigte der Monitor großräumige helle und dunkle Flecken, die von auf- und absteigenden Turbulenzballen hervorgerufen werden. Bei etwas höherer Windgeschwindigkeit, sobald Wellen auftreten, änderte sich das Bild vollständig. Helle, langgezogene, dünne Fäden in Windrichtung deuteten auf die Ausbildung von Strömungswalzen mit Achsen in Windrichtung hin. Damit wurde deutlich, daß der Gasaustausch nicht, wie bisher angenommen, mit den kleinskaligen Wellen, besonders den Kapillarwellen, gekoppelt ist, sondern daß eine wichtige Komponente übersehen wurde, nämlich die Ausbildung sekundärer Strömungen, wie sie auf größeren Skalen zum Beispiel als Langmuir-Zirkulation schon bekannt waren. Es blieben aber Zweifel an der Aussagekraft unserer Ergebnisse, einmal wegen der geringen Größe des Wind/Wasser-Kanals und des Einflusses von Zentrifugalkräften aufgrund seiner Ringgeometrie, außerdem wegen des Einflusses oberflächenaktiver Substanzen. Wir waren uns nicht sicher, ob dies Relevanz für die Vorgänge auf dem Ozean hatte. Erst fast zehn Jahre später kamen wir einen entscheidenden Schritt weiter. Wiederum mit einem neuartigen abbildenden Meßverfahren.
La Jolla, Kalifornien, Februar 1994. Der Doktorand am Graduiertenkolleg des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg, Horst Haußecker, bereitet am Pier des Scripps-Instituts für Ozeanographie Messungen mit einer neuartigen Infrarotkamera vor. In der Nacht vom 10. auf den 11. Februar richtet er erstmals die Kamera auf einen kleinen, etwa ein mal ein Meter großen Ausschnitt der Meeresoberfläche.
Mit der Kamera lassen sich Bilder feinster Temperaturschwankungen im Hundertstel-Gradbereich auflösen, die durch Verdunstungskühlung an der Meeresoberfläche erzeugt werden. Das abgekühlte Wasser an der Oberfläche wird durch die gleichen Prozesse in die Tiefe getragen wie ein gelöstes Gas. Schon nach wenigen Aufnahmeserien war klar: Es treten überraschend ähnliche Muster auf wie in unserem kleinen Heidelberger Kanal. Mit diesen Messungen haben wir nicht nur die Verbindung zwischen Labor- und Feldmessungen hergestellt, sondern auch eine neue Meßtechnik etabliert, mit der sich unter Einsatz von Wärme als Markierung - anstelle der Fluoreszenz - nun mit hoher zeitlicher Auflösung die Gasaustauschrate über den Weltmeeren messen läßt.
Doch von der Entdeckung neuer Phänomene in Bildern bis zu ihrer quantitativen Auswertung mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung ist es ein weiter Weg. "So nebenbei" läßt sich das nicht machen. Grundlegende Kenntnisse der digitalen Bildverarbeitung und angrenzender Gebiete der Informatik sind erforderlich, um Computerprogramme zur quantitativen Bildauswertung zu entwickeln. Es ist die Aufgabe der digitalen Bildverarbeitung, dafür Rechenmethoden, Algorithmen, zu entwickeln, die sich automatisch mit dem Computer durchführen lassen. Am Beispiel der Bildsequenzen von Oberflächenwellen läßt sich anschaulich schildern, welche physikalischen Parameter man damit messen möchte. Zum einen interessiert, wie häufig welche Wellenlängen vorkommen. Dazu kann eine zweidimensionale Fouriertransformation angewandt werden. Sie eignet sich aber nicht, um die nichtlinearen Wechselwirkungen in Wasserwellen zu studieren. Dazu verwenden wir Methoden, die auf der Hilberttransformation und der Waveletanalyse beruhen, und messen lokal Amplitude, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit der Wellen.
Besonders interessant ist es auch, Methoden der Bildverarbeitung anzuwenden, um neue theoretische Hypothesen zu prüfen. Im Jahr 1989 hat Michael Longuet-Higgins die Existenz von solitären Gravitations-Kapillarwellen postuliert. Solitäre Wellen laufen trotz Dispersion, das heißt Phasen-Geschwindigkeiten, die von der Wellenlänge abhängen, wegen nichtlinearer Effekte auseinander. Solitäre Gravitationswellen in seichtem Wasser sind schon seit über 100 Jahren bekannt. Die Entdeckung von Longuet-Higgins kam überraschend, weil man bisher annahm, es könne keine Solitonen bei Tiefwasserwellen geben. Erste Indizien in unseren Bildern deuten an, daß winderzeugte solitäre Gravitations-Kapillarwellen tatsächlich existieren könnten.
