A Fast and Robust Extrinsic Calibration for RGB-D Camera Networks

From object tracking to 3D reconstruction, RGB-Depth (RGB-D) camera networks play an increasingly important role in many vision and graphics applications. Practical applications often use sparsely-placed cameras to maximize visibility, while using as few cameras as possible to minimize cost. In general, it is challenging to calibrate sparse camera networks due to the lack of shared scene features across different camera views. In this paper, we propose a novel algorithm that can accurately and rapidly calibrate the geometric relationships across an arbitrary number of RGB-D cameras on a network. Our work has a number of novel features. First, to cope with the wide separation between different cameras, we establish view correspondences by using a spherical calibration object. We show that this approach outperforms other techniques based on planar calibration objects. Second, instead of modeling camera extrinsic calibration using rigid transformation, which is optimal only for pinhole cameras, we systematically test different view transformation functions including rigid transformation, polynomial transformation and manifold regression to determine the most robust mapping that generalizes well to unseen data. Third, we reformulate the celebrated bundle adjustment procedure to minimize the global 3D reprojection error so as to fine-tune the initial estimates. Finally, our scalable client-server architecture is computationally efficient: the calibration of a five-camera system, including data capture, can be done in minutes using only commodity PCs. Our proposed framework is compared with other state-of-the-arts systems using both quantitative measurements and visual alignment results of the merged point clouds

Vermessung, Modellierung und Verifizierung von Licht-Masse-Interaktions-Phänomenen

The photo-realistic rendering of scenes showing natural phenomena requires skilled graphic designers not only to produce a convincingly good-looking image but also to convey physical plausibility. This is especially important in industrial context, where a modelled scene showcasing a product has to approximate the actual environment of a product as closely as possible, e.g. in automotive industries. In this thesis, new techniques to measure natural phenomena are presented in order to provide new or verify existing models for rendering the physically plausible image. In contrast to other approaches, the measurement is performed using nonconventional methods: an ellipsometer is employed to capture the specular reflectance with respect to the polarisation behaviour, a transmissive screen attached to a glass tank is imaged to capture underwater reflectances, and the Microsoft Kinect, a motion capturing device, is used to detect the gas flows around objects. The results are the verification of existing, physically plausible models for commodity metals, an enhanced reflectance model for materials immersed in transparent media with known refractive index, and the reconstruction of two-phase gas flows around occluding objects.Das Erzeugen von Szenen mit natürlichen Phänomenen in fotorealistischer Qualität ist aufwändig, weil nicht nur ein realistisches Bild erstellt werden soll, sondern auch physikalische Plausibilität in Bezug auf das modellierte Phänomen verlangt wird. Besonders in der Industrie, z.B. in der Automobilindustrie, sollte die modellierte Szene, in der ein Produkt eingesetzt wird, der tatsächlichen Einsatzumgebung so naturgetreu wie möglich ähneln. In dieser Dissertation werden neue Ansätze zum Messen von natürlichen Phänomenen präsentiert, die es ermöglichen, für bestimmte Phänomene neue Modelle zu erstellen oder bestehende Modelle erschöpfender zu verifizieren, um damit physikalische Plausibilität für Szenen, die am Computer ereugt werden, zu gewährleisten. Im Unterschied zu anderen Verfahren, werden unkonventionelle Methoden zur Messung umgesetzt: Mit Hilfe eines Ellipsometers wird die Oberflächenreflektanz von Metallen so vermessen, dass auch Änderungen im Polarisationszustand des Lichtes erfasst werden. Unterwasserreflektanzen von Materialien werden mit Hilfe eines lichtdurchlässigen Diffusers abgebildet, der an einen Glasbecher angebracht wird, und der Bewegungssensor Kinect von Microsoft wird verwendet, um Gasströmungen um Objekte zu detektieren. Die Ergebnisse sind die Verifikation von bestehenden Modellen für handelsübliche Metallflächen, ein erweitertes Reflektanzmodell für Oberflächen, die in refraktive Medien eingetaucht werden und die Rekonstruktion von Gasströmungen um Objekte

