Verbesserung der Qualität von historischen Filmen

Historische Filme stellen einen wichtigen Baustein für die Erhaltung des kulturellen Erbes dar. Durch eine Digitalisierung können diese für die Zukunft erhalten werden, ohne dass Filme durch Materialermüdung der Filmrollen bzw. Bänder Schaden nehmen. Viele der historischen Aufnahmen sind durch Abspielen oder Lagerung bereits deutlich beschädigt. In diesem Bericht werden Algorithmen zur Erkennung und Behebung solcher Fehler in historischen Schwarzweißfilmen vorgestellt. Dabei handelt es sich um die Erkennung und Beseitigung von horizontalen Störlinien, um die Helligkeits- und Kontrastkorrektur sowohl bei starken Helligkeitsschwankungen als auch bei überdunkelten oder überhellten Sequenzen, sowie um die Entfernung von Verwackelungen bei Kameraeinstellungen

Analysis of affine motion-compensated prediction and its application in aerial video coding

Motion-compensated prediction is used in video coding standards like High Efficiency Video Coding (HEVC) as one key element of data compression. Commonly, a purely translational motion model is employed. In order to also cover non-translational motion types like rotation or scaling (zoom) contained in aerial video sequences such as captured from unmanned aerial vehicles, an affine motion model can be applied. In this work, a model for affine motion-compensated prediction in video coding is derived by extending a model of purely translational motion-compensated prediction. Using the rate-distortion theory and the displacement estimation error caused by inaccurate affine motion parameter estimation, the minimum required bit rate for encoding the prediction error is determined. In this model, the affine transformation parameters are assumed to be affected by statistically independent estimation errors, which all follow a zero-mean Gaussian distributed probability density function (pdf). The joint pdf of the estimation errors is derived and transformed into the pdf of the location-dependent displacement estimation error in the image. The latter is related to the minimum required bit rate for encoding the prediction error. Similar to the derivations of the fully affine motion model, a four-parameter simplified affine model is investigated. It is of particular interest since such a model is considered for the upcoming video coding standard Versatile Video Coding (VVC) succeeding HEVC. As the simplified affine motion model is able to describe most motions contained in aerial surveillance videos, its application in video coding is justified. Both models provide valuable information about the minimum bit rate for encoding the prediction error as a function of affine estimation accuracies. Although the bit rate in motion-compensated prediction can be considerably reduced by using a motion model which is able to describe motion types occurring in the scene, the total video bit rate may remain quite high, depending on the motion estimation accuracy. Thus, at the example of aerial surveillance sequences, a codec independent region of interest- ( ROI -) based aerial video coding system is proposed that exploits the characteristic of such sequences. Assuming the captured scene to be planar, one frame can be projected into another using global motion compensation. Consequently, only new emerging areas have to be encoded. At the decoder, all new areas are registered into a so-called mosaic. From this, reconstructed frames are extracted and concatenated as a video sequence. To also preserve moving objects in the reconstructed video, local motion is detected and encoded in addition to the new areas. The proposed general ROI coding system was evaluated for very low and low bit rates between 100 and 5000 kbit/s for aerial sequences of HD resolution. It is able to reduce the bit rate by 90% compared to common HEVC coding of similar quality. Subjective tests confirm that the overall image quality of the ROI coding system exceeds that of a common HEVC encoder especially at very low bit rates below 1 Mbit/s. To prevent discontinuities introduced by inaccurate global motion estimation, as may be caused by radial lens distortion, a fully automatic in-loop radial distortion compensation is proposed. For this purpose, an unknown radial distortion compensation parameter that is constant for a group of frames is jointly estimated with the global motion. This parameter is optimized to minimize the distortions of the projections of frames in the mosaic. By this approach, the global motion compensation was improved by 0.27dB and discontinuities in the frames extracted from the mosaic are diminished. As an additional benefit, the