DAAD RISE Weltweit Forschungspraktikum in Taiwan

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2 DAAD RISE Weltweit Forschungspraktikum in Taiwan Advanced Institute of Manufacturing with High-Tech Innovations (AIM-HI) National Chung Cheng University (CCU), Chiayi Medical Image Registration with Genetic Algorithms

3 Abschlussbericht Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeiner Teil Reisevorbereitungen Visum Geld Ankunft Unterkunft Tägliches Leben Persönliche Eindrücke Fachlicher Teil Ziel des Forschungspraktikum Genetische Algorithmen Begriffserklärung Prinzip Forschungsprojekt Schlusswort...15

4 1. Allgemeiner Teil Meinen 12 wöchigen Forschungsaufenthalt, welcher vom DAAD gefördert wurde, verbrachte ich in Taiwan. Ich absolvierte mein Praktikum an der National Chung Cheng University (CCU) im Computer Science Department. Die CCU liegt im Landkreis Chiayi, welcher sich im zentral westlichen Teil von Taiwan befindet. Begleitet wurde mein Aufenthalt vom Advanced Institute of Manufacturing with High-Tech Innovations (AIM-HI), welches mir in jeglichen organisatorischen Dingen, sowie während meines Aufenthalts immer zur Seite stand. 1.1 Reisevorbereitungen Die Vorbereitungen für meinen Forschungsaufenthalt waren relativ einfach gehalten. Nach Erhalt der Stipendienzusage galt es den ersten Kontakt mit meinem betreuenden Professor vor Ort, sowie meiner Betreuung aus dem AIM-HI Office herzustellen. Zunächst musste der genaue Zeitraum festgelegt und an den DAAD weitergeleitet werden. Nach kurzem verkehr, Klärung einiger Fragen und Festlegung des Zeitraums galt es danach mein Flug zu buchen. Mit definitiven Ein- und Ausreise-Daten konnte ich dann mein Visum beantragen (siehe 1.2 Visum). Spezielle Impfungen waren für Taiwan nicht notwendig. Es gab lediglich Empfehlungen von meinem Arzt über Zusatzimpfungen, die über die normalen Standartimpfungen hinaus ragten. Zu diesen zählten Hepatitis A, Hepatitis B, Tollwut sowie Japanische Enzephalitis und Typhus. Es ist jedem selbst überlassen, welche Impfungen man für nötig hält. Man sollte nur genug Zeit im Voraus einplanen, falls man mehrere Impfungen machen möchte. Die meisten Impfungen hatte ich vor Taiwan schon, somit entschied ich mich zusätzlich nur gegen Japanische Enzephalitis, eine von mückenübertragene Krankheit (2 Impfungen, mit 4 Wochen Pause zwischen den Impfungen) impfen zu lassen. Kurz vor meiner Abreise habe ich dann lediglich noch Kleinigkeiten besorgt und erledigt. Zu den Besorgungen zählte unter anderem Sonnenschutz und Moskitospray. Da in Taiwan saisonbedingt verstärkt Dengue-Fieber Mücken auftreten, ist es sinnvoll gutes Anti-Moskito- Spray mit sich zu führen. Besonders im südlichen Taiwan (Region um Tainan) gibt es vermehrt Dengue Erkrankungen. Der einzige Schutz vor den tag- und nachtaktiven Mücken ist angepasste Kleidung und geeignetes Mückenspray. Ein weiterer Punkt, welchen ich vor meiner Reise erledigt habe, war das Eröffnen eines Student Kontos, mit dem ich in Taiwan kostenlos Geld abheben konnte (siehe 1.4 Geld). 1.2 Visum Für Aufenthalte unter 90 Tagen in Taiwan braucht man als Deutscher vorher kein Visum beantragen. Es reicht lediglich der Reisepass, welcher noch mindesten 6 Monate gültig sein muss und ein bestätigter Weiter- bzw. Rückflug. Bei der Einreise erhält man am Flughafen ein kostenloses Touristenvisum. Da mein Forschungsaufenthalt jedoch 12 Wochen dauern sollte und ich danach noch ein wenig das Land bereisen wollte, musste ich vor Abreise ein kostenpflichtiges Visum für meinen Aufenthalt beantragen. Um das Visum in Deutschland Seite 2

