Real-time rendering of large surface-scanned range data natively on a GPU

This thesis presents research carried out for the visualisation of surface anatomy data stored as large range images such as those produced by stereo-photogrammetric, and other triangulation-based capture devices. As part of this research, I explored the use of points as a rendering primitive as opposed to polygons, and the use of range images as the native data representation. Using points as a display primitive as opposed to polygons required the creation of a pipeline that solved problems associated with point-based rendering. The problems inves tigated were scattered-data interpolation (a common problem with point-based rendering), multi-view rendering, multi-resolution representations, anti-aliasing, and hidden-point re- moval. In addition, an efficient real-time implementation on the GPU was carried out

Across Space and Time. Papers from the 41st Conference on Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology, Perth, 25-28 March 2013

This volume presents a selection of the best papers presented at the forty-first annual Conference on Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology. The theme for the conference was "Across Space and Time", and the papers explore a multitude of topics related to that concept, including databases, the semantic Web, geographical information systems, data collection and management, and more

Uncertainty Minimization in Robotic 3D Mapping Systems Operating in Dynamic Large-Scale Environments

This dissertation research is motivated by the potential and promise of 3D sensing technologies in safety and security applications. With specific focus on unmanned robotic mapping to aid clean-up of hazardous environments, under-vehicle inspection, automatic runway/pavement inspection and modeling of urban environments, we develop modular, multi-sensor, multi-modality robotic 3D imaging prototypes using localization/navigation hardware, laser range scanners and video cameras. While deploying our multi-modality complementary approach to pose and structure recovery in dynamic real-world operating conditions, we observe several data fusion issues that state-of-the-art methodologies are not able to handle. Different bounds on the noise model of heterogeneous sensors, the dynamism of the operating conditions and the interaction of the sensing mechanisms with the environment introduce situations where sensors can intermittently degenerate to accuracy levels lower than their design specification. This observation necessitates the derivation of methods to integrate multi-sensor data considering sensor conflict, performance degradation and potential failure during operation. Our work in this dissertation contributes the derivation of a fault-diagnosis framework inspired by information complexity theory to the data fusion literature. We implement the framework as opportunistic sensing intelligence that is able to evolve a belief policy on the sensors within the multi-agent 3D mapping systems to survive and counter concerns of failure in challenging operating conditions. The implementation of the information-theoretic framework, in addition to eliminating failed/non-functional sensors and avoiding catastrophic fusion, is able to minimize uncertainty during autonomous operation by adaptively deciding to fuse or choose believable sensors. We demonstrate our framework through experiments in multi-sensor robot state localization in large scale dynamic environments and vision-based 3D inference. Our modular hardware and software design of robotic imaging prototypes along with the opportunistic sensing intelligence provides significant improvements towards autonomous accurate photo-realistic 3D mapping and remote visualization of scenes for the motivating applications

Statistical shape analysis of neuroanatomical structures based on spherical wavelet transformation

Thesis (Ph. D.)--Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, 2008.Includes bibliographical references.Evidence suggests that morphological changes of neuroanatomical structures may reflect abnormalities in neurodevelopment, or relate to a variety of disorders, such as schizophrenia and Alzheimer's disease (AD). Advances in high-resolution Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniques allow us to study these alterations of brain structures in vivo. Previous work in studying the shape variations of brain structures has provided additional localized information compared with traditional volume-based study. However, challenges remain in finding an accurate shape presentation and conducting shape analysis with sound statistical principles. In this work, we develop methods for automatically extracting localized and multi-scale shape features and conducting statistical shape analysis of neuroanatomical structures obtained from MR images. We first develop a procedure to extract multi-scale shape features of brain structures using biorthogonal spherical wavelets. Using this wavelet-based shape representation, we build multi-scale shape models and study the localized cortical folding variations in a normal population using Principal Component Analysis (PCA). We then build a shape-based classification framework for detecting pathological changes of cortical surfaces using advanced classification methods, such as predictive Automatic Relevance Determination (pred-ARD), and demonstrate promising results in patient/control group comparison studies. Thirdly, we develop a nonlinear temporal model for studying the temporal order and regional difference of cortical folding development based on this shape representation. Furthermore, we develop a shape-guided segmentation method to improve the segmentation of sub-cortical structures, such as hippocampus, by using shape constraints obtained in the wavelet domain.(cont.) Finally, we improve upon the proposed wavelet-based shape representation by adopting a newly developed over-complete spherical wavelet transformation and demonstrate its utility in improving the accuracy and stability of shape representations. By using these shape representations and statistical analysis methods, we have demonstrated promising results in localizing shape changes of neuroanatomical structures related to aging, neurological diseases, and neurodevelopment at multiple spatial scales. Identification of these shape changes could potentially lead to more accurate diagnoses and improved understanding of neurodevelopment and neurological diseases.by Peng Yu.Ph.D

