Capturing natural-colour 3D models of insects for species discovery

Collections of biological specimens are fundamental to scientific understanding and characterization of natural diversity. This paper presents a system for liberating useful information from physical collections by bringing specimens into the digital domain so they can be more readily shared, analyzed, annotated and compared. It focuses on insects and is strongly motivated by the desire to accelerate and augment current practices in insect taxonomy which predominantly use text, 2D diagrams and images to describe and characterize species. While these traditional kinds of descriptions are informative and useful, they cannot cover insect specimens "from all angles" and precious specimens are still exchanged between researchers and collections for this reason. Furthermore, insects can be complex in structure and pose many challenges to computer vision systems. We present a new prototype for a practical, cost-effective system of off-the-shelf components to acquire natural-colour 3D models of insects from around 3mm to 30mm in length. Colour images are captured from different angles and focal depths using a digital single lens reflex (DSLR) camera rig and two-axis turntable. These 2D images are processed into 3D reconstructions using software based on a visual hull algorithm. The resulting models are compact (around 10 megabytes), afford excellent optical resolution, and can be readily embedded into documents and web pages, as well as viewed on mobile devices. The system is portable, safe, relatively affordable, and complements the sort of volumetric data that can be acquired by computed tomography. This system provides a new way to augment the description and documentation of insect species holotypes, reducing the need to handle or ship specimens. It opens up new opportunities to collect data for research, education, art, entertainment, biodiversity assessment and biosecurity control.Comment: 24 pages, 17 figures, PLOS ONE journa

Accelerated volumetric reconstruction from uncalibrated camera views

While both work with images, computer graphics and computer vision are inverse problems. Computer graphics starts traditionally with input geometric models and produces image sequences. Computer vision starts with input image sequences and produces geometric models. In the last few years, there has been a convergence of research to bridge the gap between the two fields. This convergence has produced a new field called Image-based Rendering and Modeling (IBMR). IBMR represents the effort of using the geometric information recovered from real images to generate new images with the hope that the synthesized ones appear photorealistic, as well as reducing the time spent on model creation. In this dissertation, the capturing, geometric and photometric aspects of an IBMR system are studied. A versatile framework was developed that enables the reconstruction of scenes from images acquired with a handheld digital camera. The proposed system targets applications in areas such as Computer Gaming and Virtual Reality, from a lowcost perspective. In the spirit of IBMR, the human operator is allowed to provide the high-level information, while underlying algorithms are used to perform low-level computational work. Conforming to the latest architecture trends, we propose a streaming voxel carving method, allowing a fast GPU-based processing on commodity hardware

GPU-Based Optimization of a Free-Viewpoint Video System

We present a method for optimizing the reconstruction and rendering of 3D objects from multiple images by utilizing the latest features of consumer-level graphics hardware based on shader model 4.0. We accelerate visual hull reconstruction by rewriting a shape-from-silhouette algorithm to execute on the GPU's parallel architecture. Rendering a is optimized through the application of geometry shaders to generate billboarding microfacets textured with captured images. We also present a method for handling occlusion in the camera selection process that is optimized for execution on the GPU. Execution time is further improved by rendering intermediate results directly to texture to minimize the number of data transfers between graphics and main memory. We show our GPU based system to be significantly more efficient than a purely CPU-based approach, due to the parallel nature of the GPU, while maintaining graphical quality

Towards Real-Time Novel View Synthesis Using Visual Hulls

This thesis discusses fast novel view synthesis from multiple images taken from different viewpoints. We propose several new algorithms that take advantage of modern graphics hardware to create novel views. Although different approaches are explored, one geometry representation, the visual hull, is employed throughout our work. First the visual hull plays an auxiliary role and assists in reconstruction of depth maps that are utilized for novel view synthesis. Then we treat the visual hull as the principal geometry representation of scene objects. A hardwareaccelerated approach is presented to reconstruct and render visual hulls directly from a set of silhouette images. The reconstruction is embedded in the rendering process and accomplished with an alpha map trimming technique. We go on by combining this technique with hardware-accelerated CSG reconstruction to improve the rendering quality of visual hulls. Finally, photometric information is exploited to overcome an inherent limitation of the visual hull. All algorithms are implemented on a distributed system. Novel views are generated at interactive or real-time frame rates.In dieser Dissertation werden mehrere Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe neue Ansichten einer Szene aus mehreren Bildströmen errechnet werden können. Die Bildströme werden hierzu aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf die Szene aufgezeichnet. Wir schlagen mehrere Algorithmen vor, welche die Funktionen moderner Grafikhardware ausnutzen, um die neuen Ansichten zu errechnen. Obwohl die Verfahren sich methodisch unterscheiden, basieren sie auf der gleichen Geometriedarstellung, der Visual Hull. In der ersten Methode spielt die Visual Hull eine unterstützende Rolle bei der Rekonstruktion von Tiefenbildern, die zur Erzeugung neuer Ansichten verwendet werden. In den nachfolgend vorgestellten Verfahren dient die Visual Hull primär der Repräsentation von Objekten in einer Szene. Eine hardwarebeschleunigte Methode, um Visual Hulls direkt aus mehreren Silhouettenbildern zu rekonstruieren und zu rendern, wird vorgestellt. Das Rekonstruktionsverfahren ist hierbei Bestandteil der Renderingmethode und basiert auf einer Alpha Map Trimming Technik. Ein weiterer Algorithmus verbessert die Qualitaet der gerenderten Visual Hulls, indem das Alpha-Map-basierte Verfahren mit einer hardware-beschleunigten CSG Rekonstruktiontechnik kombiniert wird. Eine vierte Methode nutzt zusaetzlich photometrische Information aus, um eine grundlegende Beschraenkung des Visual-Hull-Ansatzes zu umgehen. Alle Verfahren ermoeglichen die interaktive oder Echtzeit- Erzeugung neuer Ansichten