5 beim Konsulat beantragen zu können, erklärte mir das AIM-HI, dass ich eine Bestätigung vom Ministry of Education (MOE) aus Taiwan benötigte. Um diese Genehmigung vom MOE zu erhalten, musste ich eine Kopie meines Reisepasses, einen Trainingsplan, sowie eine Bescheinigung meiner Heimatuniversität, welche mir beglaubigte, das es sich bei dem Forschungsaufenthalt um ein Pflichtpraktikum innerhalb meines Studiums handelte, an das AIM-HI schicken. Nach etwa 2 Wochen erhielt ich vom Office ein Schreiben, in dem mir MOE eine Praktikumserlaubnis für mein Forschungsprojekt erteilte. Mit diesem Dokument konnte ich daraufhin mein Visum bei der zuständigen Taipeh Vertretung 1 beantragen. Um jegliche Missgeschicke bei der Visumsbeantragung zu vermeiden, klärte ich in einem kurzen Telefonat mit der Vertretung, welches Visum ich genau beantragen musste und welche Dokumente ich dafür benötigte. Zur Beantragung eines Visitor Visa for Internship Purpose musste ich die benötigten Unterlagen 2 an die taiwanesische Vertretung schicken bzw. diese direkt vor Ort abgegeben. Die Visagebühren betrugen 43 Euro für ein Visum für eine einmalige Einreise bzw. 86 Euro für ein Visum für mehrmalige Einreise 3 und konnten per Überweisung gezahlt werden. Die Bearbeitungszeit bestand lediglich aus drei Werktagen und nach 4 Tagen hielt ich mein Reisepass mit entsprechendem Visum für 150 Tage in meinen Händen. 1.3 Geld Um in Taiwan zu jeder Zeit kostenlos Geld abheben zu können, beantragte vor meiner Abreise ein neues Konto. Das Studenten Konto bot kostenlos eine Visa Karte mit integriertem internationalem Studentenausweis (ISIC). Mit Hilfe dieser Visa Karte kann man weltweit kostenlos an Visa Geldautomaten Geld abheben. Das Beantragen ging online sehr reibungslos und nach 3 Wochen hatte ich jegliche Unterlagen und Karten per Post zu erhalten. Per online Banking kann man zu jederzeit Geld auf die Kreditkarte schieben und dies sofort am Automaten in Taiwan ohne Probleme abheben. Die Beantragung hat sich für Taiwan wirklich gelohnt und auch der Wechselkurs mit dem das Geld abgebucht wird ist wirklich immer gut, vor allem im Vergleich zu direkten Wechselbüros. 1.4 Ankunft Wie die Ankunft und der Transport vom Taoyuan Flughafen in Taipeh zur CCU ablaufen sollte, wurde mir im Vorfeld vom AIM-HI erklärt. Ich wurde mit ausreichend Informationen vor meiner Abreise versorgt. Nach meiner Ankunft am Taoyuan Flughafen musste ich mit einem Bus zur Taoyuan Station des Taiwan High-Speed Railways (THRS). Der THRS ist ein 1 Es gibt vier Taipeh Vertretungen in Deutschland. Unter folgendem Link können die jeweiligen Vertretungen, ihre Kontaktdaten und zusätzliche Informationen gefunden werden: 2 Benötigte Unterlagen für ein Visitor Visa for Internship Purpose : Reisepass, online ausgefülltesausgedrucktes Beantragungsformular ( ), Hin- und Rückflugtickets, 2 Passfotos, Nachweis einer Reisekrankenversicherung, Approval of Ministry of Education, Nachweis über finanzielle Mittel (in meinem Fall: Stipendienurkunde). Bei postalischer Einreichung: zusätzlich frankierter Rückumschlag. Weitere Informationen unter: 3 Stand: 20. Mai 2015 Seite 3

