Ausgezeichnete Softwareforschung aus Baden-Württemberg Visualisierung/Simulation Datenbanken IT-Sicherheit Softwaretechnik

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1 Ausgezeichnete Softwareforschung aus Baden-Württemberg Visualisierung/Simulation Datenbanken IT-Sicherheit Softwaretechnik

2 01 Inhaltsverzeichnis Vorwort Willi Stächele Softwaretrends aus Baden-Württemberg Visualisierung/Simulation Datenbanken/Data Mining IT-Sicherheit/Infrastruktur/Plattformen Softwaretechnik Forschungsbände

3 02 03 Softwaretrends aus Baden-Württemberg Wie Ameisen zur Reduzierung von CO 2 -Emissionen beitragen Die Wirtschaftsleistung Baden-Württembergs beruht überwiegend auf wissensintensiven Produkten und Dienstleistungen. Unser wirtschaftlicher Erfolg und unser Wohlstand hängen daher heute mehr denn je davon ab, wie innovativ wir sind. Gerade im dynamischen Softwarebereich sind Innovationen unabdingbar und werden deswegen in Baden-Württemberg besonders gefördert. Dabei gilt: Innovativ ist man heute nicht mehr alleine, sondern im Team. Solche Teams wollen jedoch gefunden und vernetzt werden, um den Standort Baden-Württemberg zu stärken. Eine sehr gute Gelegenheit zur Vernetzung der zentralen und innovativen Köpfe in der Softwareforschung hat von 2003 bis 2007 der do it.software-forschungstag geboten. Gefördert vom Staatsministerium Baden-Württemberg war die Veranstaltung nicht nur ein Trendbarometer aktueller Softwareforschung, sondern auch eine Brücke zwischen Forschung und Wissenschaft, um Innovationen durch die Querschnittstechnologie Software zu fördern. Höhepunkt eines jeden Kongresses war die Verleihung des mit über Euro dotierten do it.software-awards für herausragende Projektergebnisse in der Softwareforschung. In fünf Jahren wurden von einer hochkarätigen Jury mit Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft insgesamt 50 Projekte baden-württembergischer Softwareforschung ausgezeichnet. Was ist aus den Projekten und ihren Preisträgern geworden? Die vorliegende Broschüre stellt Ihnen zum Abschluss des do it.software-forschungstages und des do it.software-awards nochmals alle Gewinnerprojekte vor und zeigt, welchen weiteren Weg sie genommen haben. Und sie zeigt, wie uns Ameisen helfen, CO 2 -Emissionen zu reduzieren. Ich wünsche Ihnen viel Freude bei der Lektüre! Willi Stächele MdL Minister des Staatsministeriums und für europäische Angelegenheiten Die Hochschulen und Forschungseinrichtungen in Baden-Württemberg zählen zu den besten. Eindrucksvoller Beweis sind die vier Elite-Universitäten mit Heidelberg, Freiburg, Karlsruhe und Konstanz rangiert Baden-Württemberg damit unter allen Bundesländern mit Abstand an der Spitze. Diese Sonderstellung gilt auch im Bereich Informatik, in dem in Baden-Württemberg über 100 Studiengänge einen wesentlichen Beitrag zu Forschung und Ausbildung leisten. Ebenfalls mit Erfolg: Die Informatik-Fakultäten des Landes belegen in einschlägigen Rankings regelmäßig die vordersten Plätze. Baden-Württemberg hat somit eine sehr gute Startposition, um sich national und international als führender IT-Standort zu positionieren. Im Jahr 2003 erarbeitet die Arbeitsgruppe Unternehmenssoftware des Beratungsforum Information, Telekommunikation, Software (bits baden-württemberg) konkrete Empfehlungen zum weiteren Ausbau des Softwarestandorts Baden-Württemberg. Die Empfehlung der Arbeitsgruppe, den Transfer von Softwareforschungsergebnissen durch Schaffung von Verbindungen zwischen Grundlagen- und Anwendungsforschung zu unterstützen, führte zum do it.softwareforschungstag. Auch in diesem Zusammenhang zeigte sich einmal mehr: Innovationen brauchen Schnittstellen! do it.software-award 2003 bis 2007 Schnittstelle zwischen Grundlagen- und Anwendungsforschung Eine Schnittstelle zwischen Grundlagen- und Anwendungsforschung im Softwarebereich bot die MFG Stiftung gefördert vom Land Baden-Württemberg mit dem do it.software-award. Ziel des von 2003 bis 2007 jährlich verliehenen Preises für zukunftsweisende Softwareforschung in Baden-Württemberg war es, Anreize zu verstärkter Forschungsaktivität zu geben, die zentralen Themen und Köpfe der baden-württembergischen Softwarelandschaft zu identifizieren und diese miteinander zu vernetzen und ihre Kräfte zu bündeln. Insgesamt vergab eine mit hochrangigen Experten besetzte Jury jährlich Auszeichnungen für zehn herausragende wissenschaftliche Ideen, Modelle und Lösungen aus der baden-württembergischen Softwareforschung. Mit Erfolg, wie diese Übersicht über die prämierten Forschungsergebnisse und den erreichten Know-how-Transfer zeigt: Nahezu die Hälfte der Projekte wurde im wissenschaftlichen oder anwendungsnahen Kontext weiterentwickelt und hat so das baden-württembergische Forschungs- und Innovationssystem nachhaltig gestärkt.

4 04 Kennzahlen des do it.software-award Visualisierungs- und Simulationstechnologien sowie Data Mining besonders häufig herausragende Softwareforscher für insgesamt 51 exzellente Forschungsergebnisse mit Preisgeldern als weitere Forschungsanreize in Gesamthöhe von Euro ausgezeichnet. Vergabe von 4 Sonderpreisen in Höhe von insgesamt Euro, gestiftet von der Wirtschaftsinitiative Baden-Württemberg: Connected (bwcon) Trends der Softwareforschung erkennbar: 2/3 der Softwarelösungen stammen aus den Wachstumsfeldern Medizin/Biologie/Gesundheitswesen (35 %) und Unternehmenssoftware (29 %). 70 % der Lösungen greifen die Zukunftstechnologien Visualisierungs- und Simulation (37 %) sowie Data Mining (33 %) auf. Nachhaltigkeit: fast 50 % der Preisträgerprojekte wurden weiterentwickelt, davon 23 % im wissenschaftlichen Kontext und 21 % zur Marktreife gebracht. Besonders erfolgreich: die Universitäten und Hochschulen aus Tübingen und Karlsruhe (20 % der erfolgreichen Projekte). Dem folgen die Hochschulen in Mannheim mit 12 % erfolgreichen Projekten und Stuttgart und Heidelberg mit einem Anteil von jeweils 10 %. Verleihung auf 5 Kongressen mit insgesamt 865 Teilnehmern aus Wissenschaft und Wirtschaft 96 Vorträge in 31 Vortragspanels zu aktuellen Softwareforschungsthemen Dokumentation in 5 Tagungsbänden Ingesamt verwendet eine Vielzahl der Preisträger aus dem medizinischen Bereich bildgebende Verfahren für die automatisierte Mustererkennung. Methoden, die dem Oberbegriff der Visualisierungs- und Simulationswerkzeuge zuzuordnen sind und auf insgesamt 37 Prozent aller Preisträgerprojekte entfallen. An zweiter Stelle folgen Datenbank- und Data-Mining-Technologien mit einem Anteil von 33 Prozent. Allesamt Methoden und Werkzeuge, die helfen, die enormen Datenmengen in sinnvolle Informationen umzuwandeln. Weitere 30 Prozent der Preisträger behandeln Informatikprojekte im engeren Sinne. Davon haben rund 16 Prozent neue Methoden und Vorgehensweisen im Software-Engineering entwickelt und etwa 14 Prozent der ausgezeichneten Ansätze beschäftigen sich mit IT-Sicherheit, -Infrastrukturen und -Plattformen (vgl. Abbildung 2). Dass Zukunftsthemen mit dem do it.software-award erreicht wurden, zeigt sich auch an der hohen Fortsetzungsquote der Projekte. Fast 50 Prozent der prämierten Modelle und Lösungen wurden im Rahmen sich anschließender Arbeiten weitergeführt. Diese teilen sich zur Hälfte je auf wissenschaftliche und anwendungsnahe Weiterentwicklungen. Die Preisträger haben Zukunftstrends aufgedeckt und weiterverfolgt. Erkennbar sind deutliche Schwerpunkte, sowohl hinsichtlich der Technologien als auch der potenziellen Anwendungsfelder der prämierten Forschungsergebnisse. Software für Unternehmen und das Gesundheitswesen Hinsichtlich der Anwendungsfelder waren Lösungen für Medizin, Biologie und Gesundheitswesen sowie das Gebiet der Unternehmenssoftware hervorstechende Spitzenreiter. 35 Prozent der Projekte stellten IT-Forschungsergebnisse vor, die das Gesundheitswesen betreffen, 29 Prozent bieten Unterstützung für unternehmerische Prozesse (vgl. Abbildung 1). Neben diesen beiden Hauptanwendungsfeldern fokussieren rund 18 Prozent das Themenfeld Wissensmanagement und weitere 14 Prozent betreffen Themen, die der Informations- und Kommunikationsbranche (IKT) im engeren Sinne zuzuordnen sind. Die identifizierten Haupttrends decken sich mit den Ergebnissen anderer MFG-Projekte, wie etwa dem Forschungsprojekt FAZIT (www.fazit-forschung.de). Expertenbefragungen dieses Regional-Foresight-Projekts unterstreichen die Rolle von IT als Schlüsseltechnologie im Gesundheitswesen, die enorme Qualitätssteigerung bei gleichzeitig sinkenden Kosten ermöglicht. Die bei FAZIT befragten Experten bewerten zum Beispiel virtuelle Trainingsmöglichkeiten für Chirurgen, datenbankgestützte Expertensysteme oder sogenannte Labon-a-chip als Kleinstlabore als sehr bald umgesetzte Anwendungsszenarien. Anwendungsszenarien, für die die Preisträger des do it.software-award technische Lösungen bereitstellen. Beispielsweise wurde 2006 Rainer Jäger für einen neuen Ansatz in der generischen Signalanalyse bei digitalen Kleinstlaboren augezeichnet (Seite 45). Professor Meinzer und sein Team entwickelten eine computergestützte Operationsplanung für die Leberchirurgie, für die sie 2003 den Award erhielten (Seite 22). Abbildung 1: Verteilung der do it.software-award- Projekte nach Anwendungsfeldern Visualisierung/ Simulation 37 % IT-Sicherheit/ IT-Infrastruktur/ Plattformen 14 % Datenbanken 33 % Softwaretechnik 33 % Abbildung 2: Verteilung der do it.software-award- Projekte nach Technologiefeldern Prozesse und Methoden für Unternehmen 29 % Wissensmanagement 18 % Sonstige 4 % Medizin/Biologie/ Gesundheitswesen 35 % IKT-Branchen allgemein 14 %

