Untersuchung von Automatisierungsstufen beim dynamisierten Überlagern physischer und digitaler Entitäten

Durch den Einsatz moderner Mixed Reality Datenbrillen entsteht eine Vielzahl an Herausforderungen zur Anpassung einer virtuellen Umgebung an deren physischen Ursprung. Ein Schwerpunkt ist dabei, real existierende Entitäten sensorisch aufzunehmen und digital zu verarbeiten, um deren virtuelle Abbildungen so im Sichtfeld des Benutzers zu platzieren, dass sie die physischen Ebenbilder zu jedem Zeitpunkt nahezu ideal überlagern. Forschung und Industrie entwickelten unterschiedliche Ansätze und Konzepte zur Bewältigung dieser Aufgabe. Zur Schaffung einer Übersicht und der Möglichkeit der grundsätzlichen Abwägung bei der Wahl eines Überlagerungskonzepts, ergründet diese Arbeit bestehende Techniken der virtuellen Überlagerung auf physischen Entitäten und vergleicht diese daraufhin mit dem Fokus auf den Grad der Automatisierung und dem Einsatz in der Produktion

Optimierungsmethodik für Volumen-Transmissionshologramme mit LED-Beleuchtung

Computergenerierte Volumen-Transmissionshologramme bieten ein großes Potenzial für den Einsatz als lichtformende Elemente im automobilen Scheinwerfer. Die Rahmenbedingungen sind jedoch anders als in den klassischen Anwendungsgebieten der Holographie und bringen neue Anforderungen an die Berechnung der Hologramme mit sich. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Rekonstruktionslichtquelle. Statt monochromatischer Laser sind aktuell weiße LEDs die typischen Lichtquellen im Automobilscheinwerfer. Deren spektrale Eigenschaften führen zu Dispersionseffekten und die Divergenz des LED-Lichts resultiert in einer Unschärfe des rekonstruierten Bildes. In dieser Arbeit wird eine Optimierungsmethodik vorgestellt, welche die Anpassung von Volumen-Transmissionshologrammen an die spektralen Eigenschaften und die Abstrahlcharakteristik von LEDs ermöglicht. Diese Methodik beinhaltet neben einem Designprozess zur Berechnung optimierter Hologramminformationen auch einen Simulationsansatz zur realitätsnahen Visualisierung des rekonstruierten Bildes. Sowohl bei der Berechnung als auch bei der Simulation werden LED-Parameter wie Wellenlänge, Divergenzwinkel und Wellenfrontform berücksichtigt. Die Beschreibung und experimentelle Ermittlung einer LED-spezifischen Wellenfront ist dabei eine besondere Herausforderung und wird in dieser Arbeit entsprechend diskutiert. Zur Überprüfung des Designprozesses und der Simulation werden die berechneten Hologramme in ein Photopolymer belichtet. Der dafür notwendige Belichtungsprozess wird im Rahmen der Arbeit im Labor umgesetzt und die Belichtungsparameter im Design und in der Simulation berücksichtigt. Durch die spezifisch aufeinander abgestimmten Schritte von Design über Belichtung bis zur Simulation entsteht eine ganzheitliche Methodik für die Optimierung und Überprüfung der Hologramme. In sechs experimentellen Testreihen werden nicht optimierte und optimierte Hologramme mit verschiedenen Lichtquellen beleuchtet und die Rekonstruktionen analysiert. Die Ergebnisse belegen die erfolgreiche Kompensation und Visualisierung der oben genannten Effekte durch LED-Beleuchtung bei der Rekonstruktion. Zudem werden Einflüsse auf die Rekonstruktion durch den Belichtungsprozess und das holographische Material aufgezeigt und mögliche Lösungen für eine Weißlicht-Rekonstruktion mit Transmissionshologrammen aufgezeigt.Computer-generated volume transmission holograms show a great potential to be used as light-shaping elements in automotive headlamps. However, the conditions in headlamp systems are different from those in classical application areas of holography. These conditions cause new requirements for the calculation of holograms. An essential aspect is the reconstruction light source. Instead of monochromatic lasers, the typical light sources in automotive headlamps are white LEDs. Their spectral properties lead to dispersion effects and the divergence of the LED light results in a blurred reconstructed image. In this thesis an optimization methodology is presented, which allows the adaptation of volume transmission holograms to the spectral characteristics and the emission characteristics of LEDs. This method includes a design process for calculating optimized hologram information and a simulation approach for realistic visualization of the reconstructed image. Both, the design and the simulation have to take into account LED parameters like wavelength, divergence angle and wavefront shape. Especially the description and the measurement of LED-specific wavefronts are particular challenges and hence discussed in this thesis. The calculated holograms are exposed in a photopolymer to verify the design process and the simulation. As a part of this research project, the necessary exposure process is implemented in the laboratory and the exposure parameters are considered in the design and in the simulation. A holistic methodology for optimizing and verification of the holograms is realized by the synchronization of parameters from the design to the exposure process and finally to the simulation. Within six experimental test series, non-optimized and optimized holograms are illuminated with different light sources and the reconstructions are analysed. The results prove the successful compensation and visualization of the mentioned effects of LED illumination on the reconstruction. In addition, influences on the reconstruction by the exposure process and by the holographic material are shown. Furthermore, possible solutions for a successful white light reconstruction with transmission holograms are proposed

