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Computer optimieren unser Sehen

04.02.2003 - (idw) Universität zu Lübeck

Neuro- und Bioinformatiker der Universität Lübeck entwickeln das "Kommunikationssystem der Zukunft"

Kennen Sie auch diese Science-Fiction-Filme, bei denen die handelnden Personen mit einer Art überdimensionaler Brille umherlaufen, auf der Informationen über vor ihnen befindliche Gegenstände eingeblendet werden? Solche Brillen - Head-mounted-Display (am Kopf installierter Bildschirm) genannt - werden eines Tages Teil der visuellen Kommunikation sein. An der Universität zu Lübeck werden derzeit ähnliche Systeme für den Alltag entwickelt, die Auge und Hirn bei der Bildverarbeitung unterstützen sollen.

Wissenschaftler am Institut für Neuro- und Bioinformatik arbeiten an solchen "Kommunikationssystemen der Zukunft", mit dem die Aufmerksamkeit des Betrachters ganz gezielt gelenkt wird. "Wir entwickeln eine Methode, dass der Betrachter unbewusst tatsächlich immer dahin guckt, wo wichtige Bildinformationen liegen", erläutert Institutsleiter Prof. Dr. Thomas Martinetz. Das weltweit einmalige Verfahren, das mit Computer- und Videotechnologien umgesetzt werden soll, entsteht im Rahmen eines neuen BMBF-Verbundprojektes, an dem zahlreiche Großforschungseinrichtungen in Deutschland beteiligt sind. Die Lübecker Aktivitäten werden in den nächsten drei Jahren mit rund 500 000 Euro vom Bundesforschungsministerium finanziell gefördert.

Wie wenig wir tatsächlich sehen, d.h. wie unaufmerksam wir im Alltag sind, macht eine Untersuchung deutlich, die Bostoner Forscher im Film festgehalten haben. Eine typische Straßenszene: Ein mit Stadtplan bestückter, offensichtlich ortsunkundiger Passant lässt sich von einem anderen Mann den Weg erklären. Von links nähern sich zwei Arbeiter, die einen sperrigen Gegenstand tragen und sich zwischen die gestikulierenden Männer drängen. In diesem Moment tauschen Passant und Arbeiter plötzlich die Position. Nun steht jemand anderes mit dem Stadtplan in der Hand bei dem freundlichen Herrn. Dieser erklärt weiterhin den Weg - er hat nicht bemerkt, dass sein Gesprächspartner inzwischen gewechselt hat.

Zufall? Beileibe nicht! Die Studie der Universität Harvard ergab, dass 50 Prozent der Probanden den Tausch des Gegenübers nicht bemerkten. "Jeder denkt, das passiert nur anderen. Doch dem ist nicht so", sagt Martinetz, als er das nächste Bild einspielt. Wieder eine Straße; aus der Per-spektive eines Autofahrers betrachtet. Die Situation ist sehr unübersichtlich. Autos stehen im Stau, Fußgänger, Busse, Ampeln. Im Vordergrund sieht man sechs kleine Quadrate, die nichts mit der eigentlichen Szenerie zu tun haben. Das Bild blinkt in kurzen Abständen. Es ist immer die gleiche Aufnahme - oder? Nein, bei dem einen ist die deutlich sichtbare Mittellinie der Straße durchgezogen, beim anderen mehrfach unterbrochen. "Es dauert in aller Regel sehr lange, bis man den Unterschied feststellt", beruhigt Martinetz den Betrachter. "Schuld" an diesem Phänomen ist das subjektiv geprägte Zusammenspiel zwischen Sehnerv und Gehirn. Martinetz: "Man meint, man sieht alles. De Facto ist es aber so, dass das Hirn Informationen nur sehr punktuell aufnimmt und man tatsächlich immer nur einen Teil der Wirklichkeit sieht." In diesem Fall sind es die kleinen Quadrate, die wie Dreckspritzer auf der Windschutzscheibe die Aufmerksamkeit des Fahrers ablenken, so dass dieser das was vor ihm passiert, nur noch eingeschränkt wahrnimmt.

