Fehlerkaschierte Bildbasierte Darstellungsverfahren

Creating photo-realistic images has been one of the major goals in computer graphics since its early days. Instead of modeling the complexity of nature with standard modeling tools, image-based approaches aim at exploiting real-world footage directly,as they are photo-realistic by definition. A drawback of these approaches has always been that the composition or combination of different sources is a non-trivial task, often resulting in annoying visible artifacts. In this thesis we focus on different techniques to diminish visible artifacts when combining multiple images in a common image domain. The results are either novel images, when dealing with the composition task of multiple images, or novel video sequences rendered in real-time, when dealing with video footage from multiple cameras.Fotorealismus ist seit jeher eines der großen Ziele in der Computergrafik. Anstatt die Komplexität der Natur mit standardisierten Modellierungswerkzeugen nachzubauen, gehen bildbasierte Ansätze den umgekehrten Weg und verwenden reale Bildaufnahmen zur Modellierung, da diese bereits per Definition fotorealistisch sind. Ein Nachteil dieser Variante ist jedoch, dass die Komposition oder Kombination mehrerer Quellbilder eine nichttriviale Aufgabe darstellt und häufig unangenehm auffallende Artefakte im erzeugten Bild nach sich zieht. In dieser Dissertation werden verschiedene Ansätze verfolgt, um Artefakte zu verhindern oder abzuschwächen, welche durch die Komposition oder Kombination mehrerer Bilder in einer gemeinsamen Bilddomäne entstehen. Im Ergebnis liefern die vorgestellten Verfahren neue Bilder oder neue Ansichten einer Bildsammlung oder Videosequenz, je nachdem, ob die jeweilige Aufgabe die Komposition mehrerer Bilder ist oder die Kombination mehrerer Videos verschiedener Kameras darstellt

Interaktive Raumzeitrekonstruktion in der Computergraphik

High-quality dense spatial and/or temporal reconstructions and correspondence maps from camera images, be it optical flow, stereo or scene flow, are an essential prerequisite for a multitude of computer vision and graphics tasks, e.g. scene editing or view interpolation in visual media production. Due to the ill-posed nature of the estimation problem in typical setups (i.e. limited amount of cameras, limited frame rate), automated estimation approaches are prone to erroneous correspondences and subsequent quality degradation in many non-trivial cases such as occlusions, ambiguous movements, long displacements, or low texture. While improving estimation algorithms is one obvious possible direction, this thesis complementarily concerns itself with creating intuitive, high-level user interactions that lead to improved correspondence maps and scene reconstructions. Where visually convincing results are essential, rendering artifacts resulting from estimation errors are usually repaired by hand with image editing tools, which is time consuming and therefore costly. My new user interactions, which integrate human scene recognition capabilities to guide a semi-automatic correspondence or scene reconstruction algorithm, save considerable effort and enable faster and more efficient production of visually convincing rendered images.Raumzeit-Rekonstruktion in Form von dichten räumlichen und/oder zeitlichen Korrespondenzen zwischen Kamerabildern, sei es optischer Fluss, Stereo oder Szenenfluss, ist eine wesentliche Voraussetzung für eine Vielzahl von Aufgaben in der Computergraphik, zum Beispiel zum Editieren von Szenen oder Bildinterpolation. Da sowohl die Anzahl der Kameras als auch die Bildfrequenz begrenzt sind, ist das Rekonstruktionsproblem unterbestimmt, weswegen automatisierte Schätzungen häufig fehlerhafte Korrespondenzen für nichttriviale Fälle wie Verdeckungen, mehrdeutige oder große Bewegungen, oder einheitliche Texturen enthalten; jede Bildsynthese basierend auf den partiell falschen Schätzungen muß daher Qualitätseinbußen in Kauf nehmen. Man kann nun zum einen versuchen, die Schätzungsalgorithmen zu verbessern. Komplementär dazu kann man möglichst effiziente Interaktionsmöglichkeiten entwickeln, die die Qualität der Rekonstruktion drastisch verbessern. Dies ist das Ziel dieser Dissertation. Für visuell überzeugende Resultate müssen Bildsynthesefehler bislang manuell in einem aufwändigen Nachbearbeitungsschritt mit Hilfe von Bildbearbeitungswerkzeugen korrigiert werden. Meine neuen Benutzerinteraktionen, welche menschliches Szenenverständnis in halbautomatische Algorithmen integrieren, verringern den Nachbearbeitungsaufwand beträchtlich und ermöglichen so eine schnellere und effizientere Produktion qualitativ hochwertiger synthetisierter Bilder