Ein Beitrag zum simulationsbasierten Test von Lichtfunktionen

In dieser Arbeit werden zwei Methoden entwickelt und evaluiert, um Wirkketten von automobilen Lichtfunktionen an simulationsbasierten Testsystemen zu integrieren und zu testen. Der Fokus liegt zunächst auf einem Ansatz zur effizienten Lichtnutzung für die Darstellung hoher Kontraste in virtuellen Nachtfahrten mit realer Fahrerassistenzkamera. Im Weiteren wird eine Testmethode erarbeitet, um pixelbasierte Lichtfunktionen an einem Hardware-in-the-Loop Testsystem basierend auf Metriken zu bewerten

CFD Simulation zur Vorhersage von Interferogrammen, Temperaturen und Spezieskonzentrationen in einer Hexanflamme

Im Rahmen einer Literaturübersicht werden die charakteristischen Eigenschaften von nicht-vorgemischten Flammen flüssiger Kohlenwasserstoffe dargestellt. Mit einem holographischen real-time Mach-Zehnder Interferometer wurden Interferogramme einer n-Hexanflamme (d = 50 mm) registriert. Mit einer neuartigen Abbildungsoptik wurde die sichtbare Flamme und das Interferogramm kontinuierlich und simultan im gleichen Maßstab auf der Filmebene einer Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 4000 Bilder/s) registriert. Mit einem Tieftemperatur-Gaschromatographie-System wurden radiale und axiale Profile der Spezieszusammensetzung des Flammengasgemisches von 18 stabilen Spezies gemessen. Die Profile der Flammengastemperaturen wurden mit Pt-Rh/Pt Thermoelementen gemessen bei einem Perlendurchmesser von 0.3 mm und einer Ansprechzeit von 0.8s. Mit einem eigens entwickelten Matlab-Code werden aus den experimentellen real-time Interferogrammen die x,y-Koordinaten der Interferenzstreifenminima und deren Interferenzstreifenordnung S ermittelt. In einem zweiten Schritt werden aus den real-time Interferogrammen zeitlich-gemittelte Interferogramme berechnet. Aus den zeitlich-gemittelten radialen Profilen der Interferenzstreifenordnung S werden durch Anwendung der Abel Transformation die Brechzahlprofile berechnet. Aus den Brechzahlprofilen werden, unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Flammengasgemisches, Dichte- und Temperaturprofile ermittelt. Es wird eine CFD Simulation einer n-Hexanflamme d = 50 mm unter Verwendung des kommerziellen Programmpaketes ANSYS FLUENT (Version 12.0) durchgeführt. Die Modellierung der Verbrennung erfolgt mit einem PDF-Transportmodell, das auf dem Konzept des Mischungsbruchs basiert. Dem PDF-Modell liegen 20 Spezies mit 42 reversiblen Reaktionen für die Verbrennung von n-Hexan mit Luft zugrunde. Die Turbulenzmodellierung erfolgt mit der Large-Eddy Simulation (LES). Für die Simulation der Hexanflamme wird ein unstrukturiertes Hexaeder-Rechengitter mit 2 Mio. Zellen verwendet. Die kleinsten Abmessungen der Rechenzellen betragen dx = 1 mm, dy = 1 mm, dz = 1 mm. Der Zeitschritt der LES beträgt dt = 0.1 ms. Es werden mit der CFD Simulation transiente und zeitlich-gemittelte 3D-Felder von Spezieskonzentrationen, Flammengasdichten und Flammentemperaturen vorhergesagt. Mit den CFD simulierten transienten Spezieskonzentrationsfeldern und transienten Dichtefeldern werden, unter Berücksichtigung der