Kinect-Based Correction of Overexposure Artifacts in Knee Imaging with C-Arm CT Systems

Objective. To demonstrate a novel approach of compensating overexposure artifacts in CT scans of the knees without attaching any supporting appliances to the patient. C-Arm CT systems offer the opportunity to perform weight-bearing knee scans on standing patients to diagnose diseases like osteoarthritis. However, one serious issue is overexposure of the detector in regions close to the patella, which can not be tackled with common techniques. Methods. A Kinect camera is used to algorithmically remove overexposure artifacts close to the knee surface. Overexposed near-surface knee regions are corrected by extrapolating the absorption values from more reliable projection data. To achieve this, we develop a cross-calibration procedure to transform surface points from the Kinect to CT voxel coordinates. Results. Artifacts at both knee phantoms are reduced significantly in the reconstructed data and a major part of the truncated regions is restored. Conclusion. The results emphasize the feasibility of the proposed approach. The accuracy of the cross-calibration procedure can be increased to further improve correction results. Significance. The correction method can be extended to a multi-Kinect setup for use in real-world scenarios. Using depth cameras does not require prior scans and offers the possibility of a temporally synchronized correction of overexposure artifacts. To achieve this, we develop a cross-calibration procedure to transform surface points from the Kinect to CT voxel coordinates

FULL 3D RECONSTRUCTION OF DYNAMIC NON-RIGID SCENES: ACQUISITION AND ENHANCEMENT

Recent advances in commodity depth or 3D sensing technologies have enabled us to move closer to the goal of accurately sensing and modeling the 3D representations of complex dynamic scenes. Indeed, in domains such as virtual reality, security, surveillance and e-health, there is now a greater demand for aff ordable and flexible vision systems which are capable of acquiring high quality 3D reconstructions. Available commodity RGB-D cameras, though easily accessible, have limited fi eld-of-view, and acquire noisy and low-resolution measurements which restricts their direct usage in building such vision systems. This thesis targets these limitations and builds approaches around commodity 3D sensing technologies to acquire noise-free and feature preserving full 3D reconstructions of dynamic scenes containing, static or moving, rigid or non-rigid objects. A mono-view system based on a single RGB-D camera is incapable of acquiring full 360 degrees 3D reconstruction of a dynamic scene instantaneously. For this purpose, a multi-view system composed of several RGB-D cameras covering the whole scene is used. In the first part of this thesis, the domain of correctly aligning the information acquired from RGB-D cameras in a multi-view system to provide full and textured 3D reconstructions of dynamic scenes, instantaneously, is explored. This is achieved by solving the extrinsic calibration problem. This thesis proposes an extrinsic calibration framework which uses the 2D photometric and 3D geometric information, acquired with RGB-D cameras, according to their relative (in)accuracies, a ffected by the presence of noise, in a single weighted bi-objective optimization. An iterative scheme is also proposed, which estimates the parameters of noise model aff ecting both 2D and 3D measurements, and solves the extrinsic calibration problem simultaneously. Results show improvement in calibration accuracy as compared to state-of-art methods. In the second part of this thesis, the domain of enhancement of noisy and low-resolution 3D data acquired with commodity RGB-D cameras in both mono-view and multi-view systems is explored. This thesis extends the state-of-art in mono-view template-free recursive 3D data enhancement which targets dynamic scenes containing rigid-objects, and thus requires tracking only the global motions of those objects for view-dependent surface representation and fi ltering. This thesis proposes to target dynamic scenes containing non-rigid objects which introduces the complex requirements of tracking relatively large local motions and maintaining data organization for view-dependent surface representation. The proposed method is shown to be e ffective in handling non-rigid objects of changing topologies. Building upon the previous work, this thesis overcomes the requirement of data organization by proposing an approach based on view-independent surface representation. View-independence decreases the complexity of the proposed algorithm and allows it the flexibility to process and enhance noisy data, acquired with multiple cameras in a multi-view system, simultaneously. Moreover, qualitative and quantitative experimental analysis shows this method to be more accurate in removing noise to produce enhanced 3D reconstructions of non-rigid objects. Although, extending this method to a multi-view system would allow for obtaining instantaneous enhanced full 360 degrees 3D reconstructions of non-rigid objects, it still lacks the ability to explicitly handle low-resolution data. Therefore, this thesis proposes a novel recursive dynamic multi-frame 3D super-resolution algorithm together with a novel 3D bilateral total variation regularization to filter out the noise, recover details and enhance the resolution of data acquired from commodity cameras in a multi-view system. Results show that this method is able to build accurate, smooth and feature preserving full 360 degrees 3D reconstructions of the dynamic scenes containing non-rigid objects

Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

Of assembling small sculptures and disassembling large geometry

This thesis describes the research results and contributions that have been achieved during the author’s doctoral work. It is divided into two independent parts, each of which is devoted to a particular research aspect. The first part covers the true-to-detail creation of digital pieces of art, so-called relief sculptures, from given 3D models. The main goal is to limit the depth of the contained objects with respect to a certain perspective without compromising the initial three-dimensional impression. Here, the preservation of significant features and especially their sharpness is crucial. Therefore, it is necessary to overemphasize fine surface details to ensure their perceptibility in the more complanate relief. Our developments are aimed at amending the flexibility and user-friendliness during the generation process. The main focus is on providing real-time solutions with intuitive usability that make it possible to create precise, lifelike and aesthetic results. These goals are reached by a GPU implementation, the use of efficient filtering techniques, and the replacement of user defined parameters by adaptive values. Our methods are capable of processing dynamic scenes and allow the generation of seamless artistic reliefs which can be composed of multiple elements. The second part addresses the analysis of repetitive structures, so-called symmetries, within very large data sets. The automatic recognition of components and their patterns is a complex correspondence problem which has numerous applications ranging from information visualization over compression to automatic scene understanding. Recent algorithms reach their limits with a growing amount of data, since their runtimes rise quadratically. Our aim is to make even massive data sets manageable. Therefore, it is necessary to abstract features and to develop a suitable, low-dimensional descriptor which ensures an efficient, robust, and purposive search. A simple inspection of the proximity within the descriptor space helps to significantly reduce the number of necessary pairwise comparisons. Our method scales quasi-linearly and allows a rapid analysis of data sets which could not be handled by prior approaches because of their size.Die vorgelegte Arbeit beschreibt die wissenschaftlichen Ergebnisse und Beiträge, die während der vergangenen Promotionsphase entstanden sind. Sie gliedert sich in zwei voneinander unabhängige Teile, von denen jeder einem eigenen Forschungsschwerpunkt gewidmet ist. Der erste Teil beschäftigt sich mit der detailgetreuen Erzeugung digitaler Kunstwerke, sogenannter Reliefplastiken, aus gegebenen 3D-Modellen. Das Ziel ist es, die Objekte, abhängig von der Perspektive, stark in ihrer Tiefe zu limitieren, ohne dass der Eindruck der räumlichen Ausdehnung verloren geht. Hierbei kommt dem Aufrechterhalten der Schärfe signifikanter Merkmale besondere Bedeutung zu. Dafür ist es notwendig, die feinen Details der Objektoberfläche überzubetonen, um ihre Sichtbarkeit im flacheren Relief zu gewährleisten. Unsere Weiterentwicklungen zielen auf die Verbesserung der Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit während des Enstehungsprozesses ab. Der Fokus liegt dabei auf dem Bereitstellen intuitiv bedienbarer Echtzeitlösungen, die die Erzeugung präziser, naturgetreuer und visuell ansprechender Resultate ermöglichen. Diese Ziele werden durch eine GPU-Implementierung, den Einsatz effizienter Filtertechniken sowie das Ersetzen benutzergesteuerter Parameter durch adaptive Werte erreicht. Unsere Methoden erlauben das Verarbeiten dynamischer Szenen und die Erstellung nahtloser, kunstvoller Reliefs, die aus mehreren Elementen und Perspektiven zusammengesetzt sein können. Der zweite Teil behandelt die Analyse wiederkehrender Stukturen, sogenannter Symmetrien, innerhalb sehr großer Datensätze. Das automatische Erkennen von Komponenten und deren Muster ist ein komplexes Korrespondenzproblem mit zahlreichen Anwendungen, von der Informationsvisualisierung über Kompression bis hin zum automatischen Verstehen. Mit zunehmender Datenmenge geraten die etablierten Algorithmen an ihre Grenzen, da ihre Laufzeiten quadratisch ansteigen. Unser Ziel ist es, auch massive Datensätze handhabbar zu machen. Dazu ist es notwendig, Merkmale zu abstrahieren und einen passenden niedrigdimensionalen Deskriptor zu entwickeln, der eine effiziente, robuste und zielführende Suche erlaubt. Eine simple Betrachtung der Nachbarschaft innerhalb der Deskriptoren hilft dabei, die Anzahl notwendiger paarweiser Vergleiche signifikant zu reduzieren. Unser Verfahren skaliert quasi-linear und ermöglicht somit eine rasche Auswertung auch auf Daten, die für bisherige Methoden zu groß waren

