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UFO - Ultraschnelle Röntgenbildgebung

Die Fortschritte in den letzten Jahren auf den Gebieten der Röntgenoptik, der Detektor-Technologie und insbesondere die enorme Steigerung der Rechenleistung von herkömmlichen Computer-Graphikkarten (GPU) für wissenschaftliche Anwendungen führen zu einem Paradigmenwechsel in der Synchrotron-Röntgenbildgebung. Das interdisziplinäre UFO-Projekt entwickelt eine neue Experimentierstation mit bislang unerreichter zeitlicher und räumlicher Auflösung. Ziel ist es dynamische Prozesse in Echtzeit zu verfolgen, den Probendurchsatz zu erhöhen und gleichzeitig die Datenqualität zu überwachen und zu verbessern.

Das IPE trägt mit zentralen Aufgaben zu dem internationalen Projekt bei:

  • Entwicklung einer GPU-basierten Online-Monitoring-Station mit temporärem Echtzeitspeicher für Datenraten von einigen Gigabyte/sec.
  • Entwicklung einer Programmierumgebung zum Aufbau von Datenverarbeitungsprozessen mit großen Datenströmen auf parallelen Rechnerarchitekturen (GPU).
  • Entwicklung einer modularen Entwicklungsplattform für intelligente Hochgeschwindigkeitskameras.
  • Optimierung und Entwicklung von Algorithmen für die tomographische Rekonstruktion und die Bildauswertung
  • Datenmanagement für Tomographiedaten

Die Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie eröffnet der Untersuchung von morphologischen Fragestellungen bei Kleinstlebewesen völlig neue Möglichkeiten. Nur mit Röntgenstrahlung lassen sich interne Strukturen bei lichtoptisch dichten Organismen nicht-invasiv und in 3D beobachten. Die Auswertung der Daten ist jedoch sehr aufwändig. Insbesondere die automatisierte Klassifikation der internen Strukturen ist nur in enger Zusammenarbeit von Biologen und Bildverarbeitungsexperten möglich.

Die durch die neue UFO-Experimentierstation enorm angestiegene Datenmenge führt an aktuelle technische Grenzen: sowohl die Datenaufnahme, -archivierung und -verwaltung als auch die Datenverarbeitung sind von den Nutzern alleine, selbst an hoch ausgestatteten Einzelplatzrechnern, nicht mehr zu bewerkstelligen. Hier ist eine enge Zusammenarbeit der Bereiche Biologie, Bildverarbeitung, Datenmanagement und Computing notwendig, um diese zukunftsträchtige Methode für den regulären Nutzer-Betrieb zu etablieren. Wir haben uns das Ziel gesetzt, die Messparameter an UFO für ein breites Spektrum von Fragestellungen anhand der von biologischen Beispielorganismen zu standardisieren, die Datenauswertung (Rekonstruktion und Segmentierung) zu vereinfachen und teilweise zu automatisieren, und schließlich mit Cloud-Technologien ein Online-Portal für den einfachen Zugang zu den 3D-Daten, mit der Möglichkeit zur stereoskopischen Visualisierung, zu erschaffen.

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UFO 1 - Abschlussbericht