generation of long-term mosaics becomes possible, constructed by more than 1500 aerial frames with unknown radial lens distortion and without any calibration or manual lens distortion compensation.Bewegungskompensierte Prädiktion wird in Videocodierstandards wie High Efficiency Video Coding (HEVC) als ein Schlüsselelement zur Datenkompression verwendet. Typischerweise kommt dabei ein rein translatorisches Bewegungsmodell zum Einsatz. Um auch nicht-translatorische Bewegungen wie Rotation oder Skalierung (Zoom) beschreiben zu können, welche beispielsweise in von unbemannten Luftfahrzeugen aufgezeichneten Luftbildvideosequenzen enthalten sind, kann ein affines Bewegungsmodell verwendet werden. In dieser Arbeit wird aufbauend auf einem rein translatorischen Bewegungsmodell ein Modell für affine bewegungskompensierte Prädiktion hergeleitet. Unter Verwendung der Raten-Verzerrungs-Theorie und des Verschiebungsschätzfehlers, welcher aus einer inexakten affinen Bewegungsschätzung resultiert, wird die minimal erforderliche Bitrate zur Codierung des Prädiktionsfehlers hergeleitet. Für die Modellierung wird angenommen, dass die sechs Parameter einer affinen Transformation durch statistisch unabhängige Schätzfehler gestört sind. Für jeden dieser Schätzfehler wird angenommen, dass die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung einer mittelwertfreien Gaußverteilung entspricht. Aus der Verbundwahrscheinlichkeitsdichte der Schätzfehler wird die Wahrscheinlichkeitsdichte des ortsabhängigen Verschiebungsschätzfehlers im Bild berechnet. Letztere wird schließlich zu der minimalen Bitrate in Beziehung gesetzt, welche für die Codierung des Prädiktionsfehlers benötigt wird. Analog zur obigen Ableitung des Modells für das voll-affine Bewegungsmodell wird ein vereinfachtes affines Bewegungsmodell mit vier Freiheitsgraden untersucht. Ein solches Modell wird derzeit auch im Rahmen der Standardisierung des HEVC-Nachfolgestandards Versatile Video Coding (VVC) evaluiert. Da das vereinfachte Modell bereits die meisten in Luftbildvideosequenzen vorkommenden Bewegungen abbilden kann, ist der Einsatz des vereinfachten affinen Modells in der Videocodierung gerechtfertigt. Beide Modelle liefern wertvolle Informationen über die minimal benötigte Bitrate zur Codierung des Prädiktionsfehlers in Abhängigkeit von der affinen Schätzgenauigkeit. Zwar kann die Bitrate mittels bewegungskompensierter Prädiktion durch Wahl eines geeigneten Bewegungsmodells und akkurater affiner Bewegungsschätzung stark reduziert werden, die verbleibende Gesamtbitrate kann allerdings dennoch relativ hoch sein. Deshalb wird am Beispiel von Luftbildvideosequenzen ein Regionen-von-Interesse- (ROI-) basiertes Codiersystem vorgeschlagen, welches spezielle Eigenschaften solcher Sequenzen ausnutzt. Unter der Annahme, dass eine aufgenommene Szene planar ist, kann ein Bild durch globale Bewegungskompensation in ein anderes projiziert werden. Deshalb müssen vom aktuellen Bild prinzipiell nur noch neu im Bild erscheinende Bereiche codiert werden. Am Decoder werden alle neuen Bildbereiche in einem gemeinsamen Mosaikbild registriert, aus dem schließlich die Einzelbilder der Videosequenz rekonstruiert werden können. Um auch lokale Bewegungen abzubilden, werden bewegte Objekte detektiert und zusätzlich zu neuen Bildbereichen als ROI codiert. Die Leistungsfähigkeit des ROI-Codiersystems wurde insbesondere für sehr niedrige und niedrige Bitraten von 100 bis 5000 kbit/s für Bilder in HD-Auflösung evaluiert. Im Vergleich zu einer gewöhnlichen HEVC-Codierung kann die Bitrate um 90% reduziert werden. Durch subjektive Tests wurde bestätigt, dass das ROI-Codiersystem insbesondere für sehr niedrige Bitraten von unter 1 Mbit/s deutlich leistungsfähiger in Bezug auf Detailauflösung und Gesamteindruck ist als ein herkömmliches HEVC-Referenzsystem. Um Diskontinuitäten in den rekonstruierten Videobildern zu vermeiden, die durch eine durch Linsenverzeichnungen induzierte ungenaue globale Bewegungsschätzung entstehen können, wird eine automatische Radialverzeichnungskorrektur vorgeschlagen. Dabei wird ein unbekannter, jedoch über mehrere Bilder konstanter Korrekturparameter gemeinsam mit der globalen Bewegung geschätzt. Dieser Parameter wird derart optimiert, dass die Projektionen der Bilder in das Mosaik möglichst wenig verzerrt werden. Daraus resultiert eine um 0,27dB verbesserte globale Bewegungskompensation, wodurch weniger Diskontinuitäten in den aus dem Mosaik rekonstruierten Bildern entstehen. Dieses Verfahren ermöglicht zusätzlich die Erstellung von Langzeitmosaiken aus über 1500 Luftbildern mit unbekannter Radialverzeichnung und ohne manuelle Korrektur

