Optical techniques for 3D surface reconstruction in computer-assisted laparoscopic surgery

One of the main challenges for computer-assisted surgery (CAS) is to determine the intra-opera- tive morphology and motion of soft-tissues. This information is prerequisite to the registration of multi-modal patient-specific data for enhancing the surgeon’s navigation capabilites by observ- ing beyond exposed tissue surfaces and for providing intelligent control of robotic-assisted in- struments. In minimally invasive surgery (MIS), optical techniques are an increasingly attractive approach for in vivo 3D reconstruction of the soft-tissue surface geometry. This paper reviews the state-of-the-art methods for optical intra-operative 3D reconstruction in laparoscopic surgery and discusses the technical challenges and future perspectives towards clinical translation. With the recent paradigm shift of surgical practice towards MIS and new developments in 3D opti- cal imaging, this is a timely discussion about technologies that could facilitate complex CAS procedures in dynamic and deformable anatomical regions

マルチタスク学習を用いたシーン理解とデータ拡張による複合現実感の向上

早大学位記番号:新9140早稲田大

Neural Radiance Fields: Past, Present, and Future

The various aspects like modeling and interpreting 3D environments and surroundings have enticed humans to progress their research in 3D Computer Vision, Computer Graphics, and Machine Learning. An attempt made by Mildenhall et al in their paper about NeRFs (Neural Radiance Fields) led to a boom in Computer Graphics, Robotics, Computer Vision, and the possible scope of High-Resolution Low Storage Augmented Reality and Virtual Reality-based 3D models have gained traction from res with more than 1000 preprints related to NeRFs published. This paper serves as a bridge for people starting to study these fields by building on the basics of Mathematics, Geometry, Computer Vision, and Computer Graphics to the difficulties encountered in Implicit Representations at the intersection of all these disciplines. This survey provides the history of rendering, Implicit Learning, and NeRFs, the progression of research on NeRFs, and the potential applications and implications of NeRFs in today's world. In doing so, this survey categorizes all the NeRF-related research in terms of the datasets used, objective functions, applications solved, and evaluation criteria for these applications.Comment: 413 pages, 9 figures, 277 citation

Image processing techniques for mixed reality and biometry

2013 - 2014This thesis work is focused on two applicative fields of image processing research, which, for different reasons, have become particularly active in the last decade: Mixed Reality and Biometry. Though the image processing techniques involved in these two research areas are often different, they share the key objective of recognizing salient features typically captured through imaging devices. Enabling technologies for augmented/mixed reality have been improved and refined throughout the last years and more recently they seems to have finally passed the demo stage to becoming ready for practical industrial and commercial applications. To this regard, a crucial role will likely be played by the new generation of smartphones and tablets, equipped with an arsenal of sensors connections and enough processing power for becoming the most portable and affordable AR platform ever. Within this context, techniques like gesture recognition by means of simple, light and robust capturing hardware and advanced computer vision techniques may play an important role in providing a natural and robust way to control software applications and to enhance onthe- field operational capabilities. The research described in this thesis is targeted toward advanced visualization and interaction strategies aimed to improve the operative range and robustness of mixed reality applications, particularly for demanding industrial environments... [edited by Author]XIII n.s

Real-time 3D hand reconstruction in challenging scenes from a single color or depth camera

