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EU zeichnet Saarbrücker Wissenschaftler für verbesserte Bildkompression aus

Joachim Weickert, Mathematiker und Informatiker der Universität des Saarlandes, wurde für seine Arbeiten im Bereich der bionischen Bildverarbeitung mit dem renommierten ERC Advanced Grant Forschungspreis gewürdigt.

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Joachim Weickert, Professor für Mathematik und Informatik der Universität des Saarlandes, Foto: Oliver Dietze

Der Speicherbedarf von Bildern und Videos steigt weiter rasant an. Laut statista.com wurden 2015 weltweit rund 8,5 Milliarden Terabyte an digitalen Daten neu gespeichert, bis 2020 sollen es gut fünfmal mehr werden – ca. 40 Zettabyte. Einen Großteil davon machen Bilder und Videos in immer höherer Auflösung aus. Um diese Datenmengen sinnvoll verarbeiten zu können, sind Kompressionsverfahren wie MPEG4 oder JPEG notwendig. Forscher der Uni Saarland arbeiten seit einigen Jahren an alternativen Verfahren zu der auch bei Ton eingesetzten frequenzbasierten Kompression. Ausgehend von wenigen, entscheidenden Pixeln entwickeln sie Methoden zur vollständigen Rekonstruktion der Bildinformation.

Die Forscher rund um Joachim Weickert, Professor für Mathematik und Informatik an der Universität des Saarlandes, machen sich dafür Prozesse aus der Natur zu Nutze. So liefern die Gleichungen, die die Wärmeausbreitung in Materialien beschreiben, geeignete Ergebnisse, um auch ein hochaufgelöstes Bild oder Video aus wenigen Pixeln vollständig zu rekonstruieren. „Die abgespeicherten Pixel sind dabei wie kleine ‚Klimageräte‘. Je heller ein Bildpunkt ist, desto höher ist die eingestellte Temperatur am Klimagerät. So wie sich die Wärme im Raum ausbreitet, so breitet sich die Pixelinformation in die Nachbarschaft aus, wo nichts abgespeichert wurde“, erklärt Weickert das Prinzip des Verfahrens.

Die größte Herausforderung bei diesen Verfahren liegt allerdings darin, die „richtigen“ Pixel für die Rekonstruktion auszuwählen, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. „Intuitiv ist klar: Wir sollten die abzuspeichernden Pixel in der Nähe von Kanten auswählen, also dort, wo sich viel ändert, etwa am Rand von Gesichtern, die sich vor einem Hintergrund abheben. Dann können wir das Original besser rekonstruieren“, erläutert Weickert. Der hohe Rechenaufwand von Computersimulationen der Wärmeleitungsgleichung stellt die Forscher vor weitere Probleme. Denn die sind sehr viel aufwändiger als frequenzbasierte Verfahren wie JPEG. In den nächsten Jahren müssen daher auch wesentlich effizientere Algorithmen entwickelt werden, die unter anderem die Möglichkeiten moderner Grafikprozessoren voll ausschöpfen.

Die Arbeitsgruppe von Professor Weickert hat sich daher ambitionierte Ziele gesetzt: „In fünf Jahren wollen wir 4k-Videos mit unseren Verfahren komprimieren können, die dann in Echtzeit dekomprimiert werden können. Hierzu müssen unsere Algorithmen noch um den Faktor 100 schneller werden.“ Mit der jetzt durch die EU erfolgten Auszeichnung ist zumindest die Forschungsarbeit finanziell abgesichert: Bis 2020 stehen rund 2,5 Millionen Euro zur Verfügung, um die Kompressionsverfahren weiterzuentwickeln. Bereits 2010 hatte die Arbeitsgruppe den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft erhalten und damit die Forschung in den zurückliegenden 7 Jahren finanziert. (map)