5 06 Wissenschaftliche Exzellenz Der Blick in die Zukunft 07 Ingesamt 23 Prozent der mit dem do it.software-award ausgezeichneten Projekte wurden auf wissenschaftlicher Ebene im Rahmen weiterer Forschungsprojekte und Forschungskooperationen weiterentwickelt. Diese wissenschaftlichen Anknüpfungen waren dabei oft durch Drittmittel der EU, des BMBF und der DFG finanziert. Damit trugen die wissenschaftlich erfolgreichen Award- Projekte zu einer Erhöhung des Drittmittelanteils an baden-württembergischen Universitäten bei. Auch Drittmittel aus der Industrie und den Anwenderbranchen wurden dadurch akquiriert, dass verschiedene Projekte im Rahmen von Public-Private-Partnerships zwischen Hochschulen und Unternehmen weiterentwickelt wurden. Zahlreiche Beispiele finden sich in diesem Band, unter anderem: Die Weiterentwicklung des automatisierten Diagnosesystems zur Erkennung von Tumoren in bildgebenden Verfahren im Rahmen eines Public-Private-Partnership zwischen Siemens, dem Forschungszentrum MeVis Research und dem Team von Professor Fred A. Hamprecht von der Universität Heidelberg (Seite 11). Die Ausbildung von 500 Mitarbeitern des südkoreanischen Gesundheitsministeriums mit Hilfe des Grippewellen-Simulationswerkzeugs InfluSim von Dr. Markus Schwehm von der Universität Tübingen (Seite 21). Vernetzung im regionalen Innovationssystem Zusätzlich konnten die Ergebnisse auch für das regionale Innovationssystem genutzt werden. Insgesamt 21 Prozent der ausgezeichneten Projekte haben ihre Forschungsprototypen zu marktfähigen Produkten weiterentwickelt. Dies ist ein bemerkenswerter Erfolg, sprechen einschlägige Studien von deutlich geringeren Erfolgsquoten. Laut dem Bochumer Institut für angewandte Innovationsforschung erreichen beispielsweise durchschnittlich nur 13 Prozent aller Produktideen die Marktreife. Diese überdurchschnittliche Erfolgsquote des do it.software-awards finden sich beispielsweise bei: Prof. Dr. Günter Haag und Dipl.-Phys. Philipp Liedl, Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Systemanalyse, Stuttgart, deren Software stasaqc Qualitätsprognose und Prozessüberwachung zyklischer Produktionsprozesse (Seite 40) mittlerweile in verschiedenen Fertigungsfeldern getestet wurde und nun eine Vertriebsstruktur aufgebaut wird. Kornél Markó vom Universitätsklinikum Freiburg (Seite 46), der mit seiner 2005 ausgezeichneten medizinischene Such- und Klassifikationsmaschine suitsearch intelligente Suche in elektronischen Texten 2007 den Sprung in die Selbstständigkeit gewagt hat. Mit dieser Erfolgquote hat der do it.software-award nachhaltige Impulse für Vernetzung der baden-württembergischen Softwareforschung gegeben. Die identifizierten Softwaretrends der MFG Stiftung im Rahmen des do it.software-awards gaben Anregungen für weitere Initiativen, Projekte und Plattformen der MFG. Ihre erfolgreiche Arbeit orientiert sich dabei entlang der Innovationskette, um den Transfer von Technologien aus der Wissenschaft in die Praxis zu unterstützen. Die MFG schafft so durch ihre Arbeit ein Bewusstsein für Innovationen, setzt Forschungsanreize und bündelt Kräfte durch die Vernetzung der Akteure. Zukunftstrends und -technologien: FAZIT Allgemeine Zukunftstrends und -technologien am Beispiel von Baden-Württemberg identifiziert die MFG Stiftung mit dem Forschungsprojekt FAZIT. Bereits erforschte Themengebiete sind Unternehmenssoftware, E-Business, IT und Sicherheit oder Social Software. Kreative Hochschultalente: Karl-Steinbuch-Stipendium Mit der regelmäßige Vergabe des Karl-Steinbuch-Stipendiums regt die MFG Stiftung die kreativen und innovativen Köpfe Baden-Württembergs an, ihre Ideen weiterzuverfolgen und zu erforschen. Seit 2004 wurden auf diese Weise über 100 talentierte Nachwuchsforscher aus allen Fachrichtungen unterstützt. Visualisierungs- und Simulationstechnologien: Cluster Visual Computing Baden-Württemberg Der hohe Anteil von Beiträgen aus dem Bereich der Visualisierungs- und Simulationstechnologien war der Ausgangspunkt der Clusterinitiative Cluster Visual Computing Baden-Württemberg, die, angestoßen von der MFG, 2007 gegründet wurde. Das Cluster Visual Computing Baden-Württemberg nutzt systematisch die landesweiten Potenziale im Bereich Visualisierungs- und Simulationstechnologien durch die gezielte Vernetzung von Forschungseinrichtungen, Entwicklungs- und Anwendungsunternehmen aus Baden- Württemberg. Speed Dating für Innovationsideen: Heidelberger Innovationsforum Eine Veranstaltung zur gezielten Entdeckung und Förderung von Forschung bis hin zur Unterstützung bei der Kommerzialisierung von Forschungsergebnissen ist das Heidelberger Innovationsforum. Auf der europäischen Match-Making-Veranstaltung treffen zweimal jährlich hochrangige Forscher auf Akteure aus Industrie und Finanzwelt, um Kooperationsgeschäfte einzugehen. Europäische Vernetzung: FITT In dem Projekt FITT entwickeln die MFG gemeinsam mit Partnern aus Luxemburg, Frankreich und Belgien neue Formen des Technologietransfers auf europäischer Ebene. Informationen zu diesen und anderen Initiativen der MFG bietet auch die Webseite als Schnittstelle und Vermittler zwischen Softwareforschung und Anwenderbranchen.

6 08 Ciamak Abkay Dr. Markus Schwehm Echtzeit-Ivus-Simulator Welle auf der Stelle InterSim mit Mathematik gegen die Ausbreitung von Infektionen Prof. Dr. Fred A. Hamprecht Automatische Lokalisation von Tumoren in MRSI Diagnosevorschlag in drei Minuten Christoph Zrenner Neuro-Prothetik Schnittstelle zwischen Hirn und Welt Dmitry Maksimov CTAngioScope Gefäßverschlüsse schnell erkannt Nico Becherer CathiKid virtuelle Eingriffe an kleinen Herzen Prof. Dr. Martin Eichner InfluSim planvoll gegen Influenza-Pandemie Dr. Kay Nieselt Mayday die Rettung der Gen-Expressionsdaten (bwcon-sonderpreis) Prof. Dr. Gabriel Wittum NeuRA was macht das Gehirn mit Informationen? Dr. Christian Spieth JCell wie definieren DNS-Prozesse den Menschen? Prof. Dr. Oliver Kohlbacher BALLView die Molekulabiologie sichtbar und modellierbar machen Prof. Dr. Hans Peter Meinzer OrganNicer computergestützte Operationsplanung in der Leberchirurgie Prof. Dr.-Ing. Hermann Schumacher Dispositionsunterstützung systematischer Alarm in Rettungsleitstellen Michael Selzer Haptical Interface Communication System Berührungen im Fahrzeugcockpit Dr. Matthias Schneider Simulationssoftware für die virtuelle 3D-UV-Härtung Dennis Maier SurfRec wie Bilder dreidimensional werden Prof. Dr. Britta Nestler 3D-Computersimulation die Entdeckung von Eigenschaften metallischer Werkstoffe Prof. Dr. Peter Henning WB3 Siedlungsstrukturen frei betrachtet Lasse Scherffig EyeVisionBot per Blick-Klick durch Bilddatenbanken Visualisierung/Simulation 09

7 10 Ciamak Abkay Prof. Dr. Fred A. Hamprecht 11 Geboren 1980, Dipl.-Informatiker Universität Heidelberg, Institut für Computergestützte Medizin Forschungsschwerpunkte: Medizinische Simulation, Echtzeit-Systeme, System-Verlässlichkeit. Geboren 1975, seit 2001 Professor für Multidimensionale Bildverarbeitung, Universität Heidelberg; Mitgründer des Heidelberg Collaboratory for Image Processing (HCI), in dem, ab 2008 finanziert durch Exzellenz-Initiative und Industrie, automatisierte Diagnosesysteme für Anwendungen in Industrie und Naturwissenschaften entwickelt werden. Institut für Computergestützte Medizin, Quadrat B6, 26, Mannheim, Heidelberg Collaboratory for Image Processing (HCI), Universität Heidelberg, Heidelberg Echtzeit-Ivus-Simulator Welle auf der Stelle Automatische Lokalisation von Tumoren in MRSI Diagnosevorschlag in drei Minuten Intravaskulärer Ultraschall (IVUS) ist eines der wesentlichen quantitativen Instrumente zur Charakterisierung von Gefäßverengungen (Stenosen). Im Vergleich zu Röntgenaufnahmen liefert IVUS ein hoch auflösendes, detailliertes Bild aus dem Innern der Gefäße. Allerdings können nur erfahrene Experten die Bilddaten interpretieren, da Ultraschall vielfältige Artefakte wie Interferenzstrukturen, Abschattungen oder Reflexionen erzeugt. Dies verdeutlicht die große Anfrage nach Trainings- und Ausbildungsmöglichkeiten, die durch eine Ultraschall- Simulationsumgebung bereitgestellt werden können. Die Echtzeit-Simulation von IVUS-Aufnahmen basiert auf einer physikalischen Beschreibung von Bildgebung und Gewebestrukturen. Damit werden Bildqualitäten erreicht, die sich kaum von realen IVUS-Bilddaten unterscheiden. Prinzipiell basiert der Simulator auf der partiellen Differenzialgleichung, die eine Welle beschreibt. Mithilfe der Greens-Funktion, die auf Modellen der Gewebestrukturen angewendet wird, können die Lösungen der Differenzialgleichung berechnet werden. Das Echtzeit-Verhalten wird durch eine Beschleunigung in mehreren Größenordnungen erreicht, über die Kombination eines systembasierten Modells mit einer Intensitätsmodulation durch das Lambert-Beer sche Gesetz. Die Ultraschall-Physik und Hämodynamik werden mittels modernster objektorientierter Softwarekonzepte berechnet und liefern eine realistische Echtzeit-Bildsequenz mit Bildraten von 20 Bildern/Sekunde auf einem 3.2 GHz Pentium 4 PC. Bisher war die Echtzeit-Simulation von IVUS nicht möglich. Vergleichbare Simulationen sind nicht nur weniger effizient, sie umfassen auch weniger physikalische Effekte und sind die Verfahren genau, sind sie langsamer als IVUS. Das Konzept wird hauptsächlich im Training und der Ausbildung in einem Simulator (Cathi) eingesetzt. Zudem bietet es eine Basis zur Validierung innovativer Segmentierungstechniken, sodass in der Bildentstehung der sichtbaren Symptomatik ein Beitrag zu einer aussagekräftigeren Diagnose geliefert wird. In 2008 steht an, im Rahmen eines EU-Forschungsprojektes zu validieren, inwieweit Daten aus der Realität zur dynamischen Modellbildung verwendet werden können, um damit patientenindividuelle Therapien zu ermöglichen. Bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanz-Spektroskopie (MRSI) erlauben es Medizinern, Tumore präziser zu erkennen. Diese Techniken wurden in den vergangenen Jahren enorm verfeinert, produzieren jedoch eine Datenflut, die hohe Anforderungen an die automatisierte Auswertung stellt. Eine Lösung bietet das an der Universität Heidelberg entwickelte Diagnosesystem CLARET (CSI-based Localization And Robust Estimation of Tumor probabilities). Um krankhafte Veränderungen des Gewebes zu untersuchen, wurde dem Patienten in der Vergangenheit Gewebe entnommen oder ein Kontrastmittel injiziert. MRSI hingegen bestimmt die Menge einzelner Stoffwechselprodukte mit räumlicher Auflösung und erlaubt damit ohne chirurgischen Eingriff, krankhafte Veränderungen zu erkennen. Im Klinikalltag kommt das Verfahren bisher dennoch selten zum Einsatz, da die händische Analyse der Daten viel Zeit in Anspruch nimmt. Abhilfe verspricht eine automatische Datenauswertung: CLARET. CLARET wurde von Prof. Hamprecht gemeinsam mit Michael Kelm, Björn Menze und Christian Zechmann entwickelt und arbeitet mit der Methode des maschinellen Lernens: Die Software lernt aus zuvor diagnostizierten Beispielaufnahmen, charakteristische Veränderungen des Stoffwechsels zu erkennen und daraus die Wahrscheinlichkeit für eine tumorbedingte Gewebeveränderung zu errechnen. Dabei macht sich CLARET zunutze, dass die MRSI im Klinikalltag in der Regel unter genau spezifizierten diagnostischen Fragestellungen und mit festgelegten Aufnahmeparametern eingesetzt wird. Die Rechenverfahren können aus diesen Trainingsdaten die für einen Tumor charakteristischen Muster extrahieren und Entscheidungsregeln für die Diagnose bei anderen Patienten ableiten, erklärt Hamprecht. In nicht einmal drei Minuten analysiert CLARET einen kompletten Datensatz und unterbreitet einen Vorschlag, welche Regionen am riskantesten aussehen und zunächst manuell ausgewertet werden sollten. Erste Studien am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) Heidelberg sprechen für eine hohe Zuverlässigkeit und die mit der Diagnose von Prostatatumoren befassten Radiologen Dr. Christian Zechmann und Dr. Patrik Zamecnik freuen sich über die große Arbeitserleichterung durch den Computer. In einem gemeinsamen Forschungsvorhaben vom DKFZ, dem Forschungszentrum MeVis Research und der Firma Siemens wird das System gegenwärtig systematisch evaluiert.

