Boeken

Friday, December 23, 2011

Computers met ruimtelijk inzicht

Bettina Speckmann is de eerste winnaar van de Nederlandse Prijs voor ICT-onderzoek. Ze krijgt de prijs voor het ontwikkelen van fundamentele algoritmen waarmee de computer geometrische problemen oplost en geografische data visualiseert. 




Dit artikel is verschenen in I/O Magazine (december 2011) van het ICT-onderzoek Platform Nederland (IPN)

Loop door een drukke straat en zonder na te denken vermijd je botsingen met andere voetgangers, met fietsers en auto’s, met lantaarnpalen en prullenbakken. Van jongs af aan heeft de mens zijn ruimtelijke intuïtie getraind om botsingen te vermijden en snel oplossingen te zien voor ruimtelijke problemen. Wat bij de mens onbewust gaat via onze razendsnelle patroonherkenning, is voor de computer meestal een flinke rekenklus.

“Computers hebben geen ruimtelijk inzicht”, zegt Bettina Speckmann. “Als informaticus probeer ik om de ruimtelijke intuïtie die wij mensen hebben, te vertalen in algoritmen waarmee de computer geometrische problemen kan oplossen. Dat vind ik het leuke van mijn vak. Veel van de problemen waarmee ik me bezig houd kan ik met pen en papier uitleggen. Ik hou van geometrische problemen die eenvoudig zijn te formuleren, maar moeilijk op te lossen.”

Speckmann geeft een voorbeeld. Neem een handvol tangramstukken en leg ze voor je op tafel. Stel je nu voor dat de tangramstukken willekeurig kunnen bewegen. Dan is de kans groot dat er al snel botsingen ontstaan. Vraag voor de computer: detecteer het eerste moment van een botsing. “Dat is een heel eenvoudige vraag”, zegt Speckmann, “waarvan de oplossing voor een computer moeilijk is.” Ze besteedde er haar hele promotieonderzoek aan. “Je zoekt dan een algoritme dat je niet alleen een oplossing geeft, maar ook met zo weinig mogelijk rekenwerk.” Het type algoritme dat Speckmann ontwikkelde kan bijvoorbeeld gebruikt worden door een robot die in een fabriekshal stellages moet vullen en niet mag botsen tegen de stellages of tegen willekeurig welk obstakel onderweg.

Thematische kaarten 
Sinds 2007 heeft Speckmann zich, financieel ondersteund door een Vidi-subsidie van NWO, veel bezig gehouden met het visualiseren van geometrische netwerken, zoals netwerken van straten, spoorlijnen, metrolijnen en met het automatisch genereren van thematische kaarten. “De mens is heel sterk visueel ingesteld,” zegt Speckmann, “en de vraag voor de computer is om getalsmatige gegevens efficiënt te visualiseren zodat de mens de gegevens in een oogopslag kan interpreteren.”

Als voorbeeld laat ze een thematische kaart zien die ze voor haar nieuwste wetenschappelijke publicatie heeft verbeterd: de migratiestroom vanuit de Amerikaanse staat Colorado naar andere staten in de VS. Vanuit Colorado loopt een pijl naar elke andere staat. Speckmann: “In een goede visualisatie wil je dat die pijlen zo ver mogelijk bij elkaar uit de buurt blijven, dat de pijlen in een vloeiende lijn lopen, maar ook dat dat de dikte van de pijl een maat is voor de hoeveelheid mensen die van Colorado naar een andere staat migreren.”

Voor dit probleem heeft Speckmann een algoritme bedacht. “In essentie hebben we het bekende concept van een zogenaamde Steiner-boom gewijzigd in een Steiner-boom met een beperking in de hoeken die zijtakken mogen maken. Die beperking zorgt er dat de pijlen vloeiend stromen; niet te schokkerig of hoekig.” Het moet gezegd: de kaarten die Speckmanns algoritme maakt zijn een lust voor het oog. En of ze nu het aantal migranten vanuit Colorado tonen, de wereldwijde whiskey-export vanuit Schotland of de ecologische voetafdruk van internationale handel, dat maakt voor het algoritme niets uit. 