Wenn aber der visuelle Eindruck, den wir von unserer Umwelt haben, in vielerlei Hinsicht eine Täuschung ist, weil die Ankoppelung des Gesehenen an die Realität wesentlich schwächer ist, als jeder von uns denkt, dann, so die Vorstellung der Lübecker Informatiker, sollte hier mit technologischer Hilfe unterstützend eingegriffen werden. "Über die Technik wollen wir besseres Sehen ermöglichen", sagt Dr. Erhardt Barth, Leiter des Itap (Information technology for active perception) genannten Projektes.

Ziel ist es, visuelle Systeme zu entwickeln, mit denen die Informationsaufnahme beim Betrachten von Bildern verbessert und durch Steuern der Aufmerksamkeit optimiert wird. "Bilder erschließen sich bisher ausschließlich über Helligkeit und Farbe", erläutert Barth. Die Augen tasten große Flächen in kürzester Zeit ab, scannen die Umgebung praktisch ein. Zwar sind alle aufgenommenen Informationen zunächst gleichwertig, doch das Hirn filtert permanent und sehr subjektiv: So werden in der Regel auffallend bunte Sequenzen wesentlich intensiver registriert als etwa dunkle Ecken.

Diese Sichtweise soll nun erweitert werden: Als dritte Komponente kommt so etwas wie Erfahrung hinzu. Mit technischer Hilfe soll es möglich werden, quasi mit den Augen eines anderen, eines Spezialisten, zu gucken. Dessen Blickrichtungen und Wahrnehmungen - also seine Art, die Umgebung mit den Augen einzuscannen ("scan-path" oder Blickmuster) - werden abgespeichert und übertragbar gemacht. Langfristig soll es sogar möglich werden, ganz unterschiedliche Blickmuster vorauszuberechnen und in das visuelle System zu integrieren.

Voraussetzung hierfür sind leistungsstarke Computer zur schnellen Bild-verarbeitung und ein so genanntes Eye-Tracking-System. Hiermit lässt sich per Infrarotlicht (reflektiert im Auge) und Videokamera (nimmt Pupille ins Visier) die Blickrichtung bestimmen. Barth: "Solche Eye-Tracking-Systeme gibt es bereits seit einigen Jahren. Sie werden ständig fortentwickelt und demzufolge auch immer kleiner und robuster." In Bruchteilen von Sekunden berechnet nun der Computer, in welche Richtung der Proband schaut. Rechner am Lübecker Informatik-Institut arbeiten mit bis zu 120 Hertz, d.h. sie tasten 120 Mal in der Sekunde die Pupille ab und übertragen das Bild beinahe in Echtzeit auf den Bildschirm. Zahlreiche Versuche, bei denen Testpersonen verschiedenen Punkten mit den Augen folgen mussten, wurden in Lübeck bereits durchgeführt. Sie bilden die Referenzdaten für die in Entwickelung befindliche Computersoftware, mit der die "Kommunikationssysteme der Zukunft" gesteuert werden.