8 12 Christoph Zrenner Dmitry Maksimov 13 Geboren 1981, Promovend Universitätsklinikum Tübingen Hertie-Institut für klinische Hirnforschung Arbeits-/Forschungsschwerpunkte: Neurowissenschaft. Geboren 1979, Dipl.-Ing.; Studium an der Belarusian State University, Department of Applied Mathematics and Computer Science, Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Mannheim, Institut für Computermedizin Seit 2007 Softwareentwickler bei Cathi GmbH. Zentrum für Neurologie, Otfried-Müller-Straße 27, Tübingen, CATHI GmbH, B6, Mannheim Neuro-Prothetik Schnittstelle zwischen Hirn und Welt CTAngioScope Gefäßverschlüsse schnell erkannt Die Sinnesorgane und der Muskelapparat, gesteuert von dem zentralen Nervensystem, sind die Schnittstelle zwischen Gehirn und Welt. Neurologische Krankheiten, die den Kreislauf der Information beeinträchtigen, verursachen einen hohen Leidensdruck, dem die moderne Medizin noch machtlos gegenübersteht. Dass eine Wiederherstellung von Kommunikation mit noch gesundem Nervenzellgewebe im Menschen prinzipiell machbar ist, haben cochleare und retinale Implantate gezeigt, doch der bisher noch unverstandene neuronale Code des Neokortex erschwert die Therapie bei zentralem Hirnschaden. Mit einem Softwaresystem, das die Analyse und Interpretation von komplexen Multi- Kanal-Nervenzellsignalen in Echtzeit ermöglicht, sind neue Forschungsansätze möglich: Ein biologisches Netzwerk aus Neuronen, das auf einem Mikrochip wächst, wird über eine bi-direktionale Schnittstelle (Messung und Stimulation) mit einem Robotik-System verbunden. So kann die gesamte Interaktion zwischen biologischem und mechanischem Modellsystem unter kontrollierten Bedingungen erforscht werden. Das Feedback-System besteht aus zwei Komponenten, die über eine Netzwerkverbindung miteinander verbunden sind: Ein grafisches Visualisierungs- und Kontrollsystem erlaubt die automatisierte Steuerung komplexer experimenteller Abläufe auf einem normalen PC. Parallel dazu erfasst und analysiert ein Echtzeit-Signalverarbeitungs-PC die Aktivität des Elektrodenchips über eine 60-Kanal-Datenerfassungskarte mit einer Abtastrate von 16 khz pro Kanal. Eine aktivitätsabhängige Rückkopplungs-Stimulation der Nervenzellen über einen Stimulusgenerator ist mit einer Latenz von 500 µs möglich. Nach ersten Experimenten mit direktem (simuliertem) Feedback wurde eine drahtlose Bluetooth-Schnittstelle zu einem mobilen Roboter (Lego Mindstorms NXT) aufgebaut. Mit diesem System kann der neuronale Code des Gehirns in Aktion, also während einer tatsächlich stattfindenden Interaktion mit der Außenwelt, erforscht werden. Dieser Ansatz ist nicht nur ein wesentlicher Beitrag zur Grundlagenforschung, sondern gibt berechtigte Hoffnung, in Zukunft mit Hilfe elektronischer Implantate die biologische Funktion beschädigter Gehirnareale zumindest teilweise ersetzen zu können. Vaskuläre Erkrankungen sind die Haupttodesursache in der westlichen Welt und betreffen besonders ältere Menschen. Bisher war die Digitale Subtraktionsangiografie (DSA) der Goldstandard bei diagnostischen Eingriffen. In den letzten Jahren wurden sie vermehrt durch innovative Bildgebungstechniken abgelöst, die mindestens dieselbe, eher eine bessere Qualität versprechen und für den Patienten eine deutliche Belastungsreduzierung bedeuten. Zu diesen Techniken gehören die Farb-Ultraschall-Diagnose für oberflächennahe und wenig verkalkte Gefäße, die MR-Angiografie für Patienten ohne Metall-Implantate sowie die CT-Angiografie (CTA). Letztere wird immer dann relevant, wenn die Gefäße eines Patienten bereits stark verkalkt sind und er eventuell Implantate trägt was sich in der Patientenpopulation mit zunehmendem Alter häuft. Bis jetzt gibt es CTA-unterstützende Programme von einigen Firmen wie General Electric oder Philips. Sie funktionieren, indem sie Knochen aus den Daten ausblenden und damit den Gefäßquerschnitt quantitativ erfassbar machen. Allerdings zeigt sich in der Praxis, dass mit diesen Verfahren nur einfache Fälle, in der Regel Fälle ohne Verkalkungen, lösbar sind. Vor allem gelingt es ihnen nicht, die Gefäße zuverlässig von unerwünschten Strukturen zu trennen, wenn die Patienten sich während der Aufnahmen bewegen. CTAngioScope ist derzeit das einzige Softwaresystem, das in der Lage ist, Gefäße von knöchernen Strukturen sowie Verkalkungen subvoxelgenau zu trennen; es wird derzeit in Mannheim evaluiert. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass damit bei 80 bis 90 Prozent aller Patienten für die es ansonsten keine geeigneten Diagnosetechniken gibt eine korrekte Diagnose von Gefäßverschlüssen erstellt werden kann. Weiterhin benötigt das Verfahren für die automatische Datenverarbeitung von rund 700 Mbytes auf einem normalen PC lediglich fünf bis acht Minuten. Die Software nutzt dafür moderne Techniken der graphenbasierten Bildverarbeitung, um aus zwei Bilddatensätzen die Gefäßstrukturen zuverlässig zu extrahieren. Das Problem von Bewegungen während und zwischen den Aufnahmen lösen geeignete Matching-Techniken. Die Ergebnisse werden in Standardprojektionen mit Maximum-Intensity dargestellt. Zudem ist eine freie Wahl der Ansicht möglich, um komplexe Situationen beurteilen zu können.

9 14 Nico Becherer Prof. Dr. Martin Eichner 15 Geboren 1978, Dipl.-Informatiker Ehem. Universität Mannheim, Interdisziplinäres Institut für Computergestützte Medizin Forschungsschwerpunkte: Physikalische & medizinische Simulation sowie Computergrafik Softwareentwickler im Bereich Echtzeitprocessing bei Steinberg Media GmbH, Hamburg. Geboren 1959, Studium der Biologie und Mathematik in Würzburg und Tübingen. Er beschäftigt sich seit fast 20 Jahren mit der mathematischen Modellierung und Simulation von Infektionskrankheiten. Nach seinem Studium arbeitete er in Kamerun, England, Finnland und den USA. Er ist Professor an der Medizinischen Fakultät der Universität Tübingen und Mitbegründer der Firma ExploSYS GmbH. Steinberg Media Technologies GmbH, Neuer Höltigbaum 22 32, Hamburg, ExploSYS GmbH, Westbahnhofstraße 55, Tübingen, CathiKid virtuelle Eingriffe an kleinen Herzen InfluSim planvoll gegen Influenza- Pandemie Bei der Software CathiKid handelt es sich um einen Simulator, mit dem komplexe Herzkathetereingriffe an Neugeborenen in einer virtuellen Umgebung trainiert werden können. Bereits existierende Forschungsprojekte und kommerzielle Anwendungen zur Simulation von Herzkathetereingriffen erlauben ausschließlich das Navigieren in geometrisch einfachen Herzkranzgefäßen. Eine Ausdehnung auf die mit CathiKid simulierten, für Neugeborene relevante Verfahren war aufgrund der bei Kindern nicht greifenden Annahmen nicht ohne weiteres möglich und hat daher bisher nicht stattgefunden. CathiKid, das vom Institute for Computational Medicine der Universität Mannheim in Zusammenarbeit mit dem Kinderherzzentrum des Universitätsklinikums Gießen/Marburg durchgeführt wird, integriert viele aktuelle Bereiche der Informationstechnologie. Kernpunkte sind unter anderem die schnelle Optimierung hochdimensionaler, nicht linearer Gleichungen in Echtzeit, um Katheterbewegungen in Hohlräumen physikalisch-korrekt zu simulieren, oder GPU-gestützte Fluss- und Turbulenzberechnungen, um Kontrastmittel zu visualisieren. CathiKid unterstützt die Anwendung realer, in Katheterlabors verwendeter Instrumente und Steuerungsgeräte als Eingabe-Interfaces. Die grafische Darstellung ist von hoher Qualität und baut auf neuste Techniken wie GPU-basiertes Volume-Rendering auf. Die Simulationssoftware bildet die physikalische Umgebung der Hohlräume und Gefäße rund um das menschliche Herz mit hoher Exaktheit ab. Die Ergebnisse dieser Entwicklung sind auch auf andere medizinische Einsatzgebiete übertragbar, beispielsweise auf die Simulation neurologischer Eingriffe oder Koloskopien. Verwendet werden die Forschungsergebnisse derzeit neben der Kinderkardiologie noch in der Simulation der herkömmlichen Kardiologie. Für Anfang 2008 ist in Zusammenarbeit mit Siemens Medical Solutions, der Cathi GmbH und namhaften Kinderkardiologen ein Workshop geplant. Anfang 2005 wurde vom Robert-Koch-Institut ein nationaler Influenza-Pandemieplan veröffentlicht mit Empfehlungen, wie sich die Bundesländer auf eine Pandemie vorbereiten können. Der Plan berief sich auf ein Modell des amerikanischen Centers for Disease Control & Prevention, das die Gesamtbelastung für das Gesundheitssystem aus einer statischen Anzahl klinisch Erkrankter vorhersagt und Aussagen über die Anzahl der zu erwartenden Arztbesuche und Krankenhauseinweisungen macht. Die Konkretisierung des deutschen Pandemieplans auf Länderebene sollte darüber hinaus auch den zeitlichen Verlauf der Arztbesuche und Hospitalisierungen abschätzen. Ein solch dynamisches Modell wurde mit InfluSim zur Verfügung gestellt und erstmals in Zusammenarbeit mit dem Landesgesundheitsamt Stuttgart erarbeitet. Mittels Differenzialgleichungen wurde der Verlauf einer pandemischen Grippewelle in einer Kleinstadt simuliert, wobei die Visualisierung den zeitlichen Infektionsverlauf, die Arbeitsausfälle, Arztbesuche, Krankenhauseinweisungen und Todesfälle umfasste sowie die Auswirkungen verschiedener medizinischer Interventionen. Damit wurde InfluSim auch für die Planung kombinierter und koordinierter Interventionen ein wertvolles Hilfsmittel. Die breite Berichterstattung über den Erfolg in Baden-Württemberg brachte InfluSim eine sehr hohe Aufmerksamkeit. Das internationale Interesse ließ nicht lange auf sich warten: Im selben Jahr noch wurde InfluSim in Singapur, Japan und Australien vorgestellt. Das südkoreanische Gesundheitsministerium setzte InfluSim in einem Planspiel zu Schulung von rund 500 Mitarbeitern seiner Gesundheitsämter ein. Mit dem Schweizer Bundesamt für Gesundheit (BAG) haben die Entwickler von InfluSim einen ersten großen Kunden für ihre neu gegründete Firma ExploSYS GmbH gefunden. Sie entwickelten in einer auf zwei Jahre angelegten Kooperation InfluSim weiter, sodass mittlerweile damit auch Simulationsstudien durchgeführt werden können, die Kontaktvermeidungsstrategien (zum Beispiel Schulschließungen) bewerten. International stehen noch andere Fragen im Fokus, so die, ob prophylaktische Maßnahmen bei Krankenpflegepersonal und Einsatzkräften die Entstehung und Ausbreitung von resistenten Erregern begünstigen; auch dies kann die neueste Version von InfluSim analysieren.