 

“In de Bosatlas staan ook prachtige voorbeeld van zulke kaarten”, zegt Speckmann. “Eigenlijk laten wij de computer automatisch doen wat cartografen al heel lang doen. Maar het voordeel van de computer is dat als de oude gegevens vervangen moeten worden door nieuwe gegevens, hij razendsnel een nieuwe visualisatie maken.” In een samenleving waarin steeds meer data steeds sneller worden gegenereerd is dat een noodzaak.

Vogeltrek
Sinds kort gebruikt Speckmann haar expertise ook in een Europees project dat de gegevens van bewegende objecten zoals voetgangers, vogels en auto’s in kaart brengt. “Om het trekgedrag van vogels beter te begrijpen wordt een aantal vogels tegenwoordig voorzien van een lichtgewicht sensor die voortdurend doorgeeft waar een vogel zich bevindt. De vraag aan mij als informaticus is dan hoe we de grote berg aan gegevens die de sensoren doorsturen zo goed mogelijk automatisch kunnen visualiseren. Het mooie van dit Europese project is dat het zo sterk interdisciplinair is: informatici werken samen met architecten, ethologen, verkeerskundigen etcetera.”

Voor het geven van ruimtelijk inzicht aan de computer heeft Speckmann nu dus als eerste de Nederlandse prijs voor ICT-onderzoek gewonnen. Weet ze al wat ze met het prijzengeld van € 50.000, te besteden aan wetenschappelijke doelen, gaat doen?

“Eerlijk gezegd heb ik het prijzengeld hard nodig. Door de bezuinigingen op wetenschappelijk onderzoek is er tegenwoordig maar weinig geld om promovendi naar conferenties te laten gaan, buitenlandse collega’s uit te nodigen en workshops te organiseren, terwijl dat allemaal dingen zijn die integraal deel uit maken van het werk van een onderzoeker. We hebben al een paar jaar geen workshop meer georganiseerd, bij gebrek aan geld. Nederland is haar traditioneel goede infrastructuur aan het afbreken en moet oppassen dat goede wetenschappers niet naar het buitenland vertrekken.”

Speckmann vindt dat er te veel nadruk is komen te liggen op de toepassingen. “De universiteiten zijn er niet voor de toepassingen, maar voor het visionaire onderzoek waarvan niemand nog weet wat er precies uit komt. Vooral de informatica wordt te veel als ingenieurskunde gezien, te veel als toegepaste wetenschap en te weinig als een fundamentele wetenschap. En een fundamentele wetenschap is de informatica toch echt ook.”

[kader]
Bettina Speckmann (1972) studeerde in 1996 als wiskundige af aan de Universiteit van Münster (Duitsland). Ze promoveerde in 2001 in de informatica aan de University of British Columbia (Vancouver, Canada). Daarna werkte ze twee jaar als postdoc aan de ETH Zürich. Sinds 2003 werkt ze op het terrein van de computationele geometrie aan de TU Eindhoven, vanaf 2008 als universitair hoofddocent. Ze is lid van De Jonge Akademie van de KNAW en kreeg in 2007 een Vidi-subsidie van NWO. Op 30 november 2011 ontvangt ze de eerste Nederlandse Prijs voor ICT-onderzoek. Het prijzengeld van € 50.000 mag ze vrij besteden aan ICT-onderzoek. De prijs is ingesteld door het ICT-onderzoek Platform Nederland (IPN) en NWO Exacte Wetenschappen, met steun van de Koninklijke Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen (KHMW).

[Engelse kadertekst over de prijs]
Computer scientist Bettina Speckmann (1972), associate professor at the TU Eindhoven, is the first winner of the Dutch Prize for ICT-research. On November 30 she will receive the prize, worth € 50.000, for her research in the broad field of the design and analysis of algorithms and data structures, discrete and computational geometry, applications of computational geometry to geographic information systems, cartography and graph drawing. The prize is an initiative of the ICT-research Platform Netherlands (IPN) and NWO Exacte Wetenschappen, supported by the Koninklijke Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen (KHMW). The prize is meant for a computer scientist under 40, who has achieved a breakthrough in the field of information and communication technologies.

Internet
www.win.tue.nl/~speckman/ Homepage Bettina Speckmann
http://fastfacts.nl/content/bettina-speckmann-models-maps-and-motion Video waarin Bettina Speckmann haar werk uitlegt