Shape Retrieval Methods for Architectural 3D Models

This thesis introduces new methods for content-based retrieval of architecture-related 3D models. We thereby consider two different overall types of architectural 3D models. The first type consists of context objects that are used for detailed design and decoration of 3D building model drafts. This includes e.g. furnishing for interior design or barriers and fences for forming the exterior environment. The second type consists of actual building models. To enable efficient content-based retrieval for both model types that is tailored to the user requirements of the architectural domain, type-specific algorithms must be developed. On the one hand, context objects like furnishing that provide similar functions (e.g. seating furniture) often share a similar shape. Nevertheless they might be considered to belong to different object classes from an architectural point of view (e.g. armchair, elbow chair, swivel chair). The differentiation is due to small geometric details and is sometimes only obvious to an expert from the domain. Building models on the other hand are often distinguished according to the underlying floor- and room plans. Topological floor plan properties for example serve as a starting point for telling apart residential and commercial buildings. The first contribution of this thesis is a new meta descriptor for 3D retrieval that combines different types of local shape descriptors using a supervised learning approach. The approach enables the differentiation of object classes according to small geometric details and at the same time integrates expert knowledge from the field of architecture. We evaluate our approach using a database containing arbitrary 3D models as well as on one that only consists of models from the architectural domain. We then further extend our approach by adding a sophisticated shape descriptor localization strategy. Additionally, we exploit knowledge about the spatial relationship of object components to further enhance the retrieval performance. In the second part of the thesis we introduce attributed room connectivity graphs (RCGs) as a means to characterize a 3D building model according to the structure of its underlying floor plans. We first describe how RCGs are inferred from a given building model and discuss how substructures of this graph can be queried efficiently. We then introduce a new descriptor denoted as Bag-of-Attributed-Subgraphs that transforms attributed graphs into a vector-based representation using subgraph embeddings. We finally evaluate the retrieval performance of this new method on a database consisting of building models with different floor plan types. All methods presented in this thesis are aimed at an as automated as possible workflow for indexing and retrieval such that only minimum human interaction is required. Accordingly, only polygon soups are required as inputs which do not need to be manually repaired or structured. Human effort is only needed for offline groundtruth generation to enable supervised learning and for providing information about the orientation of building models and the unit of measurement used for modeling