10 16 Dr. Kay Nieselt 17 Geboren 1962, Dipl.-Mathematikerin Akademische Rätin Universität Tübingen, Zentrum für Bioinformatik Tübingen, Fakultät für Informations- und Kognitionswissenschaften Arbeits- und Forschungsschwerpunkte: Microarray- Bioinformatik, RNA-Gene, Evolution, Phylogenetik. Baden-Württemberg: Connected e.v. Breitscheidtraße 4, Stuttgart E.Mail: Universität Tübingen, Zentrum für Bioinformatik Tübingen, Sand 14, Tübingen, Mayday die Rettung der Gen-Expressionsdaten (bwcon-sonderpreis) bwcon bestes deutsches Innovationsnetz 2008 Mayday (kurz für Microarray Data Analysis) ist eine neue Plattform für die Analyse, Visualisierung und Verwaltung von Gen-Expressionsdaten. Microarrays oder DNA-Chips sind eine der erfolgreichsten Technologien zur Gen-Expressionsanalyse, die in den letzten Jahren Einzug in die Molekularbiologie und Medizin gehalten haben. Bei der Datenauswertung im Rahmen der Microarray-Analyse besteht aber nach wie vor ein großer Bedarf an sowohl benutzerfreundlicher als auch leistungsfähiger Software, die den schnelllebigen Technologiesprüngen und wachsenden Datenumfängen Rechnung trägt. Das Softwarepaket Mayday genügt diesen hohen Leistungsansprüchen. Basierend auf einem infrastrukturellen, leichtgewichtigen Kern ist jegliche Anwendungsfunktionalität in externe Plugins, also Erweiterungsmodule, verlagert, die über eine einheitliche Plugin- Schnittstelle eingebunden werden. Das Ganze ist in Java implementiert und kann damit auf allen wichtigen Betriebssystemplattformen laufen. Über die Plugins stehen sowohl eine große Auswahl interaktiver Viewer, der Zugriff auf SQL-basierte Datenbanksysteme, eine Anbindung an die statistische Entwicklungsumgebung R als auch diverse Cluster- und Klassifikationsalgorithmen zur Verfügung. Hervorzuheben ist auch die Implementierung so genannter Meta- Informationsobjekte (MIOs), die eine Annotation und Visualisierung über die sogenannte Enhanced Heatmap der Microarray-Daten ermöglichen. Das ebenfalls im Kern implementierte MIO-Framework erlaubt die Integration von Gen-Expressionsdaten mit zugehörigen Informationen aus anderen Quellen, wie beispielsweise Sequenz- und Annotationsdaten oder Angaben zur statistischen Validität der Microarray-Daten. Der Export in verschiedene Formate wie SVG, JPG und PNG erlaubt die einfache Erstellung hochqualitativer Abbildungen für Veröffentlichungen, Webseiten und Präsentationen. Mayday wird aufgrund seiner Kompatibilität mit den am meisten verbreiteten Betriebssystemen und seiner grafischen Benutzeroberfläche bereits in medizinischen und biologischen Forschungslabors sowie in der Lehre eingesetzt. Innovativ ist auch die Möglichkeit, Mayday mittels Java-Webstart per Klick über das Internet zu starten. Damit ist nicht nur gewährleistet, dass der Benutzer jeweils die neuesten Plugin- Versionen verwendet, er spart sich damit auch die Installation auf dem eigenen Rechner. Baden-Württemberg: Connected e.v. (bwcon) ist die führende Wirtschaftsinitiative zur Förderung des Innovations- und Hightech-Standortes Baden- Württemberg. Als eines der erfolgreichsten Technologienetzwerke in Europa verbindet bwcon über 420 Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Mehr als Experten profitieren von der systematischen Vernetzung über die bwcon-plattform. Mit den Arbeitsbereichen Kreativwirtschaft, Health Care, Informations- und Kommunikationstechnologie (ITK) sowie Connecting Technologies schafft bwcon eine in Baden-Württemberg einmalige Basis zur branchenübergreifenden Technologienutzung und interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Entwicklern, Anwendern und Investoren. Darüber hinaus bietet bwcon mit Coach & Connect ein umfangreiches Beratungs- und Betreuungsangebot sowohl für junge als auch expandierende Unternehmen an. Der Mehrwert von Baden-Württemberg: Connected liegt in den Möglichkeiten, die durch neue Zusammenarbeit und Vernetzung entstehen. Mitglieder bieten Mitgliedern aus erster Hand Informationen in Vorträgen, in Arbeitsgruppen und durch Beratung. In zahlreichen Special Interest Groups (SIG), Seminaren und Projekten werden aktuelle Themen vertieft. Mit der jährlichen Ausschreibung des renommierten Hightech-Awards CyberOne erreicht bwcon junge Unternehmen, die mit innovativen Geschäftskonzepten Impulse und neue Standards setzen. Als bestes deutsches Kompetenznetz erhielt bwcon bei dem Wettbewerb Kompetenznetz 2008 den ersten Preis. Mit dieser Auszeichnung würdigte das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) in Berlin den innovativen und bedarfsgerechten Service und den damit verbundenen Mehrwert für die Mitglieder. Willkommen bei

11 18 Prof. Dr. Gabriel Wittum Geboren 1956, Dipl.-Mathematiker Lehrstuhl für Wissenschaftliches Rechnen und Technische Simulation an der Universität Heidelberg; Themenschwerpunkte: Modellierung, Simulation und Optimierung von Prozessen aus Natur- und Lebenswissenschaften und der Technik. Zentrales Thema sind Methoden und Werkzeuge der numerischen Simulation. Geboren 1974, Studium der Bioinformatik, Oxford University, UK (Abschluss MSc), Dr. rer. nat. mit Auszeichnung in Bioinformatik, Zentrum für Bioinformatik ZBIT, Universität Tübingen Arbeits-/Forschungsschwerpunkte: Bioinformatik, Systembiologie Leiter der Softwareentwicklung Mass Spectrometry for Proteomics, Genedata AG, München. Dr. Christian Spieth 19 Simulation in Technology, Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 368, Heidelberg, Zentrum für Bioinformatik Tübingen ZBIT, Universität Tübingen, Sand 13, Tübingen, NeuRA was macht das Gehirn mit Informationen? JCell wie definieren DNS-Prozesse den Menschen? Das Gehirn von Säugetieren besteht aus Milliarden von Nervenzellen, die in komplexer Weise über Billionen sogenannter Synapsen miteinander vernetzt sind. Änderungen im Verschaltungsmuster tragen wesentlich zur Flexibilität des Gehirns bei und ermöglichen Informationsverarbeitung und Lernprozesse. Die Verschaltungsprozesse sind Gegenstand intensiver Forschung. Eine Nervenzelle besteht aus einem Dendritenbaum, der Information sammelt, und einem Axonbaum, der die verarbeitete Information über längere Strecken überträgt. Innovative Entwicklungen in der Mikroskopie, zum Beispiel die Zwei-Photonen-Mikroskopie, ermöglichen es, hoch aufgelöste Aufnahmen von Neuronen bei lebenden Mäusen zu sammeln und den Dendritenbaum von Nervenzellen automatisch zu rekonstruieren. Praktisch sind einige vorangehende Verarbeitungsschritte erforderlich, bevor Geometrie und Verzweigungsbaum extrahiert werden können. Datensätze aus Zwei-Photonen-Mikroskopen haben meist einen schlechten Signal- Rauschabstand, da das Gewebe von lebenden Tieren mikroskopiert wird und direkte Rekonstruktionen dieser Daten nicht sinnvoll sind. NeuRA löst das Problem, indem es die Daten mit Hilfe eines anisotropen, nichtlinearen Diffusionsfilters ausliest. Dieser identifiziert in einem 3D-Bild eindimensionale Substrukturen, schließt Lücken und schärft das Strukturbild. Zur Strukturerkennung nutzt er den Trägheitstensor. In den nachfolgenden Segmentierungsprozessen entsteht ein Baum, der für die anschließende Simulation in gängigen Dateiformaten ausgegeben wird. NeuRA ist ein ausgeklügeltes Verfahren zur automatischen Rekonstruktion von Neuronen und in dieser Art und in diesem Anwendungsgebiet vollkommen neu. Es ermöglicht die Beobachtung von markierten Zellen im Gehirn lebender Tiere und die Untersuchung von Prozessen, wie geometrische Veränderungen im Gehirn durch Lernprozesse entstehen. NeuRa wurde inzwischen auch eingesetzt um zweidimensionale Substrukturen in der Zelle zu rekonstruieren. Mit NeuRA konnte die komplexe dreidimensionale Geometrie von Zellkernen rekonsturiert werden Als 2003 das Human Genome Project zur vollständigen Kartografierung des menschlichen Genoms fertiggestellt wurde, stand die wissenschaftliche Gemeinschaft vor einer gewaltigen Datenmenge. Das Projekt war mit seiner Beschreibung der rund 3 Milliarden Basenpaare des genomischen Bauplans eines Menschen und der fast vollständigen Liste der menschlichen Gene ein Meilenstein der molekularbiologischen Wissenschaft. Dennoch bildet dieses Ergebnis erst die Grundlage, um die Prozesse innerhalb eines Organismus umfassend zu verstehen. Die Organisation und Funktionsweise der Prozesse, deren Bausteine durch die DNS beschrieben werden, sind weitgehend unbekannt, doch sind es gerade diese Prozesse, die einen lebenden Organismus definieren. Die Systembiologie hat sich daher zur Aufgabe gemacht, die regulatorischen Funktionen und Abläufe zu verstehen. Ihr Ziel ist, durch tiefere Einblicke in die Abhängigkeiten innerhalb des Genoms Krankheiten auf einer logischen Ebene zu verstehen. Dadurch erhofft man sich langfristig Ansatzpunkte und Werkzeuge zu finden, um Krankheiten wie Krebs, Morbus Alzheimer oder Aids wirksam zu bekämpfen. Das Forschungsprojekt um JCell, das aus dem Lehrstuhl von Prof. Dr. Andreas Zell, Universität Tübingen, stammt, hat sich genau dieses Verständnis von regulatorischen Prozessen zum Ziel gesetzt. Experimentelle Daten werden mit Hilfe mathematischer Gleichungen modelliert und ein Abbild der biologischen Funktionen im Computer erstellt. Im Idealfall kann mit dem Modell einmal die Wirksamkeit von neuen Wirkstoffen studiert werden, ohne dass aufwendige Versuche an Zellkulturen oder anderen lebenden Organismen notwendig sind. Damit könnten neue Therapien schneller, sicherer und vor allem kostengünstiger erarbeitet werden. JCell ist ein Softwarepaket, das eine Vielzahl von mathematischen Modelltypen und Algorithmen enthält, die zur systemweiten Analyse genutzt werden können. Es wird ständig weiterentwickelt und bereits in mehreren BMBF-geförderten Projekten eingesetzt, unter anderem in einem explorativen Projekt über genregulatorische Netze des Nationalen Genomforschungsnetz (NGFN), ferner im Forschungsnetzwerk HepatoSys (Forschungsnetz zur Systembiologie menschlicher Leberzellen) im Teilnetz Detoxifikation sowie in einem neuen Forschungsnetzwerk über Morbus Parkinson, das ab 2008 im Netzwerk NGFN-Plus gefördert wird.