spezifischen Standardrefraktion der Spezies zunächst 3D-Brechzahlfelder berechnet. In einem zweiten Schritt werden 100 2D-Schnittebenen mit einem Abstand von dz = 0.75 mm entlang der Strahlrichtung z über die gesamte Flammenausdehnung integriert. Es entsteht ein transientes 2D-integriertes Interferenzstreifenfeld, das direkt mit dem experimentell ermittelten 2D-Interferogramm verglichen werden kann. Die radialen Profile der CFD vorhergesagten Interferogramme zeigen in der Verbrennungszone (x = 20 mm), Pulsationszone (x = 50 mm) und in der Plumezone (x = 150 mm) jeweils eine gute Übereinstimmung mit den Profilen der experimentellen Interferogramme. Es wird die Sensitivität der vorhergesagten Interferenzstreifenordnung S bezüglich der Parameter durchstrahlte Weglänge z_G und der Anzahl von x,y-Schnittebenen untersucht. Es zeigt sich, dass eine Vergrößerung der Integrationslänge von -10 mm < z_G < +10 mm auf -20 mm < z_G < +20 mm zu einer Änderung von dS = -4 führt und von -20 mm < z_G < +20 mm auf -30 mm < z_G < +30 mm zu einer Änderung von dS = -1. Ab einer durchstrahlten Weglänge von -35 mm < z_G < +35~mm bleibt die Interferenzstreifenordnung konstant. Die Anzahl der x,y-Schnittebenen wird schrittweise erhöht. Es hat sich gezeigt, dass die größte Änderung von dS = -3 bei einer Erhöhung der Anzahl von 20 (dz = 3.75 mm) auf 40 (dz = 1.875 mm) Schnittebenen erfolgt. Eine Konstanz der Interferenzstreifenordnung liegt ab 75 Schnittebenen (dz = 1 mm) vor. Für die Vorhersage von Interferogrammen und für die Ermittlung von Flammentemperaturen aus den experimentellen Interferogrammen sind insbesondere die Spezieskonzentrationen im Flammengasgemisch von großer Bedeutung. Es zeigt sich, dass in der Verbrennungszone bei x = 20 mm und im achsnahen Bereich r < 10 mm bis zu 20 Vol.% unverbrannter Hexandampf, 14 Vol.% Abgase (5.5 Vol.% CO_2 und 8.5 Vol.% H_2O) sowie 10 Vol.% Crackgase (C_2H_4 und H_2) vorliegen. Die Maxima der Spezieskonzentrationen von CO_2,max = 7.5 Vol.% und H_2O,max = 12 Vol.% liegen im Bereich der sichtbaren Flammenkontur r = 14 mm und fallen mit der stöchiometrischen Verbrennung zusammen. Bei r = 17 mm bestehen die Flammengase bereits zu 90 Vol.% aus heißer Luft (Stickstoff und Sauerstoff) und nur noch zu 10 Vol.% aus Verbrennungsprodukten. Mit zunehmender Höhe über dem Tankrand x = 50 mm setzt sich der Brennstoffdampf bis auf eine Konzentration von C_6H_14 = 10 Vol.% an der Flammenachse um, wobei bereits 60 Vol.% Stickstoff zu finden ist. Der Ort der stöchiometrischen Verbrennung befindet sich bei r = 14 mm. Ab r > 20 mm besteht die Zusammensetzung der Flammengase nahezu aus heißer Luft. In der Plumezone bei x = 150 mm setzt sich der Brennstoff bis auf C_6H_14 = 0.5 Vol.