6 Hochgeschwindigkeitszug in Taiwan, welcher den Norden, also Taipeh, mit der zweitgrößten Stadt Koahsiung im Süden verbindet. Die Busfahrt zum THRS dauerte 30 Minuten und weitere 60 Minunten Zugfahrt später erreichte ich Chiayi Stadt. Dort wurde ich freundlich von zwei Laborkollegen abgeholt und nach kurzer Shoppingtour an meiner Unterkunft abgesetzt. 1.5 Unterkunft Um meine Unterkunft musste ich mich im Vorfeld nicht selber kümmern. Das Studentenwohnheim in dem ich untergekommen bin wurde vom AIM-HI organisiert. Das Studentenwohnheim liegt mit dem Rad etwa 5 Minuten und zu Fuß etwa 15 Minuten entfernt vom Unicampus. Es ist sehr modern und liegt direkt neben Ananasplantagen. Der gesamte CCU Campus ist von Ananasplantagen umgeben, was wirklich schön aussieht. Jeder Student hat in dem Studentenheim sein eigenes möbliertes Zimmer mit kleinem Bad und eigenem Balkon oder Garten. Jedes Zimmer verfügt über ein Bett, einen Kleiderschrank, einen Schreibtisch, ein Regal sowie einen kleinen Kühlschrank. Darüber hinaus gibt es in der Unterkunft freies W-lan, freizugängliche Waschmaschinen, einen Aufenthaltsraum und eine große Dachterrasse, von der man einen wunderschönen Blick auf die Umgebung hat. Eine Möglichkeit selbstständig zu Kochen gibt es in der Unterkunft nicht. Dies ist auch unüblich für Taiwan. Die meisten Studenten gehen außerhalb essen, da dies kostentechnisch billiger ist als selbst zu kochen. 1.6 Tägliches Leben Zum täglichen Leben in Taiwan lässt sich viel sagen. Die National Chung Cheng University ist eine Campus-Universität und beheimatet um die Studenten. Neben einem sehr grünen Campus mit diversen Parks, Alleen und eigenem See, hat die Universität ein reichhaltiges Sportangebot anzubieten. In einem großen Sportkomplex, gibt es zahlreiche Möglichkeiten Sport zu treiben. Von zwei Schwimmbädern, Tennisplatten, Badminton- & Squashfelder über einer Kletterwand, Fitnessstudio, Bowlingbahnen bis hin zu Martial Arts und Cheerleading, ist dort alles zu finden. Das wirklich tolle ist, man kann alles frei nutzen und jegliches Equipment ist zusätzlich kostenlos ausleihbar. Neben dem Sportscenter beheimatet der Campus ein sogenanntes Activity Center. In diesem Komplex sind zahlreiche Restaurants angesiedelt. Von Frühstück bis Abendessen gibt es eine reichhaltige Auswahl, um kostengünstig Essen zu gehen. Zudem findet man dort einen kleinen Supermarkt, eine große Buchhandlung und weitere kleine Shops wie Frisör, Post und eine Bank. Außerhalb des Campus ist außer Ananasfeldern, zwei Essensstraßen mit weiteren vielen kleinen Restaurants und ganz vielen Studentenwohnheimen nicht viel. Täglich drei Mal Essen zu gehen war für mich eine große Umstellung. Der Großteil der Restaurants bot kein ins Englisch übersetztes Menü an und somit war ich auf die Hilfsbereitschaft meiner Kollegen angewiesen. Sie halfen mir aber immer in den zahlreichen Shops das Richtige zu wählen. Die taiwanesische Küche ist sehr vielfältig. Grundnahrungsmittel sind üblicherweise wie auch in anderen Teilen Asiens Reis und Nudeln. Es gibt jedoch viele verschiedene Variationen. Kleine Seite 4

7 Essenstände am Straßenrand boten darüber hinaus auch Waffeln, Maultaschen oder Fruchtshakes an. Zu jeder Mahlzeit wurde meistens gesüßter, kalter Tee getrunken. Dieser wird meistens, genau wie Reis, kostenlos in den kleinen Restaurants zu einer Mahlzeit angeboten. Da Tee überall in Taiwan getrunken wird, sind darüber hinaus überall Teeshops zu finden. Das Leitungswasser ist in Taiwan nicht trinkbar, aber in allen Gebäuden der Universität als auch im Studentenwohnheim sind Trinkwasserspender zu finden, an denen man sich umsonst bedienen kann. Beim Reisen durch das Land ist mir dann zusätzlich auf gefallen, das auch außerhalb der Universität kostenlose Wasserspender zu finden sind. Die Universität liegt etwas außerhalb von Minxiong, einem Vorort von Chiayi. Um größere Einkäufe zu erledigen oder einen normalen Supermarkt zu finden, muss man mit dem Bus nach Minxiong oder gleich bis nach Chiayi Stadt reinfahren. Nach Minxiong benötigt man etwa 15 Minuten und nach Chiayi etwa 45 Minuten mit dem Bus. Es fahren täglich Buse vom Campus zu unterschiedlichen Zeiten über Minxiong nach Chiayi. Freitags und sonntags gibt es darüber hinaus einen kostenlosen Universitätsbus nach Minxiong, um größere Einkäufe zu erledigen bzw. für taiwanesischen Studenten um zum Bahnhof zu kommen. Neben meinem Forschungsprojekt und das reichhaltige Sportangebot auszunutzen, habe ich während meines Taiwanaufenthalts ein weiteres Angebot der Universität genutzt. Die CCU beheimatet ein großes Language Center, in dem viele Sprachkurse angeboten werden. Mit Hilfe des AIM-HI konnte ich zwei angebotene Anfänger-Kurse für Chinesisch belegen. Zwei Mal wöchentlich lernte ich etwas über die Chinesische Aussprache (Pinyin) und wie ich Chinesische Zeichen zu schreiben hatte. 1.7 Persönliche Eindrücke Ich habe viele persönliche Eindrücke während meines Forschungsaufenthalts in Taiwan sammeln können. Vor allem das Taiwanesen sehr hilfsbereit und immer freundlich sind, hat einen bleibenden Eindruck hinterlassen. Ich wurde sehr gastfreundlich aufgenommen und immer unterstützt. Leider ist die Sprachbarriere sehr groß. Viele Taiwanesen sprechen kaum Englisch bzw. sind zu schüchtern es zu gebrauchen. Dies macht das Leben zeitweise doch ein wenig schwer. Im Labor waren meine Kollegen stets bemüht mit mir in Englisch zu sprechen und mir zu helfen. Aber ein bisschen außerhalb vom Campus wurde es schon zu einer Herausforderung jemanden zu finden mit dem man sich auf Englisch verständigen konnte. Jedoch versuchen die Taiwanesen trotzdem einem immer egal wie weiterzuhelfen, auch wenn es eine Verständigung mit Händen und Füßen ist. Die habe ich sehr zu schätzen gelernt. Es ist nicht zwingend erforderlich Chinesisch zu beherrschen, vor allem nicht für einen Aufenthalt von 12 Wochen. Allerdings macht es das Ganze um ein vielfaches einfacher, wenn man nur ein paar einfache grundlegende Dinge sagen kann. Falls man die Möglichkeit hat einen Crashkurs Chinesisch vorher zu belegen, würde ich dies jedem empfehlen. Selbst absolute Grundkenntnisse erleichtern einem vor Ort die Kommunikation und man versteht ein bisschen von dem was um einen herum passiert. Zudem freuen sich die Taiwanesen über jedes Wort Chinesisch was ein Ausländer spricht und sind mehr als begeistert. Seite 5

