Computational Imaging und der Schlüssel des Lebens

Bilder für die Wissenschaft oder die Wissenschaft für Bilder, Manipulation von Bildern zur besseren Erkennung der Wahrheit.

Bei Deutschlands großen Forschungseinrichtungen steht die Fotografie mehr denn je im Fokus. Ob Max Planck oder Fraunhofer Institut – die dort erforschten Verfahren zur computergestützten Bilderfassung und Verarbeitung versprechen nicht nur bessere Bilder, sondern wissenschaftliche Einblicke in die Geheimnisse des Lebens.

Paul Hansen
Paul Hansen
Das umstrittene, angeblich zu stark nachbearbeitete Foto des diesjährigen World Press Photo Preisträgers Paul Hansen zweier toter Kinder, die durch die Straßen von Gaza Stadt getragen werden, hat der Dauerdiskussion zwischen den fanatischen Gegnern jeglicher Bildmanipulation und den toleranteren Befürwortern oder Duldern von Bildoptimierungen erneut angeheizt. Unserer Ansicht nach eine überflüssige und an der falschen Stelle geführte Diskussion, denn müsste nicht jeder technische Fortschritt bei Kameras und Objektiven oder den Wiedergabemedien, der Parameter wie den Kontrast optimiert, Farben schönt oder es auch nur erlaubt, die Lage der Schärfenebene zu variieren, als eine Täuschung betrachtet werden? Oder soll die Frage nach der Wahrheit eines Bildes für technikaffine Betrachter eine andere sein als die der Technophoben? Jedes Bild zeigt die Wahrheit des Betrachters. Nur in Ausnahmefällen ist es das Ebenbild der Realität immer aber deren mehr oder weniger beabsichtigte Interpretation. Dass ein Bild überzeugend darstellt, was sein Autor mitteilen möchte, macht die Technik, die dafür genutzt wird, weder gut noch schlecht. Es ist die Absicht des Urhebers, die eine Manipulation zur Täuschung werden lässt.

Vermutlich können Psychologen besser erklären, warum in der Fotografie Optimierungen so umstritten sind und nahezu ausnahmslos den Vorwurf bewusster Täuschung implizieren, besonders im Bereich des Fotojournalismus sowie in der Dokumentar- und Naturfotografie. Rein statisch könnte dies durchaus auch an einer gewissen Technophobie großer Teile der Gesellschaft liegen, die technischen Fortschritt verteufelt, weil er auch teuflisch genutzt werden könnte. Schlimmer aber noch wiegt die Beharrlichkeit, mit der an Erlerntem, Gewohntem und Liebgewonnenem festgehalten wird, um Veränderungen der Lebensumstände zu vermeiden oder zumindest zu verlangsamen.

© Fotograf: Kevin Berlit, ABWÄRTSTREND, Blende-Fotowettbewerb
© Fotograf: Kevin Berlit, ABWÄRTSTREND, Blende-Fotowettbewerb
Anders als die Unken der ersten Stunde befürchteten, als die digitale Revolution auch die Fotografie erfasste und den damals als qualitativ unübertreffbaren Film auf dem Scheitelpunkt seines Erfolgs zum Nischenprodukt degradierte, hat die Digitaltechnik nicht nur die Qualität des analogen Film längst übertroffen, sondern die Möglichkeiten des Mediums geradezu unendlich erweitert und dabei zahlreiche Grenzen gesprengt. Motor und Basis für dieses Einreißen technischer Grenzen in der Fotografie bilden immer häufiger komplexe Algorithmen genialer Mathematiker, die nicht nur immer besser korrigierte Objektivkonstruktionen errechnen, sondern zusätzlich Restfehler rechnerisch im Bild unwirksam machen. Die mit dem Fachbegriff „Computational Imaging“ bezeichnete Wissenschaft bestimmt zunehmend die Art und Weise, wie wir Bilder aufnehmen, betrachten, bearbeiten, aufbewahren, benutzen und austauschen. Computational Imaging, dient gleichermaßen der gefürchteten Manipulation von Bildern wie deren Aufdeckung.

