Von Megabyte zum Bild

Die optische Wahrnehmung des Menschen ist gut, die Verarbeitung von Zahlen läuft langsamer. | Die Visualisierung von digitalisierten Daten, eine junge Disziplin, schafft Entscheidungsgrundlagen.

Auf den ersten Blick meint man, eine kuschelige kleine Wollkugel zu sehen. Tatsächlich aber hat das in Orange und Grau gehaltene Objekt gar nichts Erfreuliches an sich. Die realistische Darstellung des HI-Virus, das gerade eine Immunzelle befällt, ist diesjähriger Gewinner der "International Science and Engineering Visualization Challenge“ in der Kategorie Illustration. Für die Juroren handelt es sich um das detailgetreuste 3D-Modell des HI-Virus, das jemals erstellt wurde. Daten aus mehr als 100 wissenschaftlichen Publikationen flossen darin ein. "Wir betrachten dreidimensionale Modelle als neue Methode, wissenschaftliche Daten darzustellen“, sagt Urheber Ivan Konstantinov von der Visual Science Company in Moskau.

Seit acht Jahren prämiert der amerikanische National Science Fund (NSF) in Kooperation mit dem Wissenschaftsmagazin Science die besten Modelle, Fotos und Videos mit wissenschaftlichem Inhalt. Dahinter steht zum einen das Anliegen, eine breite Öffentlichkeit mittels ansprechender Bilder für Forschungsresultate zu begeistern. Doch die Visualisierung nackter Zahlenkolonnen und Daten spielt auch für die Generierung neuer Erkenntnisse eine zunehmend wichtigere Rolle. In der Wissenschaft ebenso wie in der Wirtschaft.

"Durch die Verbesserung der Messmethoden stehen der Forschung immer größere Datenmengen zur Verfügung“, sagt Eva Eggeling, Leiterin des Geschäftsbereichs Visual Computing von Fraunhofer Austria in Graz. "Der Mensch ist häufig überfordert damit, aus dieser Datenflut die richtigen Schlussfolgerungen zu ziehen.“

Von der Tabelle zur Virtualität

Die Visualisierung mittels computergrafischer Methoden versteht sich als Antwort auf dieses Problem. Damit befasst sich die noch junge Fachdisziplin der "visuellen Analyse“. Die Idee dahinter: grafisch aufbereitet lassen sich in den Rohdaten Informationen und Details erkennen, die ansonsten womöglich unbemerkt blieben. Für Molekularbiologen hat Eggelings Team eine Software entwickelt, die den Zugriff auf die Proteindatenbank PDB ermöglicht. Diese Datenbank enthält die Strukturdaten von mehr als 70.000 Makromolekülen. Das Programm liest über ein Web-Interface die Daten eines gewählten Moleküls aus und errechnet daraus ein farbiges 3D-Modell, das sich am Bildschirm beliebig drehen und vergrößern lässt. "So können Fachleute beispielsweise Stellen in Molekülen erkennen, die als Andockstellen für Medikamente infrage kommen“, sagt Eggeling. Besonders beliebt ist dieser sogenannte "BioBrowser“ in der wissenschaftlichen Lehre, weil sich mit seiner Hilfe molekulare Funktionen anschaulich erklären lassen. Gemeinsam mit dem Austrian Institute of Technology (AIT) und den Wiener Linien führt Eggeling derzeit ein Projekt zur Visualisierung von Fußgängersimulationen durch. Aus umfangreichen empirischen Erhebungen hat man eine große Anzahl von Daten über das statistische Verhalten von Menschenmengen. Diese sollen nun in das grafische Modell einer U-Bahnstation einfließen. Der U-Bahnbetreiber kann Krisensituationen virtuell durchspielen und so seine Notfallpläne optimieren.