8 Neben der Freundlichkeit der Taiwanesen ist Taiwan zu dem ein tolles Land zu Reisen. Es ist sehr einfach, abgesehen von der Sprachbarriere, umher zu kommen und das Land zu entdecken. Das Land hat viel zu bieten. Die Natur von Taiwan variiert von Bergen über Strände bis hin zu Wäldern. So liegt die Universität nicht weit vom Alishan Gebirge. Die Alishan Region ist vor allem für ihre Forest-Railway und die wunderschönen Sonnenaufgänge über den Bergen bekannt. Die Alishan Forest-Railway ist eine sehr alte Bergeisenbahn, die von Chiayi hoch auf über 2000 Meter in die Bergregion führt. Neben der Alishan Region ist vor allem der Süden sehr schön. In den Sommermonaten ist es sehr heiß und feucht in Taiwan, so bietet der Süden mit zahlreichen Strände eine angenehme Abwechslung. Besonders der Nationalpark Kenting unterhalb von Kaoshiung lohnt sich für einen Besuch. Das glasklare Wasser und die vielen Palmen am südlichsten Punkt fand ich besonders schön bei Sonnenuntergang. Die bekannteste Stadt in Taiwan ist wohl Taipeh. Die Stadt lohnt sich auf jeden Fall bei einem Taiwanbesuch ein bisschen länger zu erkunden. Besonders beeindrucken fand ich den Taipeh 101 Tower, sowie die zahlreichen Nachtmärkte und die etwas außerhalb gelegenen Hot Pools. Neben den vielen Sehenswürdigkeiten und landschaftlichen Schönheiten die Taiwan zu bieten hat, bleibt mir wohl zu dem das Wetter in bleibender Erinnerung. Das Klima ist sehr heiß und tropisch und man muss ich am Anfang sehr an die hohe Luftfeuchtigkeit gewöhnen. Man lernt eine Klimaanlage in jedem Raum sehr zu schätzen. Zudem herrscht im Sommer Taifun-Saison und die Insel wird regelmäßig von Taifunen heimgesucht, was die Luft noch tropischer macht. Zum Glück ist Taiwan aber sehr gut auf solche tropischen Stürme vorbreitet und es wird in allen Medien, sowie per Uni Rundmails auf kommende Taifune vorbereitet und entsprechend gewarnt. Seite 6