Across Space and Time Papers from the 41st Conference on Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology, Perth, 25-28 March 2013

The present volume includes 50 selected peer-reviewed papers presented at the 41st Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology Across Space and Time (CAA2013) conference held in Perth (Western Australia) in March 2013 at the University Club of Western Australia and hosted by the recently established CAA Australia National Chapter. It also hosts a paper presented at the 40th Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology (CAA2012) conference held in Southampton

From Image-based Motion Analysis to Free-Viewpoint Video

The problems of capturing real-world scenes with cameras and automatically analyzing the visible motion have traditionally been in the focus of computer vision research. The photo-realistic rendition of dynamic real-world scenes, on the other hand, is a problem that has been investigated in the field of computer graphics. In this thesis, we demonstrate that the joint solution to all three of these problems enables the creation of powerful new tools that are benecial for both research disciplines. Analysis and rendition of real-world scenes with human actors are amongst the most challenging problems. In this thesis we present new algorithmic recipes to attack them. The dissertation consists of three parts: In part I, we present novel solutions to two fundamental problems of human motion analysis. Firstly, we demonstrate a novel hybrid approach for markerfree human motion capture from multiple video streams. Thereafter, a new algorithm for automatic non-intrusive estimation of kinematic body models of arbitrary moving subjects from video is detailed. In part II of the thesis, we demonstrate that a marker-free motion capture approach makes possible the model-based reconstruction of free-viewpoint videos of human actors from only a handful of video streams. The estimated 3D videos enable the photo-realistic real-time rendition of a dynamic scene from arbitrary novel viewpoints. Texture information from video is not only applied to generate a realistic surface appearance, but also to improve the precision of the motion estimation scheme. The commitment to a generic body model also allows us to reconstruct a time-varying reflectance description of an actor`s body surface which allows us to realistically render the free-viewpoint videos under arbitrary lighting conditions. A novel method to capture high-speed large scale motion using regular still cameras and the principle of multi-exposure photography is described in part III. The fundamental principles underlying the methods in this thesis are not only applicable to humans but to a much larger class of subjects. It is demonstrated that, in conjunction, our proposed algorithmic recipes serve as building blocks for the next generation of immersive 3D visual media.Die Entwicklung neuer Algorithmen zur optischen Erfassung und Analyse der Bewegung in dynamischen Szenen ist einer der Forschungsschwerpunkte in der computergestützten Bildverarbeitung. Während im maschinellen Bildverstehen das Augenmerk auf der Extraktion von Informationen liegt, konzentriert sich die Computergrafik auf das inverse Problem, die fotorealistische Darstellung bewegter Szenen. In jüngster Vergangenheit haben sich die beiden Disziplinen kontinuierlich angenähert, da es eine Vielzahl an herausfordernden wissenschaftlichen Fragestellungen gibt, die eine gemeinsame Lösung des Bilderfassungs-, des Bildanalyse- und des Bildsyntheseproblems verlangen. Zwei der schwierigsten Probleme, welche für Forscher aus beiden Disziplinen eine große Relevanz besitzen, sind die Analyse und die Synthese von dynamischen Szenen, in denen Menschen im Mittelpunkt stehen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren vorgestellt, welche die optische Erfassung dieser Art von Szenen, die automatische Analyse der Bewegungen und die realistische neue Darstellung im Computer erlauben. Es wid deutlich werden, dass eine Integration von