Anfänglich war die Bildverarbeitung durch ein empirisches Vorgehen dominiert, durch Versuch und Irrtum. Das typische Problem bei der Auswertung von Bildern kann vielleicht so karikiert werden: Nach langem Probieren funktionierte schließlich ein bestimmter Algorithmus. Er versagte allerdings - ohne daß man wirklich verstand warum -, wenn er auf neue Bilder angewendet wurde. Man war gezwungen, erneut herumzuprobieren. Kritiker meinen zwar, eine mathematische Fundierung der Bildverarbeitung interessiere höchstens Theoretiker und sei für die praktische Anwendung ohne greifbare und gewinnbringende Ergebnisse. Diese Einstellung scheint mir nicht gerechtfertigt. Die solide mathematische Fundierung der Bildverarbeitung hat nicht nur zu einem grundlegenden Verständnis für viele Bereiche der Bildverarbeitung geführt, sondern auch zu besseren und schnelleren Methoden, die unerläßlich sind zur Bewältigung der Informationsfülle in Bildern und Bildsequenzen. Sauber ausgearbeitete Methoden erlauben, statistische und systematische Fehler von Bildverarbeitungsalgorithmen abzuschätzen. Solche Untersuchungen gewinnen immer mehr an Bedeutung, da immer bessere bildaufnehmende Sensoren zur Verfügung stehen. So kann man beispielsweise heute bei geeigneter Bildaufnahme die Lage von Objekten und deren Größe mit Genauigkeiten von bis zu einem Hunderstel der Größe eines Bildpunkts in einem digitalen Bild bestimmen.
Es ist erstaunlich zu sehen, welche Steigerungen der Rechengeschwindigkeit sich allein durch bessere Rechenmethoden erreichen lassen. Das bekannteste Beispiel ist die schnelle Fouriertransformation, die ein Bild in seine periodischen Komponenten zerlegt. Sie läßt sich mit einem schnellen Algorithmus etwa 10000 mal schneller berechnen als direkt nach der Definitionsformel. Diese Steigerung der Rechengeschwindigkeit ist noch zehnmal höher als die Beschleunigung durch die Fortschritte in der Hardwareentwicklung in den letzten 15 Jahren. Für die Bildverarbeitung ist die sogenannte "Faltungs- oder Filteroperation" besonders wichtig, bei der ein neues, gefiltertes Bild berechnet wird, indem man die Grauwerte an jedem Bildpunkt durch Verknüpfung vieler benachbarter Bildpunkte innerhalb einer gewissen Umgebung berechnet. Solche "Faltungsmasken" zur Mittelung des Bildinhalts benutzen wir häufig. Eine direkte Berechnung würde pro Bildpunkt 337 Rechenoperationen benötigen. Mit einem schnellen Algorithmus läßt sich der Rechenaufwand fast um den Faktor 50 auf nur im Mittel 6 3/4 Rechenoperationen pro Bildpunkt drücken. Bei allen Anwendungen der Bildverarbeitung für grundlegende wissenschaftliche Fragestellungen mag es fraglich erscheinen, ob die Methoden, die wir entwickeln, auch einen praktischen Nutzen haben. Zu unserer eigenen Überraschung haben sich industrielle Anwendungen zwanglos ergeben. Zwei Mitarbeiter des ABB- Forschungszentrums in Heidelberg wandten sich mit einer Fragestellung aus der Biotechnologie an uns. Es galt, Zellen in einem Bioreaktor zu zählen. Aus sicherheitstechnischen Gründen kam ein gängiges Verfahren, wie zum Beispiel die Durchflußzytometrie, bei der Zellen ständig aus dem Reaktor genommen werden, nicht in Frage. Es mußte ein Verfahren gefunden werden, bei dem ein Mikroskop direkt an den Reaktor geflanscht wird. Damit ist aber kein Meßvolumen definiert, und im Bildausschnitt erscheinen scharfe und unscharfe Zellen nebeneinander. Die ABB-Forscher hatten die Idee, die Unschärfe zu benutzen, um ein wohldefiniertes Meßvolumen zu erzielen.
Diese Grundidee paßte zu Ansätzen, die wir gerade verfolgten, um mit einem ähnlichen Verfahren Gasblasen zu messen, die von brechenden Wellen ins Meer geschlagen werden. Wir konnten erfolgreich ein Verfahren entwickeln, das die Unschärfe quantitativ erfaßt, um damit sowohl den Abstand der Zelle von der Schärfeebene zu bestimmen als auch aus dem unscharf abgebildeten Teilchen auf dessen tatsächlichen Durchmesser und seine Fläche zu schließen. Dies war eine ermutigende Erfahrung, wie zwanglos sich Fragestellungen der Grundlagenforschung und Anwendungen in der Bildverarbeitung parallel bearbeiten lassen.
Autor:
Prof. Dr. Bernd Jähne
Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 368, 69120 Heidelberg,
Telefon (06221) 56 49 84, E-mail: bjaehne@dali.uphys.uni-heidelberg.de