9 2. Fachlicher Teil Während meines Forschungsaufenthalt an der National Chung Cheng University im Computer Science Department beschäftigte ich mit dem Thema Medizinische Bildregistrierung und Genetische Algorithmen. Die Bildregistrierung stellt ein aktives Forschungs- und wichtiges Anwendungsfeld in der medizinischen Bildverarbeitung dar. Es stellt ein Mittel zur gleichzeitigen Visualisierung von Daten aus unterschiedlichen bildgebenden Systemen bzw. von Bildern, aufgenommen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, dar. So kann mit Hilfe von Bildregistrierung beispielweise die Kombination von CT und PET- Bilder eines Patienten ermöglicht werden, um anatomische Details als auch Gewebestoffwechselaktivitäten gleichzeitig sichtbar zu machen. Mit Genetischen Algorithmen als Grundlage versuchte ich während meiner Forschung ein Programm zu entwickeln, welches die Registrierung von Bildern durch die transversal Ebene des Gehirns ermittelt. 2.1 Ziel des Forschungspraktikum Das Ziel des Forschungsprojektes Medical Image Registration with Genetic Algorithm war es, mit Hilfe von informatischen und genetischen Grundkenntnissen, eine Prototyping- Software zu implementieren, welche eine medizinische Bildverarbeitung gewährleistet. Durch die Anwendung von genetischen Algorithmen sollte die komplexe Bildregistrierung als Optimierungsproblem gelöst werden. Es handelte sich dabei um ein Minimierungsproblem. Das Ziel war es, geometrische Bildtransformation so zu nutzen, das die Bilder derart ausgerichtet wurden, dass die Ähnlichkeit zwischen ihnen maximiert wurde. Die Ähnlichkeit zwischen den Bildern sollte maximiert, somit die Unterschiede minimiert werden. Für das Projekt sollte alleine die Klasse von affinen Transformationen als Transformationsmodell berücksichtiget werden. Nach einer Fertigstellung des Prototyps, sollte der Einfluss von verschiedenen Parametern innerhalb des Algorithmus untersucht werden. 2.2 Genetische Algorithmen Genetische Algorithmen stellen ein Verfahren dar, um komplexen Such- und Optimierungsprobleme zu lösen. Diese Verfahren basieren auf Methoden und Erkenntnissen aus der biologischen Genetik, besonders diente die Evolutionstheorie als Vorbild für die Entwicklung von Genetischen Algorithmen (GA). Hauptsächlich basieren sie auf Mechanismen der biologischen Evolution nach Charles Darwin. Genetische Algorithmen gehören zu der Klasse der evolutionären Algorithmen. Die Klasse beschreibt Optimierungsverfahren, die von biologischen Paradigmen inspiriert wurde. Es gibt vier Arten von Evolutionäre Algorithmen (Genetische Algorithmen, Evolutionäre Algorithmen, Evolutionäre Programmierung und genetische Programmierung), welche sich recht unabhängig voneinander entwickelt haben. Um mit Hilfe von Genetischen Algorithmen ein Optimierungsproblem zu lösen, werden mögliche Lösungen als Chromosomen darstellt. Die verschiedenen Lösungsmöglichkeiten werden in einer Population zusammengefasst. Auf der Suche nach der optimalen Lösung Seite 7

10 wird mit einer Funktion nach der besten Qualität (Fitness) von Lösungskandidaten (Chromosomen) innerhalb einer Population gesucht. Mit Hilfe von Genotyp-Phänotyp- Mapping, verschiedenen Selektions-, Rekombinations- und Mutationsoperatoren werden immer neue Populationen erzeugt bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist Begriffserklärung Wie bereits erwähnt, basieren genetische Algorithmen auf dem Prozess der natürlichen Evolution. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieses Verfahren Begriffe aus der biologischen Evolution und Genetik genutzt. Um im nachfolgenden Abschnitt die Vorgehensweise und das Prinzip von Genetischen Algorithmen zu verstehen, werden im Folgenden einige Begriffe kurz definiert: Chromosom Gen Allel Genotyp Phänotyp Population Generation Offspring Unter einem Chromosom, manchmal auch Individuum genannt, versteht man einen möglichen Lösungskandidaten eines zu optimierenden Problems. In der Regel besteht ein Chromosom aus einer Zeichenkette in einer gewählten Repräsentationsform. Diese kann je nach gewählter Codierung als binäre, ganzzahlige oder reelle Vektoren mit einer festen Länge n dargestellt werden. Innerhalb der Codierung eines Chromosoms, werden die einzelnen Elemente der Zeichenkette, wie in der Genetik, als ein Gen bezeichnet. Sie enthalten die einzelnen Erbinformationen und somit die Teileigenschaften eines Individuums. Die eigentliche Ausprägung eines Gens mit einem Wert wird oft als Allel bezeichnet. Bei binär codierten Chromosomen wird also der Wert des Bits als Allel verstanden. Es sind somit die Werte 0 oder 1 für die jeweiligen Allele möglich. Der Genotyp eines Chromosoms repräsentiert seine exakte codierte Form, also die individuelle Zeichenkette des Individuums. Er besteht in seiner Darstellung aus einzelnen Genen. Die decodierte Form eines Chromosoms wird als Phänotyp bezeichnet. Der Phänotyp repräsentiert das Erscheinungsbild eines Individuums. Anhand von Genotyp-Phänotyp-Mapping lassen sich die einzelnen Erscheinungsbilder aus dem Binärcode ableiten. Unter einer Population wird eine Gruppe von vielen Chromosomen verstanden. Eine Population zu einem bestimmten Zeitpunkt wird als Generation bezeichnet. Durch Selektion und Rekombination der Elternpopulation werden neue Nachkommen, also neue Chromosomen, erzeugt. Diese Kinderpopulation wird als Offspring bezeichnet. Seite 8

