Diamant scannen

Een Antwerps onderzoeksteam maakt supersnel een 3D-scan van het inwendige van diamanten. Ze bouwden er zelf een unieke computer voor, die gelukkig niet smolt. Ionica Smeets

Gereconstrueerd zijaanzicht van een diamant die te groot was voor een complete scan, maar die met de nieuwe methode toch 3D in kaart gebracht kon worden uit losse röntgenfoto’s. (Foto vision lab antwerpen) Vision Lab

Wie het inwendige van een ruwe diamant in kaart wil brengen, was tot dusverre aangewezen op een uitgebreide CT-scan. Met behulp van zo’n scan is te achterhalen hoe de diamanten zo voordelig mogelijk uit het ruwe brok geslepen kunnen worden. Diamantslijpers streven ernaar diamanten zó te slijpen dat zo min mogelijk materiaal verloren gaat en dat de diamanten die ze slijpen, geen verontreinigingen bevatten. Vroeger was dat vooral een kwestie van vakmanschap en Fingerspitzengefühl, tegenwoordig wordt van een ruwe diamant eerst een doorlopende reeks röntgenopnames gemaakt die, allemaal aan elkaar geplakt, een driedimensionaal beeld vormen, precies als met een medische computertomografie (CT-scan).

Onderzoekers van het Vision Lab van de Universiteit Antwerpen kunnen zo’n 3D-opname nu ook maken uit tien keer zo weinig losse röntgenfoto’s. Dat kost wel veel meer rekentijd, maar daarvoor bouwde de groep een gespecialiseerde supercomputer – van het formaat van een gewone pc.

Joost Batenburg leidt met Jan Sijbers de onderzoeksgroep All Scale Tomographic Reconstruction Antwerp (ASTRA). Op bezoek in Leiden, waar hij in 2006 promoveerde, vertelt hij dat hun groep inmiddels bedolven wordt onder vragen van onderzoekers die hun techniek willen gebruiken: “En Microsoft is onze computer aan het nabouwen.”

tomografie

Het team berekent driedimensionale beelden uit projecties. In dat opzicht verschilt hun werk niet van de tomografie uit de medische wereld. Een röntgenscanner maakt daarbij foto’s van een patiënt vanuit verschillende hoeken. In een losse foto zit geen diepte: als twee organen achter elkaar liggen is niet te zien welke van de twee vooraan ligt. Tomografie combineert een doorlopende reeks foto’s tot een driedimensionaal beeld.

Het lukte Batenburg en zijn collega’s zo’n beeld te reconstrueren uit veel minder scans. Dat is handig voor diamantslijpers, en in de medische wereld zou het ook een groot voordeel zijn als er minder foto’s hoeven worden gemaakt - de stralingsbelasting voor patiënten is dan lager.

De Antwerpse diamantslijper Diamcad gebruikt de nieuwe rekenmethodes al. Een ruwe steen wordt vanuit verschillende hoeken gescand en uit de scans wordt een driedimensionaal beeld gereconstrueerd. Daaruit wordt dan automatisch bepaald waar en hoe de duurste diamanten geslepen kunnen worden. Met de oude methodes waren voor zo’n reconstructie 500 projecties nodig, met de nieuwe methodes nog maar 50. De scantijd neemt af van twee uur naar twaalf minuten.

dichtheid

Batenburg: “Het verschil is dat wij discrete tomografie gebruiken.” Bij discrete tomografie wordt aangenomen dat het gescande voorwerp uit één of slechts enkele materialen bestaat, met elk een eigen, constante dichtheid. Die aanname maakt het gemakkelijker om het beeld af te leiden uit de losse röntgenfoto’s die elk het object vanuit een andere hoek laten zien. Het kost wel veel rekentijd: miljarden stukjes van het beeld worden apart berekend.

Bij de diamantslijper wordt dat nog eens duidelijk: een gewone computer moet een week rekenen om de diamant uit losse foto’s te reconstrueren. Met de continue methodes duurde dat slechts tien minuten. Een supercomputer kan de discrete berekeningen wel snel uitvoeren, maar Batenburg zag daar geen heil in: te duur en te weinig beschikbare rekentijd. Hij kwam op het idee om een eigen supercomputer te bouwen met grafische kaarten uit de game-industrie. “Die kaarten zijn gemaakt om heel snel driedimensionale beelden op het scherm te brengen. Ze herhalen snel steeds dezelfde bewerkingen op andere gegevens, precies wat wij nodig hebben bij onze reconstructies.”

Er bleken vier grafische kaarten met elk twee processors in een gewone computer te passen. Niemand had eerder geprobeerd om acht grafische processors te koppelen en hardwaredeskundigen waren sceptisch. Batenburg: “Ze dachten dat het systeem zou smelten.”

Maar het werkte. FASTRA heet de nieuwe supercomputer en hij rekende in de eerste testen 350 keer zo snel als een computer met één processor. Het berekenen van het beeld van een diamant werd daarmee van een week weer teruggebracht naar een half uur.

open source

De omgebouwde computer kost minder dan 4000 euro, een fractie van de miljoenen euro’s die een traditionele supercomputer kost. Het bouwplan voor de Fastra staat op de site van Vision Lab. De groep wil in de toekomst ook de rekenmethodes als open source verspreiden: iedereen mag ze dan gratis gebruiken en verder ontwikkelen, als de resultaten ook weer gedeeld worden.

De FASTRA is niet voor elke toepassing te gebruiken. Een tekstverwerker kan er niet op draaien. De discrete methodes zelf werken ook niet altijd: ze zijn alleen geschikt voor objecten die daadwerkelijk bestaan uit een beperkt aantal materialen. Op dit moment wordt discrete tomografie gebruikt in onderzoek naar nanomaterialen en in botonderzoek bij muizen. Batenburg verwacht dat over vijf jaar discrete tomografie ook in medische toepassingen gebruikt zal worden: “Dezelfde scanners kunnen worden gebruikt, alleen de rekenmethodes moeten worden veranderd.”

Het plan van Batenburgs computer staat op fastra.ua.ac.be/nl