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13.03.1981 - 

Computer helfen, den südlichen Sternhimmel zu vermessen:

Bilddatenverarbeitung in der Astronomie

GARCHING - "Europäische Südsternwarte" beziehungsweise "European Southern Observatory" (ESO) nennt sich eine überstaatliche Organisation zur Erforschung und Kartierung des südlichen Sternenhimmels mit inzwischen einem Dutzend Teleskopen auf einem Berg in Chile. Doch als es kürzlich die Installation eines neuen Computers zur Bilddatenauswertung zu feiern galt, war dies ein Fest der "Nordlichter" unter den Südstern-Forschern: Der neue Rechner, eine VAX-11/780 von Digital Equipment, wurde nämlich in Garching bei München, am Hauptsitz der Organisation, aufgebaut.

In Garching werden die aus Chile einlaufenden wissenschaftlichen Daten eingehenden Analysen unterzogen, mit dem Ziel, mehr Klarheit über den südlichen Sternenhimmel zu gewinnen und für ihn gleichfalls einen Himmelsatlas (wie es ihn für die nördliche Hemisphäre bereits gibt) zu erarbeiten.

In der modernen Astronomie werden entfernte Himmelsregionen, ganze Galaxien beispielsweise, fotografisch aufgezeichnet und dann die Inhalte dieser Astro-Fotos digitalisiert, erläuterte Philip Crane, der Leiter der ESO-Abteilung "Image Processing", in Garching. Aus den Informationen über jeden einzelnen Bildpunkt - also seine Koordinaten, sein Helligkeitswert und seine spektralen Charakteristika - filtern die Computer der Bilddatenauswerter dann diejenigen Detail-Informationen heraus, die für eine bestimmte astronomische Fragestellung relevant sind. Moderne Verfahren zur Datenreduktion sorgen so dafür, daß man mit Computerhilfe über die Verhältnisse etwa in einer fernen Milchstraße weit mehr erfahren kann, als das bloße Foto oder auch Farbfoto aussagt. Crane selber nennt diese Arbeit übringens lieber einfach "Analyse astronomischer Daten" als, wie sonst meist üblich, "Image Processing".

Cranes Abteilung arbeitete bislang mit Hewlett-Packard-Hardware, nämlich einer 21 MX-F-CPU mit 128 K-Worten Hauptspeicher und jeweils drei Arbeitsplätzen, von denen zwei nicht nur je ein graphisches und ein alphanumerisches Terminal umfassen, sondern auch einen Ramtek-Farbbildschirm mit 512 x 512 "Pixels" (Bildelementen) zu je 1024 (=10 Bit) Intensitätsstufen. In etwa drei Jahren Betrieb stellte sich dabei heraus, daß zwar erstaunlich viele Astronomen bereits mit einem gewissen Standard-Satz erprobter Prozeduren bestens bedient sind, daß andererseits aber viele Anwender den Wunsch haben, am Rechner ihre ganz individuellen Makrobefehle zusammenzustellen. Speziell diesem Wunsch wollen Crane und seine Mannschaft jetzt beim zügigen Ausbau ihrer Datenanalyse-Abteilung besonders Rechnung tragen.

Viele Astronomen begnügen sich mit relativ einfachen Routine-Auswertungen ihrer Beobachtungen. Besonders beliebt ist beispielsweise eine Art "Computer-Sternen-Tachometer", bei dem die Sterngucker an Hand bestimmter spektraler Eigenschaften des Sternenlichts von Cranes Rechnern herausfinden lassen, wie schnell das jeweilige Himmelsobjekt gerade von uns wegstrebt (Astronomen können aus dieser Meßzahl wichtige weitere Rückschlüsse auf die beobachteten Objekte ziehen). Allerdings: Ein optimaler Gebrauch der in den vorhandenen Daten steckenden Information sei das nicht gerade, merken die DV-Experten der ESO mit leicht vorwurfsvollem Unterton an.