11 Fitness Die Fitness gibt an, wie gut ein Lösungskandidaten das zu optimierende Problem löst. Mittels einer definierten Fitnessfunktion wird die Fitness für ein jeweiliges Chromosom ermittelt. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der Elternpaare und Reproduktion einer neuen Generation Prinzip Das Prinzip von Genetischen Algorithmen basiert auf Schritten der Evolution, die sich immer und immer wiederholen bis ein vorher benanntes Abbruchkriterium erfüllt ist und das beste Chromosom vorliegt. Für den Einsatz von Genetischen Algorithmen müssen zu Beginn folgende Kriterien erfüllt sein: Bestimmung einer geeigneten Codierung für die einzelnen Lösungskandidaten Existenz einer Startpopulation aus mehreren Individuen Existenz so genannter genetischer Operatoren Existenz einer Fitnessfunktion, die für jedes Individuum einen Fitnesswert festlegt Abbildung 1: Schema Genetische Algorithmen 4 Ausgehend von diesen Voraussetzungen wird der Algorithmus durch die Generierung einer Startpopulation initialisiert. Durch die entsprechenden genetischen Operatoren, Selektion, Rekombination und Mutation, werden für jeden Iterationsschritt die Individuen einer Population so verändert, dass eine neue Population entsteht. Basierend auf der darwinschen Evolutionstheorie "Survival of the fittest", werden die Chromosomen, die an die Umweltbedingungen besser angepasst sind oder über günstige Eigenschaften verfügen, bevorzugt, ihre Erbinformation an die Nachkommen weiterzureichen. Es werden dabei also überwiegend die Chromosomen mit der besten Fitness übernommen, so dass die potentiellen Lösungskandidaten von Generation zu Generation besser werden. Auf diese Weise nähert sich der Genetische Algorithmus der Lösung des Optimierungsproblems schrittweise an. Die genetischen Operatoren werden oftmals so lange wiederholt bis ein vorbestimmtes 4 Windisch A. Vergleichende Analyse von Genetischen Algorithmen und der Particle Swarm Optimization für den Evolutionären Strukturtest. Diplomarbeit, Technische Universität, Berlin., Seite 9

12 Abbruchkriterium erfüllt ist. Ausgegeben wird dann das Chromosom mit der besten Fitness aus der Population des letzten Iterationsschrittes. Die unterschiedlichen genetischen Operatoren werden im folgenden Abschnitt näher erläutert: Initialisierung Unter Initalisierung wird das Erzeugen einer Startpopulation verstanden. Mit einer Populationslänge von N müssen zufallsbasierend N Chromosomen erzeugt. Bit-weise werden die Gene des zu erzeugenden Chromosoms durchlaufen und zufällig auf 0 oder 1 gesetzt. Fitnessfunktion Die Aufgabe der Fitnessfunktion ist es ein gegebenes Chromosom bezüglich seiner Qualität in Bezug auf das zu lösende Problem zu bewerten. Es wird gemessen wie gut der Lösungskandidat das Problem löst. Die Definition einer geeigneten Fitnessfunktion beim Entwurf eines Genetischen Algorithmus stellt die größte Schwierigkeit dar. Selektion Unter Selektion wird der Auswahlprozess der Chromosomen verstanden. Es wird ausgewählt, welche Individuen als Eltern für die neue Offspring dienen dürfen. Es gibt unterschiedliche Selektionsvarianten. Alle haben jedoch das gemeinsame Ziel der Auswahl der fitnessbezogen besten Chromosomen. Grundsätzlich sind die bekanntesten Varianten die Roulette-Wheel-Selektion und die Tournament-Selektion. Roulette-Wheel-Selektion Ein Auswahlverfahren ist die sogenannte Roulette-Wheel-Selektion oder auch fitnessproportionale Selektion. Das Prinzip dieses Verfahrens ist ähnlich einem Glücksrad, das in n Abschnitte unterteilt ist. Jedem Chromosom wird entsprechend seiner Auswahlwahrscheinlichkeit eine bestimmte Fläche auf dem Rad zugewiesen. Die Auswahlwahrscheinlichkeit jedes Chromosom wird entsprechend seinem Anteil an der Gesamtfitness zwischen 0 und 1 berechnet. Mit einer höheren Wahrscheinlichkeit, also einem breiteren Anteil am Rad, steigt auch die Chance für die Auswahl. Durch Drehung am Rand wird nun das Chromosom ausgewählt, auf dessen Fläche der Zeiger zeigt. Tournament Selektion Bei der Tournament Selektion werden mindestens zwei Chromosomen zufällig aus der Population ausgewählt und im direkten Vergleich wird ihre Fitness verglichen. Das Chromosom mit einer höheren Fitness geht als Sieger aus dem Turnier hervor und wird ausgewählt. Rekombination / Crossover Unter Rekombination - auch Crossover wird die Kreuzung von zwei selektierten Elternchromosomen und die dadurch Erzeugung neuer Individuen verstanden. Die Nachkommen werden aus den Genotypen der zukreuzenden Elternpaare systematisch zusammengesetzt. Dabei Seite 10