Hands are one of the main enabling factors for performing complex tasks and humans naturally use them for interactions with their environment. Reconstruction and digitization of 3D hand motion opens up many possibilities for important applications. Hands gestures can be directly used for human–computer interaction, which is especially relevant for controlling augmented or virtual reality (AR/VR) devices where immersion is of utmost importance. In addition, 3D hand motion capture is a precondition for automatic sign-language translation, activity recognition, or teaching robots. Different approaches for 3D hand motion capture have been actively researched in the past. While being accurate, gloves and markers are intrusive and uncomfortable to wear. Hence, markerless hand reconstruction based on cameras is desirable. Multi-camera setups provide rich input, however, they are hard to calibrate and lack the flexibility for mobile use cases. Thus, the majority of more recent methods uses a single color or depth camera which, however, makes the problem harder due to more ambiguities in the input. For interaction purposes, users need continuous control and immediate feedback. This means the algorithms have to run in real time and be robust in uncontrolled scenes. These requirements, achieving 3D hand reconstruction in real time from a single camera in general scenes, make the problem significantly more challenging. While recent research has shown promising results, current state-of-the-art methods still have strong limitations. Most approaches only track the motion of a single hand in isolation and do not take background-clutter or interactions with arbitrary objects or the other hand into account. The few methods that can handle more general and natural scenarios run far from real time or use complex multi-camera setups. Such requirements make existing methods unusable for many aforementioned applications. This thesis pushes the state of the art for real-time 3D hand tracking and reconstruction in general scenes from a single RGB or depth camera. The presented approaches explore novel combinations of generative hand models, which have been used successfully in the computer vision and graphics community for decades, and powerful cutting-edge machine learning techniques, which have recently emerged with the advent of deep learning. In particular, this thesis proposes a novel method for hand tracking in the presence of strong occlusions and clutter, the first method for full global 3D hand tracking from in-the-wild RGB video, and a method for simultaneous pose and dense shape reconstruction of two interacting hands that, for the first time, combines a set of desirable properties previously unseen in the literature.Hände sind einer der Hauptfaktoren für die Ausführung komplexer Aufgaben, und Menschen verwenden sie auf natürliche Weise für Interaktionen mit ihrer Umgebung. Die Rekonstruktion und Digitalisierung der 3D-Handbewegung eröffnet viele Möglichkeiten für wichtige Anwendungen. Handgesten können direkt als Eingabe für die Mensch-Computer-Interaktion verwendet werden. Dies ist insbesondere für Geräte der erweiterten oder virtuellen Realität (AR / VR) relevant, bei denen die Immersion von größter Bedeutung ist. Darüber hinaus ist die Rekonstruktion der 3D Handbewegung eine Voraussetzung zur automatischen Übersetzung von Gebärdensprache, zur Aktivitätserkennung oder zum Unterrichten von Robotern. In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze zur 3D-Handbewegungsrekonstruktion aktiv erforscht. Handschuhe und physische Markierungen sind zwar präzise, aber aufdringlich und unangenehm zu tragen. Daher ist eine markierungslose Handrekonstruktion auf der Basis von Kameras wünschenswert. Multi-Kamera-Setups bieten umfangreiche Eingabedaten, sind jedoch schwer zu kalibrieren und haben keine Flexibilität für mobile Anwendungsfälle. Daher verwenden die meisten neueren Methoden eine einzelne Farb- oder Tiefenkamera, was die Aufgabe jedoch schwerer macht, da mehr Ambiguitäten in den Eingabedaten vorhanden sind. Für Interaktionszwecke benötigen Benutzer kontinuierliche Kontrolle und sofortiges Feedback. Dies bedeutet, dass die Algorithmen in Echtzeit ausgeführt werden müssen und robust in unkontrollierten Szenen sein müssen. Diese Anforderungen, 3D-Handrekonstruktion in Echtzeit mit einer einzigen Kamera in allgemeinen Szenen, machen das Problem erheblich schwieriger. Während neuere Forschungsarbeiten vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben, weisen aktuelle Methoden immer noch Einschränkungen auf. Die meisten Ansätze verfolgen die Bewegung einer einzelnen Hand nur isoliert und berücksichtigen keine alltäglichen Umgebungen oder Interaktionen mit beliebigen Objekten oder der anderen Hand. Die wenigen Methoden, die allgemeinere und natürlichere Szenarien verarbeiten können, laufen nicht in Echtzeit oder verwenden komplexe Multi-Kamera-Setups. Solche Anforderungen machen bestehende Verfahren für viele der oben genannten Anwendungen unbrauchbar. Diese Dissertation erweitert den Stand der Technik für die Echtzeit-3D-Handverfolgung und -Rekonstruktion in allgemeinen Szenen mit einer einzelnen RGB- oder Tiefenkamera. Die vorgestellten Algorithmen erforschen neue Kombinationen aus generativen Handmodellen, die seit Jahrzehnten erfolgreich in den Bereichen Computer Vision und Grafik eingesetzt werden, und leistungsfähigen innovativen Techniken des maschinellen Lernens, die vor kurzem mit dem Aufkommen neuronaler Netzwerke entstanden sind. In dieser Arbeit werden insbesondere vorgeschlagen: eine neuartige Methode zur Handbewegungsrekonstruktion bei starken Verdeckungen und in unkontrollierten Szenen, die erste Methode zur Rekonstruktion der globalen 3D Handbewegung aus RGB-Videos in freier Wildbahn und die erste Methode zur gleichzeitigen Rekonstruktion von Handpose und -form zweier interagierender Hände, die eine Reihe wünschenwerter Eigenschaften komibiniert