Bilder sind leichter aufzunehmen

"Unsere Aufgabe ist es, die Simulationen visuell so aufzubereiten, dass Anwender daraus möglichst schnell die relevanten Informationen ablesen können“, erklärt Eggeling. Egal, ob überfüllte Bahnsteige oder geschlossene Ausgänge angenommen werden, besondere Risikogruppen wie Kinder, ältere oder behinderte Personen lassen sich grafisch abgehoben darstellen - und ihr Verhalten lässt sich abschätzen.

Die Vorzüge der visuellen Analyse beruhen darauf, dass Menschen sehr gut darin sind, Situationen optisch wahrzunehmen und zu bewerten, Zahlenmaterial aber nur langsam und fehleranfällig verarbeiten können. Letzteres ist dagegen die Domäne von Computern und Algorithmen. In der Visualisierung fließen beide Aspekte harmonisch zusammen. An der Oberfläche zeigen bunte, gerne auch dreidimensionale Grafiken eine Übersichtlichkeit, mit der man umgehen kann. Darunter zähmen handfeste Methoden aus Mathematik, Statistik und Informatik die endlosen Zahlenkolonnen und Zeichenreihen. Mögliche Anwendungen sind nicht auf wissenschaftliches Datenmaterial beschränkt, sondern finden sich überall, wo die wuchernde Datenflut ihr adipöses Angesicht zeigt. Im Prinzip sind schon die einfachen Diagramme, die heute jedes Programm für Tabellenkalkulation automatisch darstellen kann, eine Form der Visualisierung. Spezialisierte Software geht darüber hinaus - sowohl in der Vielfalt an Auswertemechanismen, als auch in der Kapazität verarbeitbarer Datenmengen.

Das Wiener Forschungsunternehmen VRVIS, eines der weltweit renommierten Zentren für Virtuelle Realität und Visualisierung, hat eine Software für die visuelle Datenanalyse entwickelt, mit der sich mehrere Millionen Datensätze auswerten und grafisch aufbereiten lassen. Diese nutzen beispielsweise der Grazer Motorenentwickler AVL, der Pharmakonzern Baxter und die Gebäudeinstandhaltung des AKH.

Visualisierung stützt Rationalität

Auch der Hauptverband der Sozialversicherungsträger begibt sich mithilfe des Programms auf die Suche nach Einsparpotenzialen in der medizinischen Versorgung. "Jeder, der große Datenmengen verwalten muss, kann davon profitieren“, ist VRVIS-Geschäftsführer Georg Stonawski naturgemäß überzeugt. "Denn die meisten interessanten Fragen lassen sich nicht mit einem simplen Ja oder Nein beantworten.“ Oft gehe es darum, versteckte Zusammenhänge zu erkennen oder ungewöhnliche Muster aufzuspüren. Hier spielt die Visualisierung ihre Stärken aus.

Eine universell geeignete Visualisierungsform gibt es nicht. Meist bestimmt die jeweilige Fragestellung die Darstellungsform. Immer häufiger werden auch Bilder und Videos einbezogen. So entwickeln die Wiener für den Telematik- Anbieter Kapsch derzeit ein System, das Personal bei der Überwachung von Straßentunnels unterstützen soll. "Geschieht im Tunnel ein Unglück, muss das Personal die Situation schnell richtig einschätzen und Entscheidungen treffen“, sagt Stonawski. Dafür soll das neue System Bilder der Überwachungskameras und die Reihenfolge der ausgelösten Alarmsysteme auf dem Überwachungsbildschirm in eine Reihenfolge bringen, die den Unfallhergang intuitiv auf einen Blick erkennen lässt.

Visualisierung ist mehr, als sich schöne Bilder anzusehen. Gleichzeitig weniger, als die Lösung auf alle Fragen. Sie bietet die Möglichkeit, interaktiv mit Daten umzugehen, Varianten mit veränderten Randbedingungen auszuprobieren (was Börsenbroker und Kreditrisikoanalysten schätzen). Visualisierung zeigt Zusammenhänge auf, löst neue Ideen aus. Die Entscheidung nimmt sie einem nicht ab, aber sie schafft die Grundlagen für deren Rationalität.