% um, so dass nahezu die gesamte Flamme aus heißer Luft besteht. Die vorhergesagten Spezieskonzentrationsprofile stimmen mit den GC-Messungen in der gesamten Flamme sehr gut überein. Lediglich die Spezieskonzentrationen der Pyrolyseprodukte C_2H_4 und H_2 werden mit der CFD überschätzt. Die vorhergesagten und gemessenen bimodalen Temperaturprofile T(r,x) zeigen, dass die maximalen Flammentemperaturen bei x = 20 mm außerhalb (r = 15 mm) der Flammenachse liegen. Das Maximum der Flammentemperatur T_max,m erreicht bei den aus den Interferogrammen gemessenen Flammentemperaturen T_max,Int = 2025 K bei r = 15 mm. Die dort mit Thermoelementen gemessenen sowie die vorherhergesagten Temperaturen zeigen hingegen geringere maximale Flammentemperaturen von T_max,Th = 1605 K bzw. T_max,CFD = 1933 K. Der steilste Temperaturanstieg von T_m = 400 K auf T_m = 2000 K erfolgt im Bereich der thermischen Grenzschicht zwischen 15 mm < r < 21 mm. In der Pulsationszone bei x = 50 mm liegen ebenfalls bimodale Temperaturprofile vor. Die Peaks der Flammentemperaturen sind T_max,Int = 1689 K, T_max,Th = 1350 K und T_max,CFD = 1598 K und liegen gegenüber x = 20 mm im Abstand von dr = 10 mm zur Flammenachse. Die thermische Grenzschicht liegt im Bereich von 13 mm < r < 22 mm und besitzt weniger steile Temperaturgradienten als bei x = 20 mm. In der Plumezone bei x = 150 mm sind dagegen unimodale Temperaturprofile zu finden. Die gemessenen und vorhergesagten maximalen Flammentemperaturen betragen T_max,Int = 1365 K, T_max,Th = 1340 K sowie T_max,CFD = 1395 K und erstrecken sich über einen Bereich von 0 < r < 5 mm. Die sichtbare Flammenkontur besitzt in der Plumezone ihre maximale radiale Abmessung von dr = 27 mm, wobei die thermische Grenzschicht stark aufgefaltet ist. Während bei x = 20 mm und x = 50 mm jeweils für r = 30 mm die Umgebungstemperatur von T_u = 293 K vorliegt, beträgt in der Höhe x = 150 mm (bei r = 30 mm) die Flammentemperatur noch T_m = 750 K. Die CFD vorhergesagten sowie die jeweils aus Interferogrammen bestimmten und mit Thermoelementen gemessenen radialen Temperaturprofile stehen in guter Übereinstimmung. Um den Einfluss der Spezieszusammensetzung auf die Flammentemperaturen zu ermitteln, werden radiale Temperaturprofile T(r,x), berechnet aus Interferogrammen (1), unter Berücksichtigung der Spezieszusammensetzung, in einer stöchiometrischen Flamme (2) und in heißer Luft (3) herangezogen. In der Höhe x = 20 mm zeigt sich, dass der Konzentrationseinfluss im Bereich der Flammenachse am größten ist. Die Unterschiede der Flammentemperaturen betragen hier dT_1-2 = 150 K bzw. dT_1-3 = 230 K. Für die Fälle (1), (2) und (3) unterscheiden sich die Temperaturprofile in der thermischen Grenzschicht nur geringfügig und sind somit nur wenig konzentrationsbeeinflusst. In der Pulsationszone bei x = 50 mm nahe der Flammenachse nehmen die Temperaturunterschiede auf dT_1-2 = 61 K bzw. dT_1-3 = 137 K ab. Die Annahme einer stöchiometrischen Flamme gibt im Bereich der sichtbaren Flamme r < 12 mm, die Flammentemperaturen recht gut wieder. Dies bedeutet, dass der Konzentrationseinfluss im Bereich der sichtbaren Flamme noch relativ groß ist, jedoch unter Annahme einer stöchiometrischen Flamme, berechnet werden kann. Im Bereich der thermischen Grenzschicht sind die Temperaturunterschiede nur noch sehr gering und folglich wenig konzentrationsbeeinflusst. In der Plumezone bei x = 150 mm erweisen sich die Temperaturprofile nur noch sehr wenig von den Spezies beeinflusst, so dass die Flamme dort mit sehr guter Näherung als heiße Luft betrachtet werden kann