12 20 Prof. Dr. Oliver Kohlbacher Geboren 1971, Studium der Chemie und Informatik, Diplom in Chemie, Dr.-Ing. in Informatik Universität Tübingen, Professor für Simulation biologischer Systeme Forschungsschwerpunkte sind computergestützter Wirkstoffentwurf, Proteomik und theoretische Immunologie. Geboren 1962, Studium der Mathematik und Informatik in Karlsruhe, München und Erlangen; Postdoc bei Tandem Computers in den USA. Seit mehr als 10 Jahren beschäftigt er sich mit Modellierung, Visualisierung und Optimierung im Bereich der Systembiologie. Er ist Mitarbeiter am Institut für Medizinische Biometrie der Universität Tübingen und Mitgründer der Firma ExploSYS GmbH. Dr. Markus Schwehm 21 Universität Tübingen, Sand 14, Tübingen ExploSYS GmbH, Westbahnhofstr. 55, Tübingen, BALLView die Molekularbiologie sichtbar und modellierbar machen InterSim mit Mathematik gegen die Ausbreitung von Infektionen Visualisierung und Simulation sind aus der modernen molekularbiologischen Forschung nicht mehr wegzudenken, weder in der Entwicklung neuer Arzneistoffe, noch beim Verständnis komplexer biologischer Systeme wie dem Immunsystem. BALLView ist ein neues Werkzeug zur Visualisierung und Modellierung von Biomolekülen. Es bietet umfangreiche Darstellungsarten zur dreidimensionalen Darstellung von Proteinen, Nukleinsäuren und kleinen Molekülen, von einfachen Kugel-Stabmodellen bis hin zu komplexen Moleküloberflächen. Neben den reinen Visualisierungsmöglichkeiten erlaubt BALLView aber auch die Analyse, Simulation und Modifikation der Strukturen und geht damit weit über die Möglichkeiten vergleichbarer Visualisierungsprogramme hinaus. Die modulare Architektur von BALLView erlaubt es, jederzeit für die Anwendung maßgeschneiderte Benutzeroberflächen zu erzeugen. Einzelne Komponenten wie die Visualisierung oder die Geometrieoptimierung sind beliebig miteinander kombinierbar und können nach einem Baukastensystem zusammengefügt werden. Infektionskrankheiten stellen eine ernst zu nehmende Gefahr für die Gesellschaft dar. So können jederzeit gefährliche Varianten endemischer Krankheitserreger auftauchen (Influenza), mutwillig freigesetzt werden (Bioterrorismus) oder völlig neu entstehen (SARS). Um Entscheidungsträger im Katastrophenschutz bei der Konzeption von Überwachungs-, Prognoseund Interventionsstrategien unterstützen zu können, ist ein tieferes Verständnis für die Ausbreitungsdynamik von Infektionskrankheiten notwendig. Zu diesem Zweck werden in der Epidemiologie mathematische Modelle entwickelt und analysiert, etwa um die infektionsdynamischen Parameter eines neuen Krankheitserregers zu bestimmen oder um die Effizienz von Interventionsmaßnahmen vorab einzuschätzen. Die Software InterSim implementiert ein Standardmodell (SEIR-Modell) der quantitativen Infektionsepidemiologie. Die Ausbreitung der Infektion wird bei InterSim jedoch über Kontakt-Netzwerke simuliert, die durch definierte Parameter an die sozialen Gegebenheiten einer zu modellierenden Bevölkerung angepasst werden können. Das Modell ist stochastisch und individuenbasiert. Auf diese Weise liefert die Simulationssoftware nicht nur die durchschnittlich zu erwartende Dynamik des Ausbruchs einer Infektionskrankheit, sondern ermöglicht auch die Analyse von Risiken und worst-case -Szenarien. Das Modell ist modulartig aufgebaut, wobei die Module für unterschiedliche Interventionsstrategien (Isolation, Quarantäne, Überwachung von Kontaktpersonen, verschiedene Impfstrategien) stehen, die einzeln oder kombiniert betrachtet werden können und so die unterschiedlichsten Auswirkungen auf eine Epidemie vorhersagbar machen. Als generisches Simulationswerkzeug wurde InterSim bereits für die Modellierung zahlreicher Infektionskrankheiten eingesetzt: Zur Simulation eines Pocken-Anschlages für die Bioterror-Vorsorgeplanung des BMGS, der Ausbreitung von SARS und für die Bewertung von Impfstrategien gegen Kinderlähmung. Aktuell wird InterSim von der Universitäts-Ausgründung ExploSYS GmbH im Auftrag einer Marketing- Agentur für die Modellierung der Ausbreitung von Gerüchten in einer Bevölkerung erweitert. Für einen amerikanischen Auftraggeber wird InterSim mit InfluSim (siehe Seite 22) zu einem Pandemie-Vorsorgewerkzeug für militärische Einheiten und große Betriebe weiterentwickelt.

13 22 Prof. Dr. Hans Peter Meinzer Geboren 1948, Dipl.-Physiker, cand. wi.-ing., Universität Karlsruhe 1973 Dr. sc. hum., Universität Heidelberg, 1983 Dr.sc. hum. habil., Universität Heidelberg, 1987 Privatdozent für Medizinische Informatik, 1990 Gastprofessor an der Universität Wien, 1992 APL-Professor, Universität Heidelberg, 1999 Leiter der Abt. Medizinische und Biologische Informatik im DKFZ. Prof. Dr.-Ing. Hermann Schumacher Geboren 1957, Universität Ulm/Kompetenzzentrum Integrierte Schaltungen in der Kommunikationstechnik Forschungsschwerpunkte: Analoge Höchstgeschwindigkeitsschaltungen für Kommunikation und Sensorik im Frequenzbereich 1 80 GHz; Impuls-Ultrabreitband-Sensorik für medizinische Anwendungen; Kommunikationstechnik im Rettungsdienst. 23 Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Im Neuenheimer Feld 280, Heidelberg, Universität Ulm, Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen, Ulm, OrganNicer computergestützte Operationsplanung in der Leberchirurgie Dispositionsunterstützung systematischer Alarm in Rettungsleitstellen Immer noch besteht eine signifikante Morbidität und Mortalität bei Leberoperationen. Angesichts der Tatsache, dass die Leber-Lebendspende weiter an Bedeutung gewinnen wird, weil eine zunehmende Diskrepanz zwischen der Anzahl von Organspendern und potenziellen Empfängern besteht, ist dies ein nicht zu unterschätzendes Problem. Ein gesunder Spender darf bei einer Operation nicht zu Schaden kommen; bei Leber-Lebendspendern ist insbesondere der Erhalt der großen Lebervenen entscheidend. Sie sind aber aufgrund ihrer großen interindividuellen Variabilität bei der Transplantatgewinnung besonders gefährdet. Eine computergestützte Operationsplanung mit 3D-Darstellung der Anatomie kann den chirurgischen Eingriff dadurch verbessern, dass die Orientierung in der Leber sicherer und der patientenindividualisierte Operationsvorschlag exakter umgesetzt werden kann. Darüber hinaus kann das Restlebervolumen bereits präoperativ berechnet und visualisiert werden. Eine besondere Herausforderung für den Chirurgen stellen Tumoren in unmittelbarer Nähe zentraler Gefäßstrukturen dar hier ist eine absolut genaue Umsetzung der Operationsplanung in den intraoperativen Situs entscheidend. Zentral gelegene oder eine große Anzahl von Tumoren führen zu Volumendefekten und räumlich komplexen Resektionsflächen, was vom Chirurgen ein hohes Maß an räumlichem Orientierungsvermögen fordert. Gleiches gilt bei Rezidiv-Leberoperationen, bei denen Teile der Leber bereits entfernt wurden. Bei diesen Eingriffen, aber auch bei Operationen an zirrhotisch veränderten Lebern, ist ein maximales Restlebervolumen zu erhalten. Für die Visualisierung und die Interaktion mit den extrahierten Daten wurde eine spezielle Software entwickelt: der OrgaNicer. Mit seiner Hilfe können Radiologe und Chirurg in der präoperativen Sitzung und später während des Eingriffs die geplanten Daten sichten und in situ anpassen. Sowohl die Metastasen-Chirurgie als auch die Leber-Lebendspende werden durch das entwickelte Operationsplanungssystem prä- und intraoperativ unterstützt. Dazu werden die individuelle Leber, ihre Gefäßsysteme und die vorhandenen Metastasen aufbereitet und visualisiert. Darüber hinaus werden für beide chirurgischen Verfahren Resektionsvolumina und Risikovolumina berechnet, die sowohl auf der portalen Versorgung der Leber als auch der venösen Entsorgung der Lebervenen beruhen. Im Rahmen eines Pilotprojektes für den Rettungsdienst Ulm wurden zwei Systeme entwickelt, um Effizienz, Kosten und Dispositionsdauer von Rettungseinsätzen zu verbessern. Ein elektronisches Alarmierungssystem (Voic box) vereinfacht die Koordination von ehrenamtlichen Rettungskäften. Eine automatische Nachalarmierung von Helfern ersetzt die klassische Telefonkette und reduziert durch Parallelisierung von Anrufen die Alarmierungszeit. Per Funk werden bisher Art und Ort des Einsatzes, mögliche Anzahl an Verletzten sowie eventuell weitere wichtige Daten für den Einsatz an die regulären Einsatzkräfte übermittelt. Der Funkruf erhält eine Fünf-Ton-Folge, die der jeweiligen Einsatzgruppenzugehörigkeit entspricht. Um zusätzlich benötigte ehrenamtliche Rettungskräfte automatisiert benachrichtigen zu können, wird die Fünf-Ton-Folge mittels eines Software-Tondekoders ausgewertet. Die Durchsage wird gespeichert und der entsprechenden Gruppe zugeordnet. Einsatzkräfte, die keinen Funkmeldeempfänger haben, werden vom System nach Maßgabe des Disponenten direkt angerufen und mit dem Funkspruch versorgt. Sämtliche Eingaben der alarmierten Einsatzkräfte werden gespeichert und in der Rettungsleitstelle dargestellt. Durch dieses Verfahren ist sofort ersichtlich, ob genügend Einsatzkräfte am Einsatzort eintreffen oder ob eine Alarmierung von weiteren Helfern notwendig ist. Ein telematisches Positionsmodul trägt dazu bei, die Übersicht in der täglichen Rettungsund Notfalleinsatzwagendisposition zu verbessern. Zur Optimierung der Fahrzeugdisposition im Rettungsdienst wurde ein Übertragungskonzept für Positionsdaten entwickelt und realisiert. Im Fahrzeug werden GPS-Daten aufgenommen und zusammen mit einer Statusmeldung, die über eine Tastatur im Fahrzeug eingegeben werden kann, in ein Datentelegramm gewandelt, das mittels Funk an Basisstationen verschickt wird. Von den Basisstationen wird das Telegramm zur Leitstelle geleitet, wo die Entschlüsselung und Auswertung stattfindet. Danach wird die aktuelle Position der Fahrzeuge auf einer Karte dargestellt, die von einem Rechner in der Rettungsleitstelle abzurufen ist. So wird dem Disponenten ein quasi Echtzeit- Lagebild (Aktualisierungsrate: 10 Sekunden) der Fahrzeuge vermittelt, die sich im Einsatz befinden. So können bei geänderter Notfalllage Fahrzeuge schnell umdisponiert werden.