Image-Based Approaches to Hair Modeling

Hair is a relevant characteristic of virtual characters, therefore the modeling of plausible facial hair and hairstyles is an essential step in the generation of computer generated (CG) avatars. However, the inherent geometric complexity of hair together with the huge number of filaments of an average human head make the task of modeling hairstyles a very challenging one. To date this is commonly a manual process which requires artist skills or very specialized and costly acquisition software. In this work we present an image-based approach to model facial hair (beard and eyebrows) and (head) hairstyles. Since facial hair is usually much shorter than the average head hair two different methods are resented, adapted to the characteristics of the hair to be modeled. Facial hair is modeled using data extracted from facial texture images and missing information is inferred by means of a database-driven prior model. Our hairstyle reconstruction technique employs images of the hair to be modeled taken with a thermal camera. The major advantage of our thermal image-based method over conventional image-based techniques lies on the fact that during data capture the hairstyle is "lit from the inside": the thermal camera captures heat irradiated by the head and actively re-emitted by the hair filaments almost isotropically. Following this approach we can avoid several issues of conventional image-based techniques, like shadowing or anisotropy in reflectance. The presented technique requires minimal user interaction and a simple acquisition setup. Several challenging examples demonstrate the potential of the proposed approach

Applied Visualization in the Neurosciences and the Enhancement of Visualization through Computer Graphics

The complexity and size of measured and simulated data in many fields of science is increasing constantly. The technical evolution allows for capturing smaller features and more complex structures in the data. To make this data accessible by the scientists, efficient and specialized visualization techniques are required. Maximum efficiency and value for the user can only be achieved by adapting visualization to the specific application area and the specific requirements of the scientific field. Part I: In the first part of my work, I address the visualization in the neurosciences. The neuroscience tries to understand the human brain; beginning at its smallest parts, up to its global infrastructure. To achieve this ambitious goal, the neuroscience uses a combination of three-dimensional data from a myriad of sources, like MRI, CT, or functional MRI. To handle this diversity of different data types and sources, the neuroscience need specialized and well evaluated visualization techniques. As a start, I will introduce an extensive software called \"OpenWalnut\". It forms the common base for developing and using visualization techniques with our neuroscientific collaborators. Using OpenWalnut, standard and novel visualization approaches are available to the neuroscientific researchers too. Afterwards, I am introducing a very specialized method to illustrate the causal relation of brain areas, which was, prior to that, only representable via abstract graph models. I will finalize the first part of my work with an evaluation of several standard visualization techniques in the context of simulated electrical fields in the brain. The goal of this evaluation was clarify the advantages and disadvantages of the used visualization techniques to the neuroscientific community. We exemplified these, using clinically relevant scenarios. Part II: Besides the data preprocessing, which plays a tremendous role in visualization, the final graphical representation of the data is essential to understand structure and features in the data. The graphical representation of data can be seen as the interface between the data and the human mind. The second part of my work is focused on the improvement of structural and spatial perception of visualization -- the improvement of the interface. Unfortunately, visual improvements using computer graphics methods of the computer game industry is often seen sceptically. In the second part, I will show that such methods can be applied to existing visualization techniques to improve spatiality and to emphasize structural details in the data. I will use a computer graphics paradigm called \"screen space rendering\". Its advantage, amongst others, is its seamless applicability to nearly every visualization technique. I will start with two methods that improve the perception of mesh-like structures on arbitrary surfaces. Those mesh structures represent second-order tensors and are generated by a method named \"TensorMesh\". Afterwards I show a novel approach to optimally shade