Quantitative Untersuchung der Motilität des Blutparasiten Trypanosoma brucei brucei durch 4D-Tracking mittels digitaler In-line Holographie

In der vorliegenden Arbeit wurde die Motilität des Blutparasiten Trypanosoma brucei brucei untersucht. Dieser vor allem in Subsahara-Afrika verbreitete Organismus wird von der Tsetse-Fliege auf Menschen und Tiere übertragen und löst die unbehandelt tödlich verlaufende Afrikanische Schlafkrankheit aus. Nur wenige Medikamente sind bekannt, diese zeichnen sich jedoch meistens durch das Auftreten schwerer Nebenwirkungen aus. Der Organismus ist lange bekannt und seine Eigenmotilität wird seit langem mit seiner Pathogenität in Verbindung gebracht, trotzdem fehlen bislang weitgehend quantitative Untersuchungen zur Fortbewegung, vor allem der im infizierten Organismus vorkommenden Blutstromformen. Eine Strategie des Parasiten um die Immunantwort des Wirtes zu umgehen ist das „Abwaschen“ an der Zelloberfläche gebundener Antikörper durch gerichtetes Schwimmen. Desweiteren ist die Eigenbewegung von großer Bedeutung für die Zellteilung und damit erfolgreiche Vermehrung des Organismus sowie für die Verteilung im Wirt, da im Endstadium der Krankheit durch den Parasiten aktiv die Blut-Hirn-Schranke passiert wird. Die Kenntnis des zugrundeliegenden Fortbewegungsmechanismus ist also von grundlegender Bedeutung zum Verständnis der Pathogenese und damit zur Entwicklung von Strategien zur medikamentösen Bekämpfung des Erregers im infizierten Wirt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Motilitätsverhalten von Trypanosomen unterschiedlicher Lebenszyklusstadien bei verschiedenen Temperaturen mikroskopisch untersucht. Dazu wurde ein portables, holographisches Mikroskop entwickelt, dass die Vermessung von Trypanosomen bei physiologischen Temperaturen mit hoher Auflösung und Stabilität erlaubt. Die erhaltenen 3D-Daten erlauben erstmals eine quantitative Analyse frei schwimmender Trypanosomen über große Volumina und Zeiträume. Aus den Daten wurden zwei deutlich unterscheidbare Schwimmzustände abgeleitet, für die charakteristische Schwimmparameter, wie mittlere Schwimmgeschwindigkeiten und –winkel sowie typische Ausbreitungsverhalten abgeleitet werden konnten. Die Schwimmzustände konnten durch Referenzmessungen mit Motilitätsmutanten und unter Verwendung spezieller Probenkammern erfolgreich zwei unterschiedlichen Bewegungsmodi der die Trypanosomen antreibenden Struktur, dem Flagellum, zugeordnet werden. Die erhaltenen Daten zeigen deutlich die Adaption der Lebenszyklusstadien an ihre jeweils physiologische Temperatur und stützen eines der postulierten Modelle für die Trypanosomenbewegung, das run-and-tumble-Modell. Sie stellen somit einen wichtigen Beitrag zur Diskussion des Fortbewegungsmechanismus von Trypanosomen dar