Decision-theoretic MPC: Motion Planning with Weighted Maneuver Preferences Under Uncertainty

Continuous optimization based motion planners require deciding on a maneuver homotopy before optimizing the trajectory. Under uncertainty, maneuver intentions of other participants can be unclear, and the vehicle might not be able to decide on the most suitable maneuver. This work introduces a method that incorporates multiple maneuver preferences in planning. It optimizes the trajectory by considering weighted maneuver preferences together with uncertainties ranging from perception to prediction while ensuring the feasibility of a chance-constrained fallback option. Evaluations in both driving experiments and simulation studies show enhanced interaction capabilities and comfort levels compared to conventional planners, which consider only a single maneuver

Real-Time Markerless Tracking the Human Hands for 3D Interaction

This thesis presents methods for enabling suitable human computer interaction using only movements of the bare human hands in free space. This kind of interaction is natural and intuitive, particularly because actions familiar to our everyday life can be reflected. Furthermore, the input is contact-free which is of great advantage e.g. in medical applications due to hygiene factors. For enabling the translation of hand movements to control signals an automatic method for tracking the pose and/or posture of the hand is needed. In this context the simultaneous recognition of both hands is desirable to allow for more natural input. The first contribution of this thesis is a novel video-based method for real-time detection of the positions and orientations of both bare human hands in four different predefined postures, respectively. Based on such a system novel interaction interfaces can be developed. However, the design of such interfaces is a non-trivial task. Additionally, the development of novel interaction techniques is often mandatory in order to enable the design of efficient and easily operable interfaces. To this end, several novel interaction techniques are presented and investigated in this thesis, which solve existing problems and substantially improve the applicability of such a new device. These techniques are not restricted to this input instrument and can also be employed to improve the handling of other interaction devices. Finally, several new interaction interfaces are described and analyzed to demonstrate possible applications in specific interaction scenarios.Markerlose Verfolgung der menschlichen Hände in Echtzeit für 3D Interaktion In der vorliegenden Arbeit werden Verfahren dargestellt, die sinnvolle Mensch- Maschine-Interaktionen nur durch Bewegungen der bloßen Hände in freiem Raum ermöglichen. Solche "natürlichen" Interaktionen haben den besonderen Vorteil, dass alltägliche und vertraute Handlungen in die virtuelle Umgebung übertragen werden können. Außerdem werden auf diese Art berührungslose Eingaben ermöglicht, nützlich z.B. wegen hygienischer Aspekte im medizinischen Bereich. Um Handbewegungen in Steuersignale umsetzen zu können, ist zunächst ein automatisches Verfahren zur Erkennung der Lage und/oder der Art der mit der Hand gebildeten Geste notwendig. Dabei ist die gleichzeitige Erfassung beider Hände wünschenswert, um die Eingaben möglichst natürlich gestalten zu können. Der erste Beitrag dieser Arbeit besteht aus einer neuen videobasierten Methode zur unmittelbaren Erkennung der Positionen und Orientierungen beider Hände in jeweils vier verschiedenen, vordefinierten Gesten. Basierend auf einem solchen Verfahren können neuartige Interaktionsschnittstellen entwickelt werden. Allerdings ist die Ausgestaltung solcher Schnittstellen keinesfalls trivial. Im Gegenteil ist bei einer neuen Art der Interaktion meist sogar die Entwicklung neuer Interaktionstechniken erforderlich, damit überhaupt effiziente und gut bedienbare Schnittstellen konzipiert werden können. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit einige neue Interaktionstechniken entwickelt und untersucht, die vorhandene Probleme beheben und die Anwendbarkeit eines solchen Eingabeinstruments für bestimmte Arten der Interaktion verbessern oder überhaupt erst ermöglichen. Diese Techniken sind nicht auf dieses Eingabeinstrument beschränkt und können durchaus auch die Handhabung anderer Eingabegeräte verbessern. Des Weiteren werden mehrere neue Interaktionsschnittstellen präsentiert, die den möglichen Einsatz bloßhändiger Interaktion in verschiedenen, typischen Anwendungsgebieten veranschaulichen