Algorithmen zur Lösung dieser drei Probleme in ein Gesamtsystem die Erzeugung völlig neuartiger dreidimensionaler Darstellungen von Menschen in Bewegung ermöglicht. Die Dissertation ist in drei Teile gegliedert: Teil I beginnt mit der Beschreibung des Entwurfs und des Baus eines Studios zur zeitsynchronen Erfassung mehrerer Videobildströme. Die im Studio aufgezeichneten Multivideosequenzen dienen als Eingabedaten für die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten videogestützten Bewegunsanalyseverfahren und die Algorithmen zur Erzeugung dreidimensionaler Videos. Im Anschluß daran werden zwei neu entwickelte Verfahren vorgestellt, die Antworten auf zwei fundamentale Fragen in der optischen Erfassung menschlicher Bewegung geben, die Messung von Bewegungsparametern und die Erzeugung von kinematischen Skelettmodellen. Das erste Verfahren ist ein hybrider Algorithmus zur markierungslosen optischen Messung von Bewegunsgparametern aus Multivideodaten. Der Verzicht auf optische Markierungen wird dadurch ermöglicht, dass zur Bewegungsanalyse sowohl aus den Bilddaten rekonstruierte Volumenmodelle als auch leicht zu erfassende Körpermerkmale verwendet werden. Das zweite Verfahren dient der automatischen Rekonstruktion eines kinematischen Skelettmodells anhand von Multivideodaten. Der Algorithmus benötigt weder optischen Markierungen in der Szene noch a priori Informationen über die Körperstruktur, und ist in gleicher Form auf Menschen, Tiere und Objekte anwendbar. Das Thema das zweiten Teils dieser Arbeit ist ein modellbasiertes Verfahrenzur Rekonstruktion dreidimensionaler Videos von Menschen in Bewegung aus nur wenigen zeitsynchronen Videoströmen. Der Betrachter kann die errechneten 3D Videos auf einem Computer in Echtzeit abspielen und dabei interaktiv einen beliebigen virtuellen Blickpunkt auf die Geschehnisse einnehmen. Im Zentrum unseres Ansatzes steht ein silhouettenbasierter Analyse-durch-Synthese Algorithmus, der es ermöglicht, ohne optische Markierungen sowohl die Form als auch die Bewegung eines Menschen zu erfassen. Durch die Berechnung zeitveränderlicher Oberächentexturen aus den Videodaten ist gewährleistet, dass eine Person aus jedem beliebigen Blickwinkel ein fotorealistisches Erscheinungsbild besitzt. In einer ersten algorithmischen Erweiterung wird gezeigt, dass die Texturinformation auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Bewegunsgssch ätzung eingesetzt werden kann. Zudem ist es durch die Verwendung eines generischen Körpermodells möglich, nicht nur dynamische Texturen sondern sogar dynamische Reektionseigenschaften der Körperoberäche zu messen. Unser Reektionsmodell besteht aus einer parametrischen BRDF für jeden Texel und einer dynamischen Normalenkarte für die gesamte Körperoberäche. Auf diese Weise können 3D Videos auch unter völlig neuen simulierten Beleuchtungsbedingungen realistisch wiedergegeben werden. Teil III dieser Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur optischen Messung sehr schneller Bewegungen. Bisher erforderten optische Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen sehr teure Spezialkameras mit hohen Bildraten. Im Gegensatz dazu verwendet die hier beschriebene Methode einfache Digitalfotokameras und das Prinzip der Multiblitzfotograe. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens sowohl die sehr schnelle artikulierte Handbewegung des Werfers als auch die Flugparameter des Balls während eines Baseballpitches gemessen werden können. Die hochgenau erfaßten Parameter ermöglichen es, die gemessene Bewegung in völlig neuer Weise im Computer zu visualisieren. Obgleich die in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren vornehmlich der Analyse und Darstellung menschlicher Bewegungen dienen, sind die grundlegenden Prinzipien auch auf viele anderen Szenen anwendbar. Jeder der beschriebenen Algorithmen löst zwar in erster Linie ein bestimmtes Teilproblem, aber in Ihrer Gesamtheit können die Verfahren als Bausteine verstanden werden, welche die nächste Generation interaktiver dreidimensionaler Medien ermöglichen werden