Digital Cinema - Implikationen für bestehende und neue Marktteilnehmer der Kinobranche durch den Einsatz der Digitaltechnik in der Filmdistribution

Digital Cinema beschreibt die digitale Distribution von Kinofilmen über Breitbandnetze oder Satellitenverbindungen von einem zentralen Server aus direkt in die einzelnen Kinosäle. Durch die Digitalisierung der Filmdistribution ergibt sich eine Reihe von Vorteilen, aber auch Probleme und Risiken für die einzelnen Marktteilnehmer. Die ungleiche Verteilung der Nutzenund Risikopotentiale entlang der Wertschöpfungskette erschwert die Einigung der bestehenden Marktteilnehmer auf ein für alle Beteiligten akzeptables Geschäftsmodell. Dadurch ergeben sich Chancen für Unternehmen aus der IT- und TK-Branche, sich auf dem Kinomarkt zu positionieren

Digitale Bildgebung und Rekonstruktion von lichtbrechenden Proben in den Lebenswissenschaften

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Die Näherung lokaler Elementarstrukturen in Analyse und Design optischer Elemente

In der Analyse und dem Design optischer Elemente werden eine Vielzahl von Näherungsmethoden angewendet, da eine rigorose Behandlung der Problemdarstellungen wegen des zu hohen Rechenaufwandes oftmals nicht möglich ist. Die Arbeit untersucht verschiedene Näherungen auf ihre Anwendungsmöglichkeiten. Anschließend wird eine neue Näherung auf der Basis lokaler Elementarstrukturen (LESA) entwickelt, welche die Grenzen der anderen Näherungen überwindet und so eine sehr effektive Analyse optischer Elemente mit sehr kleinen Strukturgrößen erlaubt. Eine Designeralgorithmus auf der Basis von LESA wird vorgestellt und experimentell demonstriert

Geometrische und stochastische Modelle zur Optimierung der Leistungsfähigkeit des Strömungsmessverfahrens 3D-PTV