13 findet die Kreuzung an mindestens einem zufälligen Punkt zwischen den einzelnen Genen statt. Hinter dem Kreuzungspunkt erfolgt ein Tausch der nachfolgenden Abschnitte bzw. Bitfolgen der beiden Chromosomen. Grundsätzlich gibt es für binär codierte Probleme drei Varianten des Crossovers. Alle gehen von zwei Eltern aus und erzeugen genau zwei Nachkommen. 1-Punkt-Crossover: Beim 1-Punkt Crossover wird an einem zufällig gewählten Punkt zwischen den einzelnen Bits gekreuzt. Die fällige Kreuzungsstelle liegt im Bereich l-1. Hierbei steht l für die Länge des Chromosoms. An dieser Schnittstelle erfolgt ein Austausch der Gensequenzen der beiden Elternpaare und die Nachkommen vererben wechselweise die Informationen. 2-Punkt Crossover Beim 2-Punkt Crossover werden zwei Kreuzungspunkte für die Rekombination zufällig auswählt. Der Austausch der Gensequenzen erfolgt zwischen den beiden Kreuzungspunkten. Uniform Crossover: Beim Uniform Crossover werden die Elternchromosomen nicht in Segmente aufgeteilt. Stattdessen werden alle Gene der Elternpaare einzeln überprüft, ob sie getauscht werden. Auschlaggebend dabei ist eine bitbezogene Wahrscheinlichkeit pi, die für alle Gene aus dem Intervall [0,1] zufällig bestimmt wird. Ist pi 0,5t dann findet ein Austausch der Gene der beiden Elternpaare statt. Mutation Ergänzend zur Rekombination wird die Mutation als weiterer Variationsoperator betrachtet. Dabei können die geringfügigsten Veränderungen am Chromosom durchgeführt werden. Die geläufigste Seite 11

14 Mutationsart für binär codierte Probleme ist das so genannte bit-flipping. Dabei wird mit einer Mutationswahrscheinlichkeit von pm ein Gen einfach mutiert bzw. getauscht. Dabei erfolgt ein einfacher Allel bzw. Bitwechsel. Für Bit-Gene mit der Länge l wird normalerweise eine Mutationsrate von pm = 1/l gewählt. Reproduktion Die Bildung einer neuen Generation aus den erzeugten Nachkommen und den Elternchromosomen wird als Reproduktion bezeichnet. Grundsätzlich gibt es zwei Varianten der Reproduktion. General Replacement: Beim General Replacement werden alle alten durch neue Chromosomen ersetzt. Dabei gehen jedoch potentielle gute Lösungsstrategien der Elterngeneration verloren. 2.3 Forschungsprojekt Steady-state Replacement: Beim Steady-State Replacement werden nur wenige Individuen der alten Generation durch neue Chromosomen ersetzt. Welche Lösungskandidaten ersetzt werden kann auf unterschiedliche Arten entschieden werden: Ersetzen des schlechtesten Individuum durch ein besseres Ersetzen eines zufällig gewählten Individuums Weitere Möglichkeiten: General- und Steady-state Replacement sind recht extreme Ansätze. Es können auch Mittelwege eingeschlagen werden, indem beispielsweise die bessere Hälfte von Eltern sowie Kinder in eine neue Population übergehen. Ein weiter Ansatz liegt im Sortieren der Gesamtpopulation und Übernahme der besseren Gesamthälfte in die neue Generation. Während meines Forschungsaufenthalts versuchte ich das zuvor erklärte Prinzip von Genetischen Algorithmen auf die Bildregistrierung von medizinischen Bilder anzuwenden. Dabei lag mein Hauptfokus im Implementieren einer geeigneten Prototyping-Software in Java. Folgende Schritte umfasste meine Arbeit: Design einer geeigneten genetischen Darstellung der spezifischen affinen Transformationen für die Bildverschiebung Bestimmung einer passenden Fitness-Funktion Implementierung der genetischer Operatoren (Selektion, Crossover, Mutation und Fitness) Seite 12