Automatic mashup generation of multiple-camera videos

The amount of user generated video content is growing enormously with the increase in availability and affordability of technologies for video capturing (e.g. camcorders, mobile-phones), storing (e.g. magnetic and optical devices, online storage services), and sharing (e.g. broadband internet, social networks). It has become a common sight at social occasions like parties, concerts, weddings, vacations that many people are shooting videos at approximately the same time. Such concurrent recordings provide multiple views of the same event. In professional video production, the use of multiple cameras is very common. In order to compose an interesting video to watch, audio and video segments from different recordings are mixed into a single video stream. However, in case of non-professional recordings, mixing different camera recordings is not common as the process is considered very time consuming and requires expertise to do. In this thesis, we research on how to automatically combine multiple-camera recordings in a single video stream, called as a mashup. Since non-professional recordings, in general, are characterized by low signal quality and lack of artistic appeal, our objective is to use mashups to enrich the viewing experience of such recordings. In order to define a target application and collect requirements for a mashup, we conducted a study by involving experts on video editing and general camera users by means of interviews and focus groups. Based on the study results, we decided to work on the domain of concert video. We listed the requirements for concert video mashups such as image quality, diversity, and synchronization. According to the requirements, we proposed a solution approach for mashup generation and introduced a formal model consisting of pre-processing, mashupcomposition and post-processing steps. This thesis describes the pre-processing and mashup-composition steps, which result in the automatic generation of a mashup satisfying a set of the elicited requirements. At the pre-processing step, we synchronized multiple-camera recordings to be represented in a common time-line. We proposed and developed synchronization methods based on detecting and matching audio and video features extracted from the recorded content. We developed three realizations of the approach using different features: still-camera flashes in video, audio-fingerprints and audio-onsets. The realizations are independent of the frame rate of the recordings, the number of cameras and provide the synchronization offset accuracy at frame level. Based on their performance in a common data-set, audio-fingerprint and audio-onset were found as the most suitable to apply in generating mashups of concert videos. In the mashup-composition step, we proposed an optimization based solution to compose a mashup from the synchronized recordings. The solution is based on maximizing an objective function containing a number of parameters, which represent the requirements that influence the mashup quality. The function is subjected to a number of constraints, which represent the requirements that must be fulfilled in a mashup. Different audio-visual feature extraction and analysis techniques were employed to measure the degree of fulfillment of the requirements represented in the objective function. We developed an algorithm, first-fit, to compose a mashup satisfying the constraints and maximizing the objective function. Finally, to validate our solution approach, we evaluated the mashups generated by the first-fit algorithm with the ones generated by two other methods. In the first method, naive, a mashup was generated by satisfying only the requirements given as constraints and in the second method, manual, a mashup was created by a professional. In the objective evaluation, first-fit mashups scored higher than both the manual and naive mashups. To assess the end-user satisfaction, we also conducted a user study where we measured user preferences on the mashups generated by the three methods on different aspects of mashup quality. In all the aspects, the naive mashup scored significantly low, while the manual and first-fit mashups scored similarly. We can conclude that the perceived quality of a mashup generated by the naive method is lower than first-fit and manual while the perceived quality of the mashups generated by first-fit and manual methods are similar

Benchmarking of mobile phone cameras

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Precision Poultry Farming

This book presents the latest advances in applications of continuous, objective, and automated sensing technologies and computer tools for sustainable and efficient poultry production, and it offers solutions to the poultry industry to address challenges in terms of poultry management, the environment, nutrition, automation and robotics, health, welfare assessment, behavior monitoring, waste management, etc. The reader will find original research papers that address, on a global scale, the sustainability and efficiency of the poultry industry and explore the above-mentioned areas through applications of PPF solutions in poultry meat and egg productio