14 24 Michael Selzer Dr. Matthias Schneider 25 Geboren 1976, M.Sc. Dipl.-Informatiker (FH), wissenschaftlicher Mitarbeiter Hochschule Karlsruhe Institut für Computational Engineering Forschungsschwerpunkte: Simulation und Visualisierung. Geboren 1954, Dipl.-Physiker Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, Abteilung Lackiertechnik Forschungsschwerpunkte: Simulationsverfahren in der Lackiertechnik, Trocknungs- und Härtungstechnik, optisches Erscheinungsbild von Lackschichten. Hochschule Karlsruhe, Institut für Computational Engineering, Moltkestraße 30, Karlsruhe, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Nobelstraße 12, Stuttgart, Haptical Interface Communication System Berührungen im Fahrzeugcockpit Simulationssoftware für die virtuelle 3D-UV-Härtung In der Welt der Fahrzeugentwicklung wird seit einiger Zeit ein deutlicher Schwerpunkt in der Fahrerunterstützung gesetzt. Fahrerassistenzsysteme (FAS) sind elektronische Zusatzeinrichtungen in Kraftfahrzeugen, die den Fahrer in bestimmten Fahrsituationen entlasten und ihm mehr Fahrsicherheit, aber auch mehr Fahrkomfort geben sollen. Dabei wird zwischen FAS unterschieden, die dem Fahrer die Benutzung der Geräte im Fahrerraum erleichtern, und anderen, die das Umfeld des Fahrzeugs erfassen, analysieren und selbstkorrigierend in Antrieb, Steuerung oder Signaleinrichtungen eingreifen. Das Haptical Interface Communication System (haptics) befasst sich mit der Frage, wie dem Fahrer eine bequeme Gerätebedienung im Cockpit ermöglicht werden kann, ohne seine Fahrsicherheit zu gefährden. Die herkömmlichen, weitverbreiteten Ansätze beschäftigen sich mit optischen oder akustischen Verbesserungen, also mit Systemen, die dem Fahrer mittels LEDs, Kontrollleuchten oder Signaltönen bestimmte Informationen übermitteln. Das Haptical Interface Communication System ergänzt diese Technologien durch solche, die den Tastsinn ansprechen und durch ein haptisches Feedback die optische und akustische Wahrnehmung entlasten. Das Ziel dabei ist es herauszufinden, wie sich solche neuen Bedienkonzepte im Fahrzeugcockpit als Mensch-Maschine-Schnittstelle einsetzen lassen, und die entsprechenden Grundlagen dafür zu schaffen. Da die allgemeine Struktur einer Mensch-Maschine-Schnittstelle aus einem rückgekoppelten System besteht, wird die Anwendbarkeit der Konzepte in realitätsnahen 3D-Simulationsumgebungen mit Autofahrern untersucht. Beispielsweise kann in Testserien analysiert werden, welche haptischen Aktuatoren am wirksamsten und effektivsten sind und für welche Fahrsituationen sich ein haptisches Feedback eignet. Dazu wurden Testszenarien zur Steuerung eines MP3-Players mit Vibrationsrückmeldung und der Klimaanlage mit Temperaturrückmeldung entwickelt und untersucht. Aufbauend auf einer selbst entwickelte Softwareumgebung ist es möglich, auf dem gesamten Bereich der Mensch-Maschine-Schnittstelle Untersuchungen durchzuführen. Das modulare und skalierbare Framework ermöglicht eine Übertragung der für das Fahrzeugcockpit entwickelten Verfahren auch auf andere Anwendungsgebiete wie der Haussteuertechnik. Seit einigen Jahren gibt es für UV-vernetzende Lacke einen Wachstumsmarkt, der zum einen auf die funktionellen Eigenschaften der beschichteten Produkte baut, zum andern aber auch auf den anerkannten wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Beschichtungsprozessen beruht. Wenn komplexe Anlagen zur Härtung von UV-Lacken auf 3D-Teilen geplant werden, kann die frühzeitige Prozesssimulation am Computer entscheidend dazu beitragen, die Verteilung der vom Lackfilm aufgenommenen UV-Strahlung sowie die Funktionsweise der geplanten Anlage zu prüfen und zu optimieren. Geht es beispielsweise um dreidimensionale Werkstücke wie Automobilkarosserien, müssen die UV-Strahlermodule in der Bestrahlungsstation in einer geeigneten Weise um das Werkstück herum angeordnet werden. Um eine gleichmäßige Härtungsqualität zu erreichen und Unter- oder Übervernetzung der UV-Lacke zu vermeiden, sollte die Strahlungsintensität und unbedingt auch die Strahlungsdosis auf der gesamten Werkstückoberfläche homogen verteilt sein. Simulationswerkzeuge helfen, den experimentellen Aufwand bei der Einstellung zu minimieren und zuverlässige Qualitätsaussagen schon in einer frühzeitigen Produkt-Designphase zu erhalten. DLS-UV ist ein solches Simulationsprogramm. Es bildet die technischen und geometrischen Charakteristika realer UV-Strahler ab und berechnet Strahlungsintensität und -dosis auf dem Werkstück in Abhängigkeit von der Prozesskinematik und der Positionierung der UV-Strahler. Die Eigenschaften von DLS-UV geben sowohl dem Simulationsexperten als auch dem Lackieringenieur detaillierte Einblicke in den Härtungsprozess und das zu erwartende Ergebnis und machen Aussagen beispielsweise über eine zeitabhängige Analyse des Prozessablaufs, Offline-Parameterstudien und Prozessoptimierungen, Darstellung und interaktive Veränderung der Lampen- bzw. Werkstückbewegung. In Verbindung mit einer vorausgehenden Simulation der Lackabscheidung wird mit der UV-Bestrahlungssimulation die virtuelle Prozesskette der Lackierung auf 3D-Werkstücken geschlossen. Das Programm soll vor allem die Arbeit von Anwendern und Entwicklern in der Lackhärtungstechnologie unterstützen. DLS-UV wurde bereits mit Erfolg bei Anlagenauslegungen zur UV-Klarlackhärtung auf Automobilkarosserien eingesetzt.

15 26 Dennis Maier Prof. Dr. Britta Nestler 27 Geboren 1970, Dipl.-Wirtschaftsinformatiker Universität Mannheim, Lehrstuhl für Informatik V Aktuell tätig als Senior Software Engineer bei der Firma Volume Graphics GmbH in Heidelberg. Geboren 1972, Studium der Physik und Mathematik an der RWTH Aachen Professorin an der Hochschule Karlsruhe, Institut für Computational Engineering Arbeits-/Forschungsschwerpunkte: Computational Materials Science and Engineering, Modellierung und Simulation. Volume Graphics GmbH, Wieblinger Weg 92a, Heidelberg, Hochschule Karlsruhe, Institut für Computational Engineering, Moltkestraße 40, Karlsruhe, SurfRec wie Bilder dreidimensional werden 3D-Computersimulation die Entdeckung von Eigenschaften metallischer Werkstoffe Dreidimensionale virtuelle Modelle werden in vielen Bereichen eingesetzt, in denen es wichtig ist, dem Betrachter ein möglichst realitätsnahes Bild zu geben: im E-Commerce, beim Vermessen von Objekten, bei Spezialeffekten im Film. Der Bedarf an Modellen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Ihre schnelle, automatische Generierung aus Fotos und Videos bietet eine Reihe von Vorteilen: Es ist keine Hardware zum Einscannen erforderlich, die Technik ist flexibel und vielseitig einsetzbar und die Größe der zu scannenden Objekte unterliegt keinen Einschränkungen. SurfRec ist eine Software, die 3D-Modelle vollautomatisch aus Fotos und Videos erzeugt. Bei der Entwicklung der Software waren Geschwindigkeit und vollautomatischer Ablauf der Rekonstruktion die wesentlichen Kriterien Ergebnis: SurfRec schafft eine komplette Rekonstruktion typischer Bildsequenzen in nur wenigen Sekunden. Dies geschieht durch die automatische Extraktion der Bild-Charakteristika, die über die ganze Bildsequenz verfolgt werden. Anhand der Relation dieser Merkmale werden die Parameter der Kamera berechnet, mit der die Bildsequenz aufgenommen wurde. Ein besonders schneller Korrelationsalgorithmus ordnet in Bildpaaren jedem Pixel den korrespondierenden Pixel zu. Durch Triangulation erhält man die 3D-Position der Punkte, wodurch dichte 3D-Punkte von Teilansichten entstehen, die sich stark überlappen, sehr verrauscht und grob fehlerhaft sind. Durch die Vielzahl der Bildpaare entsteht eine 3D-Punktewolke, aus der ein Oberflächenmodell berechnet wird. Ein neu entwickeltes Verfahren generiert daraus Cluster und propagiert aus den Teilmodellen Konnektivitätsinformationen, um dann als erste Approximation ein grobmaschiges Dreiecksnetz zu erzeugen. In der Regel weist das rekonstruierte Modell aufgrund von Verdeckungen oder unzureichender Textur Löcher auf. Die Software schließt diese automatisch, sodass eine plausible Oberfläche entsteht. Die Oberfläche wird mit einer mathematischen Funktion beschrieben, die die rekonstruierten 3D-Punkte optimal approximiert. Um den fotorealistischen Eindruck des Modells zu erhöhen, wird die Textur aus der Bildsequenz extrahiert bzw. an den Stellen, die in den Bildern verdeckt sind, synthetisiert. Die fertigen Modelle werden in gängigen Dateiformaten ausgegeben und sind mit üblicher Software oder in Rapid-Prototyping-Systemen verwendbar. Dieses Simulationsprogramm zur digitalen Modellierung und Simulation ist in mehreren Punkten innovativ: Es läuft eigenständig auf Linux-Systemen, wobei der auf einem sehr allgemein formulierten mathematisch-physikalischen Modell basierende 3D-Simulator erstmalig die Computersimulation und grafische Visualisierung der Kristallisationsprozesse während der Erstarrung metallischer Werkstoffe aus der Schmelze ermöglicht. Bislang war es nicht möglich, die Ausbildung der Mikrostruktur in metallischen Werkstoffen zu beobachten; die Intransparenz des Materials und die hohen Schmelztemperaturen haben dies nicht zugelassen. Daher liefern die Ergebnisse, die mit dem 3D-Simulator erzielt werden können, wertvolle Erkenntnisse für bislang nicht bekannte Mechanismen der Gefügeausbildung und der wechselseitigen Einflussgrößen zwischen den Prozessbedingungen, die zur Herstellung von Gussteilen eingesetzt wurden. Der Simulator ermöglicht die Reduzierung von zeit-, kostenund ressourcenintensiven Experimenten. Das vielseitige Potenzial und die Perspektiven der entwickelten Modellierungs- und Simulationsmethode sind sowohl für Anwender aus der Industrie der Software- und Metallbranche als auch für experimentelle und theoretische Arbeitsgruppen von Universitäten und Forschungseinrichtungen von großem Interesse. Es bestehen bereits zahlreiche intensive Kooperationen und gemeinsame Anwendungsfelder. Das Simulationsprogramm ist in drei Bereiche strukturiert: Pre-, Main- und Post-Processing. Innerhalb des Pre-Processings werden materialspezifische Daten und Simulationsparameter auf einer benutzer- und anwenderfreundlichen Oberfläche eingegeben. Im Main- Processing werden partielle Differenzialgleichungen zur Modellierung der Kristallzustände sowie des Massen- und Wärmetransportes numerisch gelöst. Zur Reduktion der Rechenzeit und des Speicherbedarfs wurden sowohl Optimierungsverfahren wie Adaptivität und Mehrgittermethoden als auch Parallelisierungskonzepte wie MPI (Message Passing Interface) verwendet. Hierdurch wird ein effektiver Einsatz von Linux-Clustern und Hochleistungsrechnern gewährleistet. Das anschließende Post-Processing ist durch eine übersichtliche Benutzeroberfläche anwenderfreundlich gestaltet und konzentriert sich auf die grafische Visualisierung mit einem OpenGL Viewer und die Auswertung der Material- und Prozesskenngrößen.