line and point data renderings. With this technique it is possible for the first time to emphasize local details and global, spatial relations in dense line and point data.In vielen Bereichen der Wissenschaft nimmt die Größe und Komplexität von gemessenen und simulierten Daten zu. Die technische Entwicklung erlaubt das Erfassen immer kleinerer Strukturen und komplexerer Sachverhalte. Um solche Daten dem Menschen zugänglich zu machen, benötigt man effiziente und spezialisierte Visualisierungswerkzeuge. Nur die Anpassung der Visualisierung auf ein Anwendungsgebiet und dessen Anforderungen erlaubt maximale Effizienz und Nutzen für den Anwender. Teil I: Im ersten Teil meiner Arbeit befasse ich mich mit der Visualisierung im Bereich der Neurowissenschaften. Ihr Ziel ist es, das menschliche Gehirn zu begreifen; von seinen kleinsten Teilen bis hin zu seiner Gesamtstruktur. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen nutzt die Neurowissenschaft vor allem kombinierte, dreidimensionale Daten aus vielzähligen Quellen, wie MRT, CT oder funktionalem MRT. Um mit dieser Vielfalt umgehen zu können, benötigt man in der Neurowissenschaft vor allem spezialisierte und evaluierte Visualisierungsmethoden. Zunächst stelle ich ein umfangreiches Softwareprojekt namens \"OpenWalnut\" vor. Es bildet die gemeinsame Basis für die Entwicklung und Nutzung von Visualisierungstechniken mit unseren neurowissenschaftlichen Kollaborationspartnern. Auf dieser Basis sind klassische und neu entwickelte Visualisierungen auch für Neurowissenschaftler zugänglich. Anschließend stelle ich ein spezialisiertes Visualisierungsverfahren vor, welches es ermöglicht, den kausalen Zusammenhang zwischen Gehirnarealen zu illustrieren. Das war vorher nur durch abstrakte Graphenmodelle möglich. Den ersten Teil der Arbeit schließe ich mit einer Evaluation verschiedener Standardmethoden unter dem Blickwinkel simulierter elektrischer Felder im Gehirn ab. Das Ziel dieser Evaluation war es, der neurowissenschaftlichen Gemeinde die Vor- und Nachteile bestimmter Techniken zu verdeutlichen und anhand klinisch relevanter Fälle zu erläutern. Teil II: Neben der eigentlichen Datenvorverarbeitung, welche in der Visualisierung eine enorme Rolle spielt, ist die grafische Darstellung essenziell für das Verständnis der Strukturen und Bestandteile in den Daten. Die grafische Repräsentation von Daten bildet die Schnittstelle zum Gehirn des Menschen. Der zweite Teile meiner Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der strukturellen und räumlichen Wahrnehmung in Visualisierungsverfahren -- mit der Verbesserung der Schnittstelle. Leider werden viele visuelle Verbesserungen durch Computergrafikmethoden der Spieleindustrie mit Argwohn beäugt. Im zweiten Teil meiner Arbeit werde ich zeigen, dass solche Methoden in der Visualisierung angewendet werden können um den räumlichen Eindruck zu verbessern und Strukturen in den Daten hervorzuheben. Dazu nutze ich ein in der Computergrafik bekanntes Paradigma: das \"Screen Space Rendering\". Dieses Paradigma hat den Vorteil, dass es auf nahezu jede existierende Visualiserungsmethode als Nachbearbeitunsgschritt angewendet werden kann. Zunächst führe ich zwei Methoden ein, die die Wahrnehmung von gitterartigen Strukturen auf beliebigen Oberflächen verbessern. Diese Gitter repräsentieren die Struktur von Tensoren zweiter Ordnung und wurden durch eine Methode namens \"TensorMesh\" erzeugt. Anschließend zeige ich eine neuartige Technik für die optimale Schattierung von Linien und Punktdaten. Mit dieser Technik ist es erstmals möglich sowohl lokale Details als auch globale räumliche Zusammenhänge in dichten Linien- und Punktdaten zu erfassen

Physiological Sensing for Affective Computing

This thesis addresses two aspects related to enabling systems to recognize the affective state of people and respond sensibly to it. First, the issue of representing affective states and unambiguously assigning physiological measurements to those is addressed by suggesting a new approach based on the dimensional emotion model of valence and arousal. Second, the issue of sensing affect-related physiological data is addressed by suggesting a concept for physiological sensor systems that live up to the requirements of adaptive, user-centred systems.In dieser Arbeit wird ein Konzept zur eindeutigen Zuordnung physiologischer Messdaten zu Emotionszuständen erarbeitet, wobei Probleme klassischer Ansätze hierzu vermieden werden. Des Weiteren widmet sich die Arbeit der Erfassung emotionsbezogener physiologischer Parameter. Es wird ein Konzept für Sensorsysteme vorgestellt, welches die zuverlässige Erfassung relevanter physiologischer Parameter erlaubt, ohne jedoch den Nutzer stark zu beeinträchtigen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der alltagstauglichen Gestaltung des Systems