Advanced methods for relightable scene representations in image space

The realistic reproduction of visual appearance of real-world objects requires accurate computer graphics models that describe the optical interaction of a scene with its surroundings. Data-driven approaches that model the scene globally as a reflectance field function in eight parameters deliver high quality and work for most material combinations, but are costly to acquire and store. Image-space relighting, which constrains the application to create photos with a virtual, fix camera in freely chosen illumination, requires only a 4D data structure to provide full fidelity. This thesis contributes to image-space relighting on four accounts: (1) We investigate the acquisition of 4D reflectance fields in the context of sampling and propose a practical setup for pre-filtering of reflectance data during recording, and apply it in an adaptive sampling scheme. (2) We introduce a feature-driven image synthesis algorithm for the interpolation of coarsely sampled reflectance data in software to achieve highly realistic images. (3) We propose an implicit reflectance data representation, which uses a Bayesian approach to relight complex scenes from the example of much simpler reference objects. (4) Finally, we construct novel, passive devices out of optical components that render reflectance field data in real-time, shaping the incident illumination into the desired imageDie realistische Wiedergabe der visuellen Erscheinung einer realen Szene setzt genaue Modelle aus der Computergraphik für die Interaktion der Szene mit ihrer Umgebung voraus. Globale Ansätze, die das Verhalten der Szene insgesamt als Reflektanzfeldfunktion in acht Parametern modellieren, liefern hohe Qualität für viele Materialtypen, sind aber teuer aufzuzeichnen und zu speichern. Verfahren zur Neubeleuchtung im Bildraum schränken die Anwendbarkeit auf fest gewählte Kameras ein, ermöglichen aber die freie Wahl der Beleuchtung, und erfordern dadurch lediglich eine 4D - Datenstruktur für volle Wiedergabetreue. Diese Arbeit enthält vier Beiträge zu diesem Thema: (1) wir untersuchen die Aufzeichnung von 4D Reflektanzfeldern im Kontext der Abtasttheorie und schlagen einen praktischen Aufbau vor, der Reflektanzdaten bereits während der Messung vorfiltert. Wir verwenden ihn in einem adaptiven Abtastschema. (2) Wir führen einen merkmalgesteuerten Bildsynthesealgorithmus für die Interpolation von grob abgetasteten Reflektanzdaten ein. (3) Wir schlagen eine implizite Beschreibung von Reflektanzdaten vor, die mit einem Bayesschen Ansatz komplexe Szenen anhand des Beispiels eines viel einfacheren Referenzobjektes neu beleuchtet. (4) Unter der Verwendung optischer Komponenten schaffen wir passive Aufbauten zur Darstellung von Reflektanzfeldern in Echtzeit, indem wir einfallende Beleuchtung direkt in das gewünschte Bild umwandeln

Die Virtuelle Videokamera: ein System zur Blickpunktsynthese in beliebigen, dynamischen Szenen

The Virtual Video Camera project strives to create free viewpoint video from casually captured multi-view data. Multiple video streams of a dynamic scene are captured with off-the-shelf camcorders, and the user can re-render the scene from novel perspectives. In this thesis the algorithmic core of the Virtual Video Camera is presented. This includes the algorithm for image correspondence estimation as well as the image-based renderer. Furthermore, its application in the context of an actual video production is showcased, and the rendering and image processing pipeline is extended to incorporate depth information.Das Virtual Video Camera Projekt dient der Erzeugung von Free Viewpoint Video Ansichten von Multi-View Aufnahmen: Material mehrerer Videoströme wird hierzu mit handelsüblichen Camcordern aufgezeichnet. Im Anschluss kann die Szene aus beliebigen, von den ursprünglichen Kameras nicht abgedeckten Blickwinkeln betrachtet werden. In dieser Dissertation wird der algorithmische Kern der Virtual Video Camera vorgestellt. Dies beinhaltet das Verfahren zur Bildkorrespondenzschätzung sowie den bildbasierten Renderer. Darüber hinaus wird die Anwendung im Kontext einer Videoproduktion beleuchtet. Dazu wird die bildbasierte Erzeugung neuer Blickpunkte um die Erzeugung und Einbindung von Tiefeninformationen erweitert

Robust density modelling using the student's t-distribution for human action recognition

The extraction of human features from videos is often inaccurate and prone to outliers. Such outliers can severely affect density modelling when the Gaussian distribution is used as the model since it is highly sensitive to outliers. The Gaussian distribution is also often used as base component of graphical models for recognising human actions in the videos (hidden Markov model and others) and the presence of outliers can significantly affect the recognition accuracy. In contrast, the Student's t-distribution is more robust to outliers and can be exploited to improve the recognition rate in the presence of abnormal data. In this paper, we present an HMM which uses mixtures of t-distributions as observation probabilities and show how experiments over two well-known datasets (Weizmann, MuHAVi) reported a remarkable improvement in classification accuracy. © 2011 IEEE

Orientation Analysis in 4D Light Fields

This work is about the analysis of 4D light fields. In the context of this work a light field is a series of 2D digital images of a scene captured on a planar regular grid of camera positions. It is essential that the scene is captured over several camera positions having constant distances to each other. This results in a sampling of light rays emitted by a single scene point as a function of the camera position. In contrast to traditional images – measuring the light intensity in the spatial domain – this approach additionally captures directional information leading to the four dimensionality mentioned above. For image processing, light fields are a relatively new research area. In computer graphics, they were used to avoid the work-intensive modeling of 3D geometry by instead using view interpolation to achieve interactive 3D experiences without explicit geometry. The intention of this work is vice versa, namely using light fields to reconstruct geometry of a captured scene. The reason is that light fields provide much richer information content compared to existing approaches of 3D reconstruction. Due to the regular and dense sampling of the scene, aside from geometry, material properties are also imaged. Surfaces whose visual appearance change when changing the line of sight causes problems for known approaches of passive 3D reconstruction. Light fields instead sample this change in appearance and thus make analysis possible. This thesis covers different contributions. We propose a new approach to convert raw data from a light field camera (plenoptic camera 2.0) to a 4D representation without a pre-computation of pixel-wise depth. This special representation – also called the Lumigraph – enables an access to epipolar planes which are sub-spaces of the 4D data structure. An approach is proposed analyzing these epipolar plane images to achieve a robust depth estimation on Lambertian surfaces. Based on this, an extension is presented also handling reflective and transparent surfaces. As examples for the usefulness of this inherently available depth information we show improvements to well known techniques like super-resolution and object segmentation when extending them to light fields. Additionally a benchmark database was established over time during the research for this thesis. We will test the proposed approaches using this database and hope that it helps to drive future research in this field