16 28 Prof. Dr. Peter A. Henning Lasse Scherffig 29 Leiter media::lab, Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Forschungsschwerpunkte: Visualisierung und Semantik, elearning. Geboren 1978, Studium der Kognitionswissenschaften und Medieninformatik (M.Sc.) ist künstlerischwissenschaftlicher Mitarbeiter am Lab3 der Kunsthochschule für Medien in Köln. Er arbeitet dort an einer Promotion zur Mensch-Maschine-Interaktion. Hochschule Karlsruhe, media::lab, Moltkestraße 30, Karlsruhe, ZKM Zentrum für Kunst und Medientechnologie, Lorenzstraße 19, Karlsruhe, WB3 Visualisierung von Siedlungsstrukturen EyeVisionBot per Blick-Klick durch Bilddatenbanken Die öffentliche Verwaltung verfügt mit ihren Grundstücks- und Gebäudedaten über einen großen Wissensschatz, der nicht optimal genutzt wird. Mit WB3 werden diese Daten hingegen so verwaltet, dass sie von verschiedenen Zielgruppen und bei unterschiedlichen Fragestellungen genutzt werden können. Fachliche und politische Planer, Eigentümer von Objekten und in eingeschränktem Maße auch die Öffentlichkeit erhalten dabei über ein einfaches Web-Interface Zugriff auf tabellarische Daten von Grundstücken und Gebäuden, zweidimensionale grafische Ansichten von Grundstücks- und Gebäudeflächen sowie dreidimensionale Ansichten von Gebäuden, Stadtteilen und ganzen Städten. Die Zugriffsrechte werden über ein rollenbasiertes Sicherheitskonzept gesteuert, das dem Datenschutz Rechnung trägt. Die grafischen und dreidimensionalen Daten werden dabei in unterschiedlichen Detaillierungsgraden angezeigt, wobei keine aufwendige manuelle Modellierung notwendig wird. Beispielsweise werden sie beim niedrigsten Detaillierungsgrad im Augenblick des Abrufes aus den zweidimensionalen Katasterdaten erzeugt. Wird für ein beliebiges Gebäude noch eine Firstlinie definiert, zum Beispiel durch eine automatisierte Auswertung von Luftbildern, erzeugt das System WB3 daraus eine realistische dreidimensionale Dachform und ergänzt die Datenbank entsprechend. Dadurch bietet WB3 eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, von der abstrakten Städteplanung angefangen über das Marketing von Gewerbeflächen bis zur Simulation neuer Siedlungen. Die grafische Darstellung erfolgt in verschiedenen Beschreibungssprachen: SVG für beliebig genaue Stadtpläne, X3D für die unmittelbare 3D-Betrachtung, COLLADA und KML für die Einbindung ganzer Stadtmodelle in Google Earth sowie CityGML für den Austausch mit anderen Systemen. Aufgrund seines modularen Aufbaus ist das vollständig XML-basierte WB3 deshalb auch der Prototyp eines neuen Geoinformationssystems, das sich auf einfachste Weise auch mit elektronischen Geschäftsprozessen in der Verwaltung verschränken lässt. Aktuell wird mit einer Kommune über den Einsatz verhandelt, eine Vorführung im Planungsausschuss des Regionalverbandes Mittlerer Oberrhein ist angesetzt. EyeVisionBot ist eine auf Blickerfassung beruhende Benutzerschnittstelle zur Bildersuche. Mit ihr ist es möglich, allein durch das Betrachten von Bildern durch Bilddatenbanken zu navigieren. Der Benutzer wird individuell durch eine Bilddatenbank geführt, die in ihrer Gesamtheit sehr umfangreich ist. Das System adaptiert die Interessen und Intentionen des Benutzers, die es durch das Abtasten des Blickkontaktes interpretiert: So stellt eine hochkomplexe Technik ein gänzlich intuitives Bedienkonzept zur Verfügung und lässt das Suchen in der Bilddatenbank zu einem Erlebnis werden. EyeVisionBot präsentiert auf einer Projektion zunächst eine zufällige Auswahl von Bildern, die aus einer Datenbank oder dem Internet stammen. Das System verfügt über eine selbstkalibrierende Blickerfassungseinheit, die es gestattet, die Verweilzeiten des Blicks auf den einzelnen Bildern aufzuzeichnen. Die summierten Blickzeiten dienen zur Abschätzung der gesuchten Bildkategorie. Ein adaptiver Algorithmus generiert aus den Blickzeiten nach gewisser Zeit Suchanfragen für neue Bilder. Diese beruhen sowohl auf Schlagwörtern als auch auf der strukturellen Ähnlichkeit der bisher betrachteten mit den vermutlich gesuchten Bildern. Die Ergebnisse der Suchanfragen ersetzen anschließend die bisher dargestellten Bilder. In permanenten Suchschleifen verfeinert sich die Suche. Ein Zufallselement verhindert dabei eine zu starke Einengung der Bildauswahl. EyeVisionBot wurde von Hans H. Diebner, Sebastian Fischer und Lasse Scherffig am Institut für Grundlagenforschung des Zentrums für Kunst und Medientechnologie (ZKM) in Karlsruhe entwickelt. Das 2005 aufgelöste Institut verfolgte ein Forschungsprogramm, das wissenschaftliche Methodik und künstlerische Praktiken verband. Hans H. Diebner führt die Arbeit am Institut für Neue Medien in Frankfurt/Main weiter. EyeVisionBot ist zurzeit im Medienmuseum des ZKM im Einsatz. Nach Abschluss der Museumsinstallation haben Sebastian Fischer und Lasse Scherffig die Open-Source-Software openbaar publiziert, die sowohl per Blickerfassung als auch per Maus steuerbar ist. Damit wurde die Verbreitung der Software für weitere Benutzer- und Entwicklerkreise begonnen. Die Weiterentwicklung von EyeVisionBot zu einer marktgerechten Version mit Eye-Tracking sowie die Erweiterung des Konzeptes auf die Navigation in Video-Datenbanken sind in der Antragsphase.

17 30 Prof. Dr. Kurt Eberle FlexiDict Wie Sprachen sich verständigen Dr. Rainer Pflaum TippyTerm Terminologiemanagement tipp-topp Pedram Azad Integrating Vision Toolkit Moderne Architektur für Bildverarbeitungsbibliotheken Dr. Hubert Lehmann IntelliDict das Ende der Übersetzungskuriositäten Prof. Dr. Steffen Staab Bibster Bibliografische Informationen Peer-to-Peer Prof. Dr. Thomas Ottmann Authoring on the Fly Wissenstransfer über physische Grenzen hinaus Prof. Dr. Jörg Homberger AntTour Lastwagen lernen von Ameisen Dr. Thomas Ott IUWA Abfallmanager den Stoffkreislauf hochwertig und regional-engräumig schließen Prof. Dr. Günter Haag stasaqc die Zukunft der Bauteilbeurteilung hat begonnen Prof. Dr. Peter Dadam ADEPT Prozess-Management-Technologie der nächsten Generation Prof. Dr. Rainer Koschke Bauhaustechniken höhere Produktivität bei Wartungsingenieuren durch Corporate Memory Thomas Horn GenomeRNAi Die Suche nach dem genetischen Gegenspieler Prof. Dr. Daniel Huson SplitsTree4 Die Evolution aus phylogenetischer Sicht Rainer Jäger Generische Signalanalyse in der Bioinformatik oder: Wie aus Daten Wissen wird Kornél Markó suitsearch die exakte Findemaschine Thilo Stäbler Digitale Videodokumentation Qualitätssicherung im Operationssaal Datenbanken/Data Mining 09 31

18 32 Prof. Dr. Kurt Eberle Dr. Rainer Pflaum 33 Geboren 1954, Dipl.-Mathematiker Promotion und Habilitation am Institut für Maschinelle Sprachverarbeitung, Universität Stuttgart Privatdozent am Seminar für Computerlinguistik, Universität Heidelberg Gründungsmitglied, Gesellschafter und Leiter des Bereichs Übersetzungstechnologie der Lingenio GmbH, Heidelberg. Syskon Systemlösungen GmbH, Konstanz Arbeits- oder Forschungsschwerpunkte. Lingenio GmbH, Postfach , Heidelberg, SysKon Systemlösungen GmbH, Brandenburger Str. 1, Konstanz, FlexiDict wie Sprachen sich verständigen TippyTerm Terminologiemanagement tipp-topp Wer häufiger fremdsprachliche Texte erstellt, kennt die beiden größten Probleme: Auf der Suche nach einer angemessenen Übersetzung eines mehrdeutigen Wortes müht man sich durch einen großen Wörterbucheintrag, bis man eine Übersetzung findet, die stimmen könnte doch ein Rest Unsicherheit bleibt. Die IntelliDict-Technologie von Lingenio (vgl. Seite 35) ist ein interaktives, intelligentes Wörterbuch und löst das erste, das Orientierungsproblem von herkömmlichen Wörterbüchern. Allerdings löst es nur in Einzelfällen das zweite Nachschlageproblem: die Frage nach der Zuverlässigkeit der Übersetzung. IntelliDict kann kaum deutlich machen, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass der Übersetzungsvorschlag tatsächlich richtig ist. Häufig sind die verwendeten Übersetzungskriterien zu komplex, um durch einige exemplarische Textstellen oder zur Gänze durch technische Einschränkungshinweise wiedergegeben werden zu können. Dieses Verlässlichkeitsproblem löst FlexiDict, das neue interaktive Wörterbuch mit flexibler Anzeige. Es extrahiert aus der Menge der Übersetzungskriterien diejenigen, die im Suchkontext greifen, und generiert daraus einen Beispielsatz oder -ausdruck. Gleichzeitig zeigt FlexiDict an, welche und wie viele Hinweise aus dem Text in welcher Weise verantwortlich sind für die Auswahl des Zielworts. Dabei werden unterschiedliche Typen von Bedingungen durch jeweils andere (wählbare) Formatierungen hervorgehoben, beispielsweise so, dass semantische Einschränkungen blau, verlangte Vorkommen eines bestimmten Wortes rot und alle weiteren strukturellen Einschränkungen grün wiedergegeben werden. Durch Klicken auf die Markierungen werden alternative Möglichkeiten eingeblendet, durch Doppelklicken auf semantische Einschränkungen entsprechende Wortvertreter. Die Wahl einer Alternative aus der Vorschlagsliste erzeugt automatisch neue Beispiele, die dem Bedingungsgefüge des Worteintrags entsprechen und zu anderen Übersetzungen führen können, die dann ebenfalls angezeigt werden. FlexiDict funktioniert, indem es den Satz, in dem das nachzuschlagende Wort vorkommt, grammatikalisch analysiert, ferner dessen Übersetzungsbedingungen im Lexikon auswertet und mit Hilfe der Grammatiken von Ausgangs- und Zielsprache ein Beispiel konstruiert, das den in Frage stehenden Kontext optimal einfängt. Die von SysKon entwickelte Softwarelösung TippyTerm ermöglicht ein zentrales und konsequentes Terminologiemanagement und vereint Datenbank, Extraktionsassistent sowie TermChecker in einem einzigen schlanken Tool. Als erstes System arbeitet TippyTerm mit allen textorientierten Windows-Applikationen zusammen und ermöglicht Terminologiearbeit in verschiedenen Sprachen nicht nur innerhalb der Office-Familie, sondern auch in s, Stücklisten, Zeichnungen und Präsentationen. Die Bedeutung einer kontrollierten Terminologie als Prämisse für effiziente Fachkommunikation ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen, da sich in jedem Unternehmen eine individuelle Corporate Language entwickelt, die besonders in technischen Bereichen durch Fachwörter und Phraseologien geprägt ist. Ein zentrales Terminologiemanagement ermöglicht die Standardisierung dieser Fachterminologie und ist Voraussetzung für eine homogene Kommunikation nicht nur innerhalb des Unternehmens, sondern auch mit den Kunden. Sie unterstützt auch eine konsistente Markendarstellung und hilft, Fehlinterpretationen bereits im Entwicklungs- und Testprozess zu vermeiden. Letztendlich ist sie auch wesentlich für eine unmissverständliche Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen. Im Unternehmensalltag wird terminologische Zusammenarbeit trotz progressiver Bedeutung oft auf das Segment Übersetzung und Mehrsprachigkeit reduziert. In diesem Bereich summieren sich vermeidbare Kosten, sodass eine Vereinheitlichung ganz im Sinne des Unternehmens ist. Bei der Produktentwicklung verstehen sich die Experten zwar untereinander und kennen die Fachbegriffe in der eigenen Sprache; dennoch benutzen sie auch eigene, nicht standardisierte Termini und pflegen damit ein unternehmensinternes Sprachund Wissensmonopol. Da aber Dokumentationen und Übersetzungen von anderen Abteilungen geregelt werden, bleiben oftmals Ansprechpartner und linguistische Quellen unklar. Dieser Sprachumgang widerspricht dem Prozess der Zentralisierung und Homogenisierung, mit der Glossare und Synonymsammlungen strukturiert gesammelt werden sollen. Sein Resultat sind unternehmensweite Terminologieprobleme, die erst beseitigt werden, wenn die konsequent festgelegte Firmenterminologie von allen Mitarbeitern akzeptiert wird und unternehmensweit eine Anwendungssoftware verfügbar ist. TippyTerm ist dafür bestens geeignet.