Bei der Konzeption der zur neuen VAX erarbeiteten Software schlugen sich noch andere typische Erfahrungen nieder, die Cranes Mannschaft bei der täglichen Zusammenarbeit mit den ESO-Astronomen machen konnte. Etwa die, daß man generell drei Gruppen von "Kunden" unterscheiden kann:

- Computerunkundige "Nur-Astronomen", die intensiver Hilfe und Anleitung bei ihren Bildauswertungsarbeiten bedürfen;

- Sterngucker mit "DV-Feeling", die aus den angebotenen Software-Elementen alsbald ihr eigenes optimiertes System zusammenstellen und die auch die typischen Makro-Konstrukteure repräsentieren;

- Ausgekochte DV-Routiniers, die auf Basis des Handbuchs selber in die Tiefen des DV-Systems einsteigen. Sie sind, in puncto Hilfestellung, äußerst genügsame, leider aber auch sehr rare Kunden, bedauert Crane.

Überschaubare Elemente

Die Software für das VAX-System wurde, besonders im Hinblick auf die zweite der hier genannten Gruppen so konzipiert, daß dem Anwender vielfältige elementare Routinen zur Verfügung stehen - "Rotieren", "Mittelwertbilden", "Addieren" etc. - aus denen er sich dann komplexere Analyseprozeduren selber zusammenstellen kann. Daraus resultieren dann Prozeduren, die in puncto Ausführungsgeschwindigkeit nicht eben beeindruckend arbeiten, die jedoch dafür um so klarer zu überschauen sind. Und das ist laut Crane in der Auswertung und Reduktion astronomischer Daten heute der Punkt, auf den es ankommt. Denn de Frage ist meist nicht, wie man Astro-Daten (computertechnisch) optimal behandelt, sondern was man eigentlich mit ihnen anstellen soll, welche Folge von mathematischen Einzelprozeduren also wohl zu einer für den Astronomen sinnvollen Endaussage führt.

Noch ein anderer Gesichtspunkt spricht für die hier dargelegte "Baukasten-Philosophie": Gerade mathematisch weniger erfahrene Astronomen können bei der Arbeit mit bereits fertig vorliegenden Routinen leicht zu der Annahme verführt werden, die von den Bildauswerte-Experten vorgelegten Standard-Prozeduren seien in jedem Falle "perfekt"; ihnen kann dabei also entgehen, daß sowohl die einzelnen Instrumente als auch die einzelnen Routinen natürlich nicht über konzeptionell vorgegebene Leistungsgrenzen hinaus beansprucht werden dürfen, soll nicht Sinnloses herauskommen.

Großen Weit legt das ESO-Bildauswerteteam auf Maßnahmen, die Hilfe suchenden Astronomen nicht nur bei ihrer Arbeit im zentralen Rechenzentrum zu unterstützen, sondern ihnen zumindest die wichtigsten Routinen auch in einer möglichst maschinenunabhängigen Form zur Verfügung zu stellen, so daß sie nach Rückkehr an das Observatorium an den dortigen (kleineren) Rechnern weiterarbeiten können.

Deshalb werden beispielsweise die Magnetbänder nach universell akzeptierten Standards (das "FITS"-System) beschrieben und Routinen erstellt, um dieses Format für IBM-, CDC- und andere Rechner aufzubereiten. Auch achten die ESO-Computeure darauf, ihre Algorithmen und Analyseprogramme mit maschinenunabhängigen Interfaces zu versehen, die auf möglichst vielen Rechnertypen emuliert werden können. Als Ziel gilt dabei, die Zahl der System-Interface-Routinen sowie die Zahl der dabei auftretenden Parameter so klein wie möglich zu halten, erläutert Crane. Er denkt dabei an Interfaces, die stark denen des britischen "Starlink"-Netzes ähneln, eines Computernetzwerkes zur Auswertung astronomischer Daten, das übrigens auch auf VAX-11/780-Computern basiert.

Die Garchinger VAX-Konfiguration der ESO besteht zunächst aus der VAX- 11/780 mit 4 MB Hauptspeicher und 1000 MB Plattenspeicherkapazität, dargestellt in zwei RM05- und drei RPO6-Laufwerken; außerdem sind zwei TU77-Magnetbandeinheiten angeschlossen. An Terminals sind zwölf VT100-Bildschirmterminals installiert.

Im November dieses Jahres soll eine weitere VAX in der gleichen Konfiguration dazukommen und über X.25 die Verbindung mit dem britischen "Starlink"-System hergestellt werden.