Die 3D Particle Tracking Velocimetry (3D PTV) ist eine Methode zur bildbasierten Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen. Dazu wird die Strömung mit Partikeln markiert und durch ein Mehrkamerasystem beobachtet. Das Ergebnis der Datenauswertung sind 3D Trajektorien einer großen Anzahl von Partikeln, die zur statistischen Analyse der Strömung genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene neu entwickelte Modelle gezeigt, die das Einsatzspektrum vergrößern und die Leistungsfähigkeit der 3D PTV erhöhen. Wesentliche Neuerungen sind der Einsatz eines Spiegelsystems zur Generierung eines virtuellen Kamerasystems, die Modellierung von komplex parametrisierten Trennflächen der Mehrmedienphotogrammetrie, eine wahrscheinlichkeitsbasierte Trackingmethode sowie eine neuartige Methode zur tomographischen Rekonstruktion von Rastervolumendaten. Die neuen Modelle sind an drei realen Experimentieranlagen und mit synthetischen Daten getestet worden. Durch den Einsatz eines Strahlteilers vor dem Objektiv einer einzelnen Kamera und vier Umlenkspiegeln, positioniert im weiteren Strahlengang, werden vier virtuelle Kameras generiert. Diese Methode zeichnet sich vor allem durch die Wirtschaftlichkeit als auch durch die nicht notwendige Synchronisation aus. Vor allem für die Anwendung im Hochgeschwindigkeitsbereich sind diese beiden Faktoren entscheidend. Bei der Beobachtung von Phänomenen in Wasser kommt es an den Trennflächen verschiedener Medien zur optischen Brechung. Diese muss für die weitere Auswertung zwingend modelliert werden. Für komplexe Trennflächen sind einfache Ansätze über zusätzliche Korrekturterme nicht praktikabel. Der entwickelte Ansatz basiert auf der mehrfachen Brechung jedes einzelnen Bildstrahls. Dazu müssen die Trennflächenparameter und die Kameraorientierungen im selben Koordinatensystem bekannt sein. Zumeist wird die Mehrbildzuordnung von Partikeln durch die Verwendung von Kernlinien realisiert. Auf Grund von instabilen Kameraorientierungen oder bei einer sehr hohen Partikeldichte sind diese geometrischen Eigenschaften nicht mehr ausreichend, um die Mehrbildzuordnung zu lösen. Unter der Ausnutzung weiterer geometrischer, radiometrischer und physikalischer Eigenschaften kann die Bestimmung der 3D Trajektorien dennoch durchgeführt werden. Dabei werden durch die Analyse verschiedener Merkmale diejenigen ausgewählt, welche sich für die spatio-temporale Zuordnung eignen. Die 3D PTV beruht auf der Diskretisierung der Partikelabbildungen im Bildraum und der anschließenden Objektkoordinatenbestimmung. Eine rasterbasierte Betrachtungsweise stellt die tomographische Rekonstruktion des Volumens dar. Hierbei wird die Intensitätsverteilung wird im Volumen rekonstruiert. Die Bewegungsinformationen werden im Anschluss aus den Veränderungen aufeinander folgender 3D-Bilder bestimmt. Durch dieses Verfahren können Strömungen mit einer höheren Partikeldichte im Volumen analysiert werden. Das entwickelte Verfahren basiert auf der schichtweisen Entzerrung und Zusammensetzung der Kamerabilder. Die entwickelten Modelle und Ansätze sind an verschiedenen Versuchsanlagen erprobt worden. Diese unterschieden sich stark in der Größe (0,5 dm³ – 20 dm³ – 130 m³) und den vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten (0,3 m/s – 7 m/s – 0,5 m/s).3D Particle Tracking Velocimetry (3D PTV) is an image based method for flow field determination. It is based on seeding a flow with tracer particles and recording the flow with a multi camera system. The results are 3D trajectories of a large number of particles for a statistical analysis of the flow. The thesis shows different novel models to increase the spectrum of applications and to optimize efficiency of 3D PTV. Central aspects are the use of the mirror system to generate a virtual multi camera system, the modelling of complex interfaces of multimedia photogrammetry, a probability based tracking method and a novel method for tomographic reconstruction of volume raster data. The improved models are tested in three real testing facilities and with synthetic data. Using a beam splitter in front of the camera lens and deflecting mirrors arranged in the optical path, a four headed virtual camera system can be generated. This method is characterised by its economic efficiency and by the fact that a synchronisation is not necessary. These facts are important especially when using high speed cameras. When observing phenomena in water, there will be refraction at the different interfaces. This has to be taken into account and modelled for each application. Approaches which use correction terms are not suitable to handle complex optical interfaces. The developed approach is based on a multiple refraction ray tracing with known interface parameters and camera orientations. Mostly the multi image matching of particles is performed using epipolar geometry. Caused by the not stable camera orientation or a very high particle density this geometric properties are not sufficient to solve the ambiguities. Using further geometrical radiometrical and physical properties of particles, the determination of the 3D trajectories can be performed. After the analysis of different properties those of them are chosen which are suitable for spatio-temporal matching. 3D PTV bases on the discretisation of particle images in image space and the following object coordinate determination. A raster based approach is the tomographic reconstruction of the volume. Here the light intensity distribution in the volume will be reconstructed. Afterwards the flow information is determined from the differences in successive 3D images. Using tomographic reconstruction techniques a higher particle density can be analysed. The developed approach bases on a slice by slice rectification of the camera images and on a following assembly of the volume. The developed models and approaches are tested at different testing facilities. These differ in size (0.5 dm³ – 20 dm³ – 130 m³) and flow velocities (0.3 m/s – 7 m/s – 0.5 m/s)