Efficient and High-Quality Rendering of Higher-Order Geometric Data Representations

Computer-Aided Design (CAD) bezeichnet den Entwurf industrieller Produkte mit Hilfe von virtuellen 3D Modellen. Ein CAD-Modell besteht aus parametrischen Kurven und Flächen, in den meisten Fällen non-uniform rational B-Splines (NURBS). Diese mathematische Beschreibung wird ebenfalls zur Analyse, Optimierung und Präsentation des Modells verwendet. In jeder dieser Entwicklungsphasen wird eine unterschiedliche visuelle Darstellung benötigt, um den entsprechenden Nutzern ein geeignetes Feedback zu geben. Designer bevorzugen beispielsweise illustrative oder realistische Darstellungen, Ingenieure benötigen eine verständliche Visualisierung der Simulationsergebnisse, während eine immersive 3D Darstellung bei einer Benutzbarkeitsanalyse oder der Designauswahl hilfreich sein kann. Die interaktive Darstellung von NURBS-Modellen und -Simulationsdaten ist jedoch aufgrund des hohen Rechenaufwandes und der eingeschränkten Hardwareunterstützung eine große Herausforderung. Diese Arbeit stellt vier neuartige Verfahren vor, welche sich mit der interaktiven Darstellung von NURBS-Modellen und Simulationensdaten befassen. Die vorgestellten Algorithmen nutzen neue Fähigkeiten aktueller Grafikkarten aus, um den Stand der Technik bezüglich Qualität, Effizienz und Darstellungsgeschwindigkeit zu verbessern. Zwei dieser Verfahren befassen sich mit der direkten Darstellung der parametrischen Beschreibung ohne Approximationen oder zeitaufwändige Vorberechnungen. Die dabei vorgestellten Datenstrukturen und Algorithmen ermöglichen die effiziente Unterteilung, Klassifizierung, Tessellierung und Darstellung getrimmter NURBS-Flächen und einen interaktiven Ray-Casting-Algorithmus für die Isoflächenvisualisierung von NURBSbasierten isogeometrischen Analysen. Die weiteren zwei Verfahren beschreiben zum einen das vielseitige Konzept der programmierbaren Transparenz für illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle und zum anderen eine neue hybride Methode zur Reprojektion halbtransparenter und undurchsichtiger Bildinformation für die Beschleunigung der Erzeugung von stereoskopischen Bildpaaren. Die beiden letztgenannten Ansätze basieren auf rasterisierter Geometrie und sind somit ebenfalls für normale Dreiecksmodelle anwendbar, wodurch die Arbeiten auch einen wichtigen Beitrag in den Bereichen der Computergrafik und der virtuellen Realität darstellen. Die Auswertung der Arbeit wurde mit großen, realen NURBS-Datensätzen durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass die direkte Darstellung auf Grundlage der parametrischen Beschreibung mit interaktiven Bildwiederholraten und in subpixelgenauer Qualität möglich ist. Die Einführung programmierbarer Transparenz ermöglicht zudem die Umsetzung kollaborativer 3D Interaktionstechniken für die Exploration der Modelle in virtuellenUmgebungen sowie illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle. Die Erzeugung stereoskopischer Bildpaare für die interaktive Visualisierung auf 3D Displays konnte beschleunigt werden. Diese messbare Verbesserung wurde zudem im Rahmen einer Nutzerstudie als wahrnehmbar und vorteilhaft befunden.In computer-aided design (CAD), industrial products are designed using a virtual 3D model. A CAD model typically consists of curves and surfaces in a parametric representation, in most cases, non-uniform rational B-splines (NURBS). The same representation is also used for the analysis, optimization and presentation of the model. In each phase of this process, different visualizations are required to provide an appropriate user feedback. Designers work with illustrative and realistic renderings, engineers need a comprehensible visualization of the simulation results, and usability studies or product presentations benefit from using a 3D display. However, the interactive visualization of NURBS models and corresponding physical simulations is a challenging task because of the computational complexity and the limited graphics hardware support. This thesis proposes four novel rendering approaches that improve the interactive visualization of CAD models and their analysis. The presented algorithms exploit latest graphics hardware capabilities to advance the state-of-the-art in terms of quality, efficiency and performance. In particular, two approaches describe the direct rendering of the parametric representation without precomputed approximations and timeconsuming pre-processing steps. New data structures and algorithms are presented for the efficient partition, classification, tessellation, and rendering of trimmed NURBS surfaces as well as the first direct isosurface ray-casting approach for NURBS-based isogeometric analysis. The other two approaches introduce the versatile concept of programmable order-independent semi-transparency for the illustrative and comprehensible visualization of depth-complex CAD models, and a novel method for the hybrid reprojection of opaque and semi-transparent image information to accelerate stereoscopic rendering. Both approaches are also applicable to standard polygonal geometry which contributes to the computer graphics and virtual reality research communities. The evaluation is based on real-world NURBS-based models and simulation data. The results show that rendering can be performed directly on the underlying parametric representation with interactive frame rates and subpixel-precise image results. The computational costs of additional visualization effects, such as semi-transparency and stereoscopic rendering, are reduced to maintain interactive frame rates. The benefit of this performance gain was confirmed by quantitative measurements and a pilot user study