Dieser relativ junge Bereich der Wissenschaft umfasst moderne Aufnahme- und Wiedergabetechniken wie HDR, 3D oder Lichtfeldtechnologie ebenso wie medizinische Diagnostik oder biologische Forschung bis hin zur Automobiltechnik oder Qualitätskontrollen in einer Vielzahl von Industrien. Allein das Fraunhofer Institut erforscht innerhalb seines Geschäftsfeldes Bildsysteme im Bereich Computational Imaging‚ Verfahren und Algorithmen zur Verarbeitung und Neuberechnung von Bildern mithilfe von Computern und setzt dabei die Schwerpunkte auf neue Methoden und Systeme zur Theorie des Lichtfeldes, die Entwicklung von Geräten und Verarbeitungsmöglichkeiten für Bilder mit hoher Dynamik (HDR), der Kombination von Daten aus unterschiedlichen Sensorquellen und der Entwicklung von neuen Systemen für die 3D- und Multiview-Erfassung von realen Szenen sowie deren Verarbeitung. Daneben werden Verfahren für die Farb- und Bildrekonstruktion sowie Bildverbesserung entwickelt.

Während viele Fotografen HDR in der kreativen Fotografie längst als abgenutzten, weil häufig überstrapazierten Effekt ablehnen, sehen die Forscher bei Fraunhofer darin eine der vielversprechendsten Erweiterungen fotografischer Wahrnehmung und Darstellung. Während die Bildauflösung der heutigen Sensoren ihrer Ansicht nach beachtliche Größen erreicht habe, halten sie eine Weiterentwicklung des seitens der Hersteller bisher eher stiefmütterlich behandelten Dynamikumfangs der Aufnahmesysteme, wie sie erstmals auch mit ihrer Unterstützung bei einer professionellen Arri-Filmkamera realisiert werden konnte, für ein wesentliches Forschungsziel. Die Abteilung Bewegtbildtechnologien ist damit befasst, neue Sensor- und Systemkonzepte zur Erfassung von HDR-Bildern zu entwickeln und Verfahren zur Kompression dieser Bilder sowie der Kontrastdarstellung auf verschiedenen Wiedergabegeräten zu erarbeiten. Der Wunsch nach Bildern mit einer höheren Dynamik im Consumer-Bereich wird zudem auch durch die kontinuierliche Verbesserung der Wiedergabegeräte gefördert.

Oftmals sind Bilder nicht genug, um eine Situation oder ein Geschehen zu dokumentieren. Deshalb haben Forscher des Fraunhofer Instituts eine intelligente Kamera entwickelt, die zusätzliche Metadaten, wie Beschleunigung, Temperatur oder GPS mitliefert. Mit der INCA Mini-Actionkamera lassen sich beispielsweise beim Endspurt eines Sportlers zu den Bildern Informationen erfassen, die darüber Auskunft geben, wie er auf den letzten Metern der Zielgeraden beschleunigt oder wie stark sein Puls geht. Dies wird kabellos per Bluetooth oder WLAN neben den Bildern in HD-Qualität praktisch in Echtzeit zu den externen Aufzeichnungsgeräten übertragen. Die Kamera verwendet Android als Betriebssystem und kann daher per App an unterschiedliche Aufnahmesituationen angepasst werden. Die INCA besitzt genügend Rechenleistung, um auch anspruchsvolle Algorithmen auszuführen: So können beispielsweise Objektivfehler entzerrt und HD-Videos in Echtzeit komprimiert werden.