15 Um zwei Bilder gleichzeitig zu visualisieren und überlagern zu können versuchte ich mit Hilfe von affinen Bildtransformation das Moving Image derart im Koordinatensystem des Fixed Image auszurichten, dass die Ähnlichkeit zwischen den unterschiedlichen Bildern maximiert wurde. Zu den affinen Transformationen zählen Translation (Verschiebung in x- & y-achse), Rotation, Skalierung und Scherung. Die Scherung wurde in Bezug auf medizinische Bilder ausgelassen. Zusammenfassend sehen die ausgewählten genetischen Operatoren für die Prototyping- Software wie folgt aus: Codierung Initialisierung Selektion Standart-Binär-Codierung, 40-stelliger Genotyp 200 Individuen in Startpopulation Roulette-Wheel Selektion Rekombination 1-Point- & Uniform-Crossover Mutation Reproduktion Bit-flipping Mutation Steady-state Replacement mit Ersetzung der letzten 100 Eltern durch geeignete Kinder Das Prinzip des Genetischen Algorithmus und die dazugehörigen einzelnen genetischen Operatoren wurden in Java Quellcode umgeschrieben und an das zugrundeliegende Problem angepasst. Um die Fitness der einzelnen Chromosomen berechnen zu können, musste der Genotyp in einen vierzahligen Phänotypen umgeschrieben werden. Anhand der vier Ausprägungen des Phänotyps konnte jedes Bild transformiert und die Unterschiede zwischen den beiden Bildern berechnet werden. Nachfolgend folgt eine kurze Darstellung der Implementierung des zu grundlegenden genetischen Algorithmus als Pseudo-Code: 1 Initialisierung: Zufällige Erzeugung der ersten Generation; 2 while (Abbruchkriterium nicht erfüllt bzw. < max. Iterationen) { 3 Berechnung der Fitness der einzelnen Individuen mit Hilfe der Fitnessfunktion; 4 Selektion: Auswahl der Chromosomen für die Rekombination; 5 Rekombination: Erzeugung neuer Chromosomen durch Kreuzung von jeweils zwei Elternchromosomen; 6 Mutation: zufällige Veränderung der neu erzeugten Chromosomen; 7 Erstellen einer neuen Generation durch Ersetzten der schlechten Individuen in der Population durch neuerzeugte gute Chromosomen; } 8 end 9 return bestes Chromosom; Seite 13

16 Nach Erfüllung des Abbruchkriteriums bzw. nach Erreichung einer maximalen Anzahl an Iterationsschritten, wurde mit Hilfe des ermittelten besten Chromosoms aus der letzten Population das Moving Image transformiert und die beiden Bilder überlappend ausgegeben. Zur beispielhaften Verdeutlichung der Überlagerung von zwei Grauwert-Bilder wurden nachfolgend zwei Ergebnisbilder in RGB Farben ausgegeben. Ausgangslage waren hierfür zwei MRT Bilder durch die transversal Ebene des Gehirns. Das Moving Image wurde dabei vorher nach rechts-unten verschoben. Nach Durchlaufen des Genetischen Algorithmus sah das Ergebnis wie folgt aus. Zur Erläuterung, das zugrundeliegende Fixed Image wird Blau und das überlagernde Moving Image rot wiedergegeben. Abbildung 2: Fix Image (Grauwert) Abbildung 3: Moving Image (Grauwert) Abbildung 4: Schlechte Überlagerung nach wenigen Iterationsschritten Abbildung 5: Gute Überlagerung nach maximaler Anzahl an Iterationen Seite 14

17 3. Schlusswort Meinen 12 wöchigen Forschungsaufenthalt und die Zeit nebenher habe ich sehr genossen. Ich kann jedem empfehlen, wenn man eine solche oder ähnliche Möglichkeit erhält sie zu nutzen. Taiwan ist sowohl auf kultureller Ebene, als auch landschaftlich ein tolles Land. Natürlich ist es nicht immer leicht sich in einer fremden Kultur, vor allem mit einer großen Sprachbarriere, zurecht zu finden, aber man akklimatisiert sich sehr schnell und der Rest kommt dann von ganz alleine. Ich möchte mich auf diesem Wege beim DAAD für das RISE Stipendium bedanken, welches mir diese Chance ermöglicht hat. Seite 15