Fast and Exact Fiber Surfaces for Tetrahedral Meshes

Isosurfaces are fundamental geometrical objects for the analysis and visualization of volumetric scalar fields. Recent work has generalized them to bivariate volumetric fields with fiber surfaces, the pre-image of polygons in range space. However, the existing algorithm for their computation is approximate, and is limited to closed polygons. Moreover, its runtime performance does not allow instantaneous updates of the fiber surfaces upon user edits of the polygons. Overall, these limitations prevent a reliable and interactive exploration of the space of fiber surfaces. This paper introduces the first algorithm for the exact computation of fiber surfaces in tetrahedral meshes. It assumes no restriction on the topology of the input polygon, handles degenerate cases and better captures sharp features induced by polygon bends. The algorithm also allows visualization of individual fibers on the output surface, better illustrating their relationship with data features in range space. To enable truly interactive exploration sessions, we further improve the runtime performance of this algorithm. In particular, we show that it is trivially parallelizable and that it scales nearly linearly with the number of cores. Further, we study acceleration data-structures both in geometrical domain and range space and we show how to generalize interval trees used in isosurface extraction to fiber surface extraction. Experiments demonstrate the superiority of our algorithm over previous work, both in terms of accuracy and running time, with up to two orders of magnitude speedups. This improvement enables interactive edits of range polygons with instantaneous updates of the fiber surface for exploration purpose. A VTK-based reference implementation is provided as additional material to reproduce our results

The effect of flaxseed hulls on expanded corn meal products

Brown flaxseed hulls were added to de-germed corn meal and processed into extrudates with acceptable texture and increased nutritional benefits. The addition of brown flaxseed hulls to a corn based expanded snack increases the dietary fiber, alpha omega 3 fatty acids, and antioxidants levels. The addition of flaxseed hulls to a corn based snack can increase its susceptibility to oxidative rancidity which can limit shelf life. Whole ground tannin sorghum with added brown flaxseed hulls was processed into extrudates and texture, antioxidant activity, and stability were evaluated. Brown flaxseed hulls were mixed with de-germed yellow corn meal in ratios of 0:100, 15:85, 20:80, and 25:75 (w/w) and extruded with 12 and 15% feed moistures using a twin screw extruder to produce direct expanded extrudates. Expansion of extrudates containing brown hulls decreased as the amount of hulls increased. Dried extrudates had acceptable flavor immediately after processing. Total phenols and antioxidant activity of extrudates containing 20 and 25% brown flaxseed hulls, extruded at 15% feed moisture were higher than de-germed corn meal extruded at 16% feed moisture. Brown flaxseed hulls were added at 20% to whole ground white and sumac (tannin) sorghums and processed into extrudates. Expansion increased for sorghum extrudates containing brown flaxseed hulls. The addition of brown flaxseed hulls increased antioxidant activity and total phenols of both white and sumac (tannin) extrudates. The sumac (tannin) extrudates had the longest delay in producing off odor (paintlike odor) and had the lowest p-Anisidine values compared to white (ATX631x RTX 436) sorghum and corn meal with added flaxseed hulls. Corn meal extrudates with 20% brown flaxseed hulls produce off odors more rapidly than other extrudates. This suggests that the tannins in sorghum maybe extending shelf life because of their antioxidant activity. The addition of brown flaxseed hulls can be used to increase nutritional value and antioxidant levels in a direct expanded product. Also the use of tannins sorghums in products containing flaxseed may help delay oxidation, thus preventing the occurrence of off odors. Further work needs to be done to verify results

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