INCA Kamera mit erweiterter Metadatenaufzeichnung
INCA Kamera mit erweiterter Metadatenaufzeichnung
Eine besonders spannende Aufgabe im Bereich Computational Imaging hat sich der Wissenschaftler Gene Meyers, Direktor am Systembiologie-Zentrum der Max-Planck-Gesellschaft in Dresden gestellt. Der amerikanische Pionier der Bioinformatik hat bereits bei der Entschlüsselung des menschlichen Genoms entscheidend mitgewirkt und in seinen Forschungen die Informatik mit der Biologie untrennbar verknüpft. Mithilfe der von ihm entwickelten Algorithmen können Wissenschaftler die bei der Genomanalyse entstehenden unzähligen kleinen DNA-Schnipsel zu einem zusammenhängenden Genom zusammensetzen. Bei den Analysen von Vorgängen innerhalb von Zellen fallen etliche Terrabytes an Bilddaten an. Diese lassen sich nur noch mithilfe von extrem leistungsfähiger Software auswerten. Um möglichst viel Information aus diesen Bildern zu holen, will Gene Meyers ein spezielles Mikroskopieverfahren und die dazugehörige Bilderkennungs- und Analyse-Software so weiterentwickeln, dass der gesamte Entwicklungsablauf biologischer Systeme digital erfasst werden kann. Mit der neuen Software sollen die Rohdaten in 3D-Modelle umgerechnet und Beobachtungen der molekularen Ebene virtuell abgebildet werden.

„Wir sind sicher, dass solche Datensammlungen der Weg der Zukunft sind, mit ihrer Hilfe wird man bald mehr über die Aufgabe ganzer Genomabschnitte erfahren können, als das bisher mit allen gängigen Ansätzen möglich ist“, ist sich der Forscher sicher. In einem Interview in der „Frankfurter Zeitung am Sonntag“ vom 9. Juni 2013 versicherte der auf Imaging setzende Mathematiker: „…, wenn man biologische Prozesse durch automatisierte Bildanalysen leichter quantifizieren könnte, wäre das ein erheblicher Fortschritt.“ Und weiter: „Wir brauchen eine automatische Erfassung dessen, was die Proteine dieser Zellen während der ersten Teilungswellen tun. Dazu müssen wir mathematische Verfahren entwickeln, die in den Bilddaten relevante Informationen erkennen können. Dann erst können wir die biologischen Phänomene erklären.”

Als Ziel seiner Forschungen im Computational Bioimaging nennt Gene Meyers das Erstellen von Werkzeugen, die Tausende von Entdeckungen ermöglichen. „Wir müssen den Nanomaschinen bei der Arbeit zuschauen, um zu verstehen, wie das Leben organisiert ist“, erklärte er Volker Stollorz, der dieses Interview für die FAS führte.

Was für die Wissenschaft zur Erklärung des Lebens unverzichtbar scheint, nämlich die Manipulation von Bildern zur besseren Erkennung der Wahrheit von Abläufen und Situationen soll – folgt man den Forderungen der Kritiker der digitalen Bildoptimierung – in der Dokumentarfotografie als verwerfliche Fälschung und Täuschung angesehen werden. Muss das Sichtbarmachen von Details, die vielleicht sonst dem Betrachter entgangen wären, aber gleich eine Fälschung sein?

Bei dem Vorwurf der Bildmanipulation des World Press Photos von Paul Hansen ging es nicht darum, dass zum Beispiel Bildteile wegretuschiert oder hinzugefügt wurden. Der Fotograf hatte, laut der Berichterstattung des Magazins Spiegel, in der Nachbearbeitung die unterschiedlichen Lichtstärken im Motiv angepasst. Diese „Manipulation“ hatte ein Forensiker mit den heute zur Verfügung stehenden Mitteln der Bildveränderungen genau nachvollziehen können. Aber eine Bearbeitung des Bildes war seit Beginn der Fotografie üblich, ohne, dass damit zwangläufig das Bild als Fälschung deklariert wurde. So hat sich auch die Jury des World Press Photo für Hansens Foto entschieden, dass sie das Bild nach den von ihnen akzeptierten Praktiken als echt anerkennt.

Faszination Fototechnik 06 / 2013

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