19 34 Pedram Azad Dr. Hubert Lehmann bis 2003 Studium der Informatik an der Universität Karlsruhe. Nach einem halbjährigen Aufenthalt als Austauschwissenschaftler am ATR in Kyoto, Japan, ist er seit 2005 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl von Prof. Rüdiger Dillmann (IAIM), Universität Karlsruhe, tätig. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der visuellen Perzeption für humanoide Roboter. Geboren 1948, Studium der Linguistik, Mathematik und Philosophie in Stuttgart und Buffalo, NY Arbeit bei IBM Deutschland an Projekten über Zugang zu Datenbanken in natürlicher Sprache, Expertensysteme, lexikalische Datenbanken und maschinelle Übersetzung Mitgründer der Lingenio GmbH, Heidelberg, seither auch Geschäftsführer. Institut für Industrielle Anwendungen der Informatik und Mikrosystemtechnik (IAIM), Haid-und-Neu-Str. 7, Karlsruhe, Lingenio GmbH, Postfach , Heidelberg Integrating Vision Toolkit moderne Architektur für Bildverarbeitungsbibliotheken IntelliDict das Ende der Übersetzungskuriositäten Das Integrating Vision Toolkit (IVT, ist eine am Lehrstuhl Prof. Dillmann entwickelte Open-Source-Bildverarbeitungsbibliothek. Sie unterstützt vollständig die Betriebssysteme Windows, Linux und Mac OS sowie die Anbindung diverser, heutzutage gängiger Kameras. Das Novum des IVT gegenüber anderen Bildverarbeitungsbibliotheken besteht in ihrer objektorientierten Softwarearchitektur, die sämtliche notwendige Infrastruktur über sauber definierte Schnittstellen zur Verfügung stellt. Die derzeit wohl bekannteste Bildverarbeitungsbibliothek ist die OpenCV. Trotz ihres breiten Funktionsspektrums liegt ihr keine moderne Softwarearchitektur zugrunde: Da beispielsweise keine Schnittstelle für den Bildeinzug definiert ist, kann kein eigenes Kamera- Modul implementiert werden. Auch existiert keine einheitliche Konvention für Bildformate, was den Austausch von Bildquellen deutlich erschwert. Des Weiteren existiert keine Bibliothek, die die Parameter für die Kameraabbildungsfunktionen aus einer einheitlichen Kamerakalibrierung für beliebige Kameras zur Verfügung stellt. Schließlich fehlt den Bildverarbeitungsbibliotheken meist die Anbindung einer geeigneten Bibliothek für die Anbindung grafischer Benutzeroberflächen. In der Praxis bedeutet dies: Jeder, der mit der Entwicklung von anspruchsvollen Bildverarbeitungsapplikationen beginnen will, verliert viel Zeit mit der Implementierung von Basisfunktionalität. All diese Defizite behebt das IVT durch die Zusammenführung von Bildverarbeitung und modernem objektorientiertem Softwaredesign. Das IVT wird bereits an mehreren Instituten der Fakultät für Informatik der Universität Karlsruhe im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 588 Humanoide Roboter angewendet sowie innerhalb des EU-Projektes PACO-PLUS. Auch am Advanced Telecommunications Research International (ATR) in Kyoto, Japan, wird das IVT eingesetzt. Im Jahr 2006 erschien Computer Vision Das Praxisbuch (Azad, Gockel, Dillmann), dem im praktischen Teil das IVT zugrunde liegt, dessen Anwendung in zahlreichen Beispielapplikationen dem Leser nahe gebracht wird. Die steigende Zahl der Downloads des IVT auf Sourceforge zeigt die zunehmende Verbreitung weltweit. Immer wieder bestätigen Nutzer, dass das IVT zu einer deutlichen Produktivitätssteigerung führt, und zeigen mit sehr positivem Feedback den Erfolg des Konzeptes. Wer hat sich nicht schon gewünscht, wenn er sich in einem herkömmlichen Wörterbuch mühsam durch einen umfangreichen Eintrag kämpft, dass ihm unmittelbar die passende Übersetzung ins Auge springt? Lingenio hat ein elektronisches Wörterbuch mit der neuartigen IntelliDict-Technologie entwickelt, die genau das leistet. Die Anwendung ist denkbar einfach: Man wählt im Textverarbeitungsprogramm oder im Browser ein Wort aus, drückt auf eine Taste und das intelligente Wörterbuch berücksichtigt die semantische Umgebung des Wortes, um die für diesen Zusammenhang passende Übersetzung zu ermitteln. Sie wird im Wörterbucheintrag durch einen gelben Pfeil hervorgehoben das macht das Nachschlagen von Wörtern komfortabel und spart Zeit. Das neuartige Verfahren kann auch mehrteilige Ausdrücke erkennen, selbst wenn die Teile nicht unmittelbar nebeneinander stehen, und sogar Redewendungen. Damit erleichtert es insbesondere denjenigen, die eine Fremdsprache noch nicht gut beherrschen, Zusammenhänge zu erkennen und Texte schneller zu verstehen oder zu verfassen. Die IntelliDict-Technologie analysiert den Satz, in dem das nachzuschlagende Wort vorkommt, grammatikalisch. Auf dieser Basis wertet sie sehr detailliert formulierte Übersetzungsbedingungen aus, um die treffendste Übersetzung zu ermitteln. Für diese Methode werden umfangreiche, sehr genaue Grammatiken benötigt, die Informationen zu Morphologie, Grammatik und Semantik enthalten. Solche Grammatiken und Wörterbücher hat Lingenio ursprünglich für maschinelle Übersetzungsprogramme entwickelt und hier auf neuartige Weise eingesetzt. Lingenio hat die IntelliDict-Technologie im Frühjahr 1995 in die Produkte der Reihe office wörterbuch für die Sprachen Englisch und Französisch integriert und zusammen mit seinem Partner digital publishing AG auf den Markt gebracht. In kürzester Zeit gehörten die Produkte zu den meistverkauften elektronischen Wörterbüchern in Deutschland. Die Mitarbeiter von Lingenio haben sich mit diesem Erfolg nicht zufriedengegeben, sondern machten mit FlexiDict den nächsten Schritt: Entsprechend zum Kontext des gesuchten Wortes wird nicht nur die passende Übersetzung angezeigt. Es werden zusätzlich automatisch Beispiele erzeugt, die verdeutlichen, warum die gewählte Übersetzung passt, und die das Sprachgefühl des Benutzers schulen (vgl. Seite 32).

20 36 Prof. Dr. Steffen Staab Geboren 1970, Studium der Informatik in Erlangen und Philadelphia, Abschluss M.S.E.; Promotion in Freiburg; Habilitation in Karlsruhe (Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB)) Universität Koblenz Arbeitsschwerpunkte: Semantic Web, Ontologien, Semantic Multimedia, Peer-to-Peer, Semantische Modellierung von Diensten (SOA) und Software (MDE). Inhaber des Lehrstuhls Algorithmen und Datenstrukturen, Universität Freiburg, Institut für Informatik Forschungsinteressen: Algorithmen und Datenstrukturen, insbesondere Algorithmische Geometrie; Multimedia-Systeme und Einsatz von Rechnern für Unterrichtszwecke. Prof. Dr. Thomas Ottmann 37 Institut für Informatik, Universität Koblenz-Landau, Koblenz, Institut für Informatik, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Georges-Köhler-Allee, Gebäude 51, Freiburg Bibster bibliografische Informationen Peer-to-Peer Authoring on the Fly Wissenstransfer über physische Grenzen hinaus Bibster ist ein System, das es Wissenschaftlern erlaubt, ihre bibliografischen Informationen bereitzustellen und über die Grenzen von Arbeitsgruppen und Organisationen hinweg abzufragen, ohne dass irgendeine neue Infrastruktur dafür geschaffen werden müsste. Das System arbeitet vollkommen dezentral mit einem Peer-to-Peer-Verfahren. Das bedeutet, dass ein Benutzer von Bibster bibliografische Referenzen aus bestimmten Formaten einlesen, per Hand mit weiteren Referenzen ergänzen und das gesamte Netzwerk dazu anfragen kann. Die Anfragen können über Stichworte verlaufen wie auch strukturiert, sowohl personen- als auch themenbezogen je nachdem, ob es für die jeweilige Arbeit sinnvoller ist, nach den Zeitschriftenbeiträgen eines bestimmten Wissenschaftlers zu forschen oder eine thematische Anfrage zu starten. Da jeder Wissenschaftler für seine eigenen Schriften Referenzen zu anderen Arbeiten sammeln muss, bedeutet die Verwendung von Bibster keinen erhöhten Zeitaufwand im Gegenteil: Mit Bibster kann er seine Abfrageergebnisse direkt in seinen Schriften verwenden und die Rechercheergebnisse ohne irgendeinen Aufwand an seine Kollegen zur Mehrfachnutzung weitergeben. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile: Denn Bibster wird ohne Verwaltungsaufwand betrieben und kann immer so aktuell sein, wie Forschungsarbeiten im Laufe der Zeit von anderen Personen referenziert werden. Dies hebt Bibster positiv von anderen zentralisierten bibliografischen Sammlungen ab, zum Beispiel vom Digital Bibliography and Library Project (DBLP), der Online-Bibliographie zu Datenbanken oder von Fachinformationszentren wie dem FIZ Karlsruhe. Das Prinzip, auf das Bibster baut, ist nicht auf bibliografische Informationen beschränkt. Es existiert ein Schwestersystem, das nicht auf das Teilen von bibliografischen Informationen ausgelegt ist, sondern auf das Teilen von und Suchen nach Dokumenten sowie auf die Visualisierung von Recherche-Resultaten. Derzeit wird Bibster im Nachfolgesystem Tagster (http://isweb.uni-koblenz.de/research/tagster) weiterentwickelt, um nicht nur Informationen nach vorgegebenen Schlagworten klassifizieren zu können, sondern beliebige Tags zu verwenden. Über die Statistik der Tag-Verwendung und die sozialen Netze soll eine bessere Filterung der Inhalte im Peer-to-Peer-System erreicht werden. Authoring on the Fly (kurz: AOF) das sind Idee und Konzept, technisches Modell und Systemarchitektur einer neuartigen Form der effizienten Erstellung und Distribution von Wissen in digitaler Form. Mit AOF lassen sich Präsenzveranstaltungen oder Studioproduktionen jeglicher Art aufzeichnen, wobei AOF alle verfügbaren Informationsquellen und Materialien wie Folien, Texte, Bilder, Animationen, Videos und die Stimmen von Personen nutzt. AOF kann auch das in den Köpfen von Fachexperten, Trainern oder Dozenten versteckte Wissen explizieren, situationsunabhängig vorhalten und Interessenten zugänglich machen. Multimediale Wissensbausteine und Lehrmodule sind die Ergebnisse. Sie können zeit- und ortsunabhängig zur Kommunikation, zur Weiterbildung oder zum Wissenstransfer genutzt werden. LECTURNITY ist eine bei der imc AG in Freiburg realisierte Umsetzung des AOF- Konzepts. Es wird dort von ehemals bei Prof. Ottmann beschäftigten Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Rainer Mueller ständig weiterentwickelt. LECTURNITY wird heute in mehreren hundert Installationen an Hochschulen und Unternehmen im In- und Ausland genutzt. Einsatzgebiete sind die technologiegestützte Aus- und Weiterbildung, produktnahe Schulungen und der Wissenstransfer über physische Grenzen hinaus. Damit demonstriert es den erfolgreichen Wissens-, Technologie- und Personaltransfer aus der universitären Grundlagenforschung in ein forschungsnahes unternehmerisches Umfeld. Seit der Implementierung von LECTURNITY sind durch Anregungen aus dem Hochschul- und Unternehmensumfeld vielfältige, grundlegend neue Funktionen hinzugefügt worden. Dazu gehört unter anderem die Nachbearbeitung von Dokumenten, die Erweiterung von Dokumenten um Interaktion, Testing oder Aufzeichnungen beliebiger Applikationen sowie die Bereitstellung dieser Dokumente in verschiedenen Standardformaten und für unterschiedliche Einsatzzwecke. AOF ist weiterhin Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Ergebnisse mit Marktpotenzial fließen direkt in die Produktentwicklung ein, Resultate mit Forschungscharakter werden in sehr enger Kooperation mit dem Lehrstuhl Algorithmen, Datenstrukturen und Multimedia am Institut für Informatik der Universität Freiburg und der imc AG gemeinsam publiziert und bis zur Marktreife weiterverfolgt.

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