Innerhalb der nächsten drei Jahre soll in Lübeck der Prototyp eines solchen visionären Kommunikationssystems entstehen. Dabei muss es sich nicht um ein am Kopf getragenes Display handeln: "Auch Monitor, Flach-bildschirm, Laptop oder iBook eignen sich. Voraussetzung ist ein aktives Anzeigegerät, auf dem Bildinformationen dynamisch eingespielt oder verändert werden können, und in das ein Eye-Tracking-System eingebaut ist, das die Augenbewegungen des Nutzers verfolgt", erläutert Barth.
Funktioniert das System, schwärmen die Macher schon heute, sind die Einsatzmöglichkeiten beinahe unbegrenzt. Besondere Bedeutung kann es vor allem hier erlangen:
- Im Auto kann - ähnlich wie bei Düsenjets, wo den Piloten die benötigten Informationen auf die Scheibe projiziert werden - die Windschutzscheibe das Display bilden. Das Eye-Tracking-System beobachtet den Fahrer (siehe Beitrag am Ende des Textes), weitere Sensoren die Umgebung. Bsp.: Das System erkennt einen Fußgänger, bemerkt aber, dass der Fahrer gerade in eine andere Richtung schaut. Mit einem noch zu entwickelnden Signal, das der Fahrer möglichst nur im Unterbewusstsein wahrnimmt, wird seine Aufmerksamkeit auf die Gefahrensituation gelenkt.
- Besseres Sehen wird erlernbar. Spezialisten haben in ihrem Beruf eine bestimmte Sichtweise, nehmen Dinge anders wahr. Der Fluglotse überblickt das verwirrende Geschehen auf seinem Monitor, der Radiologe wertet in Sekundenschnelle eine Röntgenaufnahme aus, der Sicherheitsbeamte sieht, wenn Gefahr in Verzug ist. Kann diese besondere Sichtweise der Experten abgespeichert und Ungeübten zur Verfügung gestellt werden, lässt sich etwa deren Ausbildungszeit erheblich verkürzen. Generell soll das Blickmuster in die visuellen Kommunikations-Systeme integriert und dem Betrachter verfügbar gemacht werden.
Trotz aller Euphorie - zu hoch dürfe man die Erwartungen an das Projekt noch nicht stecken, betonen die Lübecker Wissenschaftler. "Wir betreiben Grundlagenforschung", stellt Erhardt Barth den Stand der Arbeiten klar. Noch gebe es vielfältige ungeklärte Fragen. Eine wichtige technische Herausforderung liege z.B. in der schnellen Bildverarbeitung, die gewährleistet sein muss. Auch bei den Eye-Tracking-Systemen sei weitere Entwicklungsarbeit erforderlich. Diese werde von der Berliner Firma (SensoMoto-ric Instruments, kurz: SMI) vorgenommen. Und nicht zuletzt ist bis heute der eigentliche Sehvorgang noch längst nicht im Detail erforscht. Barth: "Wir müssen noch lernen besser zu verstehen, nach welchen Mustern Augenbewegungen funktionieren und wie sich Aufmerksamkeit steuern lässt." Hierzu werden Versuche von Neuropsychologen der Universität Gießen in das Projekt eingebunden.

Bedenken, dass mit der neuen Technik Menschen manipuliert werden könnten, hat Dr. Barth nicht: "Das passiert schon längst; wir werden alle täglich manipuliert. Und das nicht nur mit Bildern, sondern auch mit gesprochenen oder geschriebenen Worten, die immer einen bestimmten Zweck verfolgen - Kommunikation impliziert immer Manipulation."


Müde Autofahrer - wache Informatiker

Müdigkeit und fehlende Aufmerksamkeit des Fahrers sind häufig Ursa-chen für schwere Autounfälle. Experten vermuten, dass auf Deutschlands Autobahnen jährlich etwa 200 Verkehrstote auf das Konto des gefürchteten "Sekundenschlafs" gehen. Das Erkennen, in welchem Zustand sich der Fahrer gerade befindet, ist seit einiger Zeit ins Blickfeld der Forschung gerückt. Die Berliner Firma SMI hat ein System zur schnellen optischen Analyse der Augenlidpositionen entwickelt, mit der die Müdigkeit des Fahrers gemessen werden kann. BMW hat dieses System in ein Forschungsfahrzeug eingebaut. Forscher des Instituts für Neuro- und Bioinformatik der Universität Lübeck entwickeln dieses System zusammen mit SMI derzeit weiter. So soll mit Methoden der Neuroinformatik der Sekun-denschlaf künftig kurzfristig vorhergesagt und damit auch verhindert werden. Darüber hinaus soll das System den Fahrer identifizieren und seine Blickrichtung exakt messen können. Auch sollen Kombinationen mit anderen Messdaten möglich werden, die Rückschlüsse auf die Fahrsituation und die Fahrleistung zulassen.

Uwe Groenewold / Pressedienst Universität zu Lübeck


Zwei Fotos zu dieser Pressemitteilung sind im Internet verfügbar:

1. Prof. Dr. rer.nat. Thomas Martinetz, Direktor des Instituts für Neuro- und Bioinformatik der Universität zu Lübeck
http://www.uni-luebeck.de/aktuelles/wd0302ma.jpg

2. Dr.-Ing. Erhardt Barth, Projektleiter am Institut für Neuro- und Bioinformatik der Universität zu Lübeck
http://www.uni-luebeck.de/aktuelles/wd0302ba.jpg

Die Fotos sind zur Veröffentlichung freigegeben.
Um ein Belegexemplar wird freundlichst gebeten.
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