Stereoskopische Korrespondenzbestimmung mit impliziter Detektion von Okklusionen

Der Einsatz binokularer Sehsysteme eröffnet sowohl in der Natur als auch in der Technik die Möglichkeit zum räumlichen Sehen.Das Grundprinzip bildet hierbei eine passive Triangulation, deren Ausgangspunkte die korrespondierenden Positionen darstellen, auf die ein Raumpunkt in die Stereobilder projiziert wird. Das zentrale Problem besteht bei dieser Technik darin, die korrespondierenden Bildpunkte eindeutig einander zuzuordnen. Dieses sogenannte Korrespondenzproblem ist einerseits aufgrund mehrerer ähnlicher Strukturen in der betrachteten Szene oft stark mehrdeutig und besitzt andererseits nicht immer eine Lösung, da Bereiche in der Szeneauftreten können, die nur aus einer der beiden Perspektiven zusehen sind. Weiterhin wird eine eindeutige Zuordnung korrespondierender Bildbereiche durch interokuläre Differenzen wie perspektivische Verzerrungen, Beleuchtungsunterschiede und Rauschprozesse zusätzlich erschwert. In der vorliegenden Arbeit werden die einzelnen Komponenten eines Gesamtsystems vorgestellt, die zur stereoskopischen Rekonstruktion der räumlichen Struktur einer Szene erforderlich sind. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet ein Selbstorganisationsprozeß, der in Verbindung mit weiteren Verfahrensschritten eine eindeutige Zuordnung korrespondierender Bildpunkte erlaubt. Darüber hinaus werden hierbei einseitig sichtbare Bildbereiche, die eine wesentliche Fehlerursache in der Stereoskopie darstellen, detektiert und vom Zuordnungsprozeß ausgeschlossen.Stereo vision is a passive method used to recover the depth information of a scene, which is lost during the projection of a point in the 3D-scene onto the 2D image plane. In stereo vision, in which two or more views of a scene are used, the depth information can be reconstructed from the different positions in the images to which a physical point in the 3D-scene is projected. The displacement of the corresponding positions in the image planes is called disparity. The central problem in stereo vision, known as the correspondence problem, is to find corresponding points or features in the images. This task can be an ambiguous one due to several similar structures or periodic elements in the images. Furthermore, there may be occluded regions in the scene, which can be seen only by one camera. In these regions there is no solution for the correspondence problem. Interocular differences such as perspective distortions, differences in illumination and camera noise make it even more difficult to solve the correspondence problem. The main focus of this work is a new stereo matching algorithm, in which the matching of occluded areas is suppressed by a self-organizing process. In the first step the images are filtered by a set of oriented Gabor filters. A complex valued correlation-based similarity measurement, which is applied to the responses of the Gabor filters, is used in the second step to initialize a self-organizing process. In this self-organizing network, which is described by coupled, non-linear evolution equations, the continuity and the uniqueness constraints are established. Occlusions are detected implicitly without a computationally intensive bidirectional matching strategy.von Dipl.-Ing. Ralph Trapp aus Winterberg. Referent: Prof. Dr. rer. nat Georg Hartmann, Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Ulrich RückertTag der Verteidigung: 15.09.1998Universität Paderborn, Univ., Dissertation, 199

Wiedererkennung ungefilterter und Fourier-gefilterter Schwarzweißmuster duch Honigbienen (Apis mellifera L.)

Honigbienen (Apis mellifera L.) sind in der Lage mit ihren Komplexaugen visuelle Muster wahrzunehmen und die Musterinformation im Zentralen Nervensystem zu speichern und für Ähnlichkeitsbewertungen wieder abzurufen. Die vorliegende Arbeit zeigt klare Evidenz gegen eine ausschließliche Bewertung von Schwarzweißmustern mit Hilfe von Template-Matching-Mechanismen. Mit systematisch abgewandelten Dressurparadigmen trainierte Bienen bewerteten Muster unabhängig von der erfolgten Dressur stets bevorzugt gemäß eher grober Mustereigenschaften, wie zum Beispiel die Parameter "schwarzer Musterzentralbereich" und "Musterzerstreutheit". Veränderte man in einem weiteren Versuchansatz die Musterinformation der Schwarzweißmuster zudem gezielt durch geeignete Fourier-Filterung, zeigte sich, dass Bienen zur Musterdiskriminierung bereits die Frequenzinformation von 2 - 8 Schwingungen/Bildbreite genügte. Diese Unschärfe der bewerteten Bildinformation ließ sich nicht ausschließlich aus den optischen Eigenschaften des visuellen Apparates der Bienen ableiten. Videodokumentationen und Einzelbildanalyse des Flugverhaltens der Bienen vor den Mustern ergaben zudem keinerlei Hinweise für eine Nutzung des Flugverhaltens als Bewertungsgrundlage zur Musterdiskriminierung. Die erhaltenen Ergebnisse zur Musterdiskriminierung wurden vor dem Hintergrund eines ökonomischen Entscheidungsmodells für menschliches Verhalten, den Frugalheuristiken, diskutiert und Hinweise auf eine ökonomische Bewertungsstrategie der Bienen entsprechend einer Take-The-Best-Heuristik gefunden.Honeybees (Apis mellifera L.) are able to perceive visual patterns through their compound eyes and store the visual information in the central nervous system for subsequent use in pattern discrimination tasks. This thesis provides clear evidence against the assumption that pattern discrimination relies exclusively on template matching mechanisms. Bees discriminated pairs of patterns preferential using extracted pattern parameters. Within this thesis the preferred parameters of the bees following the training paradigms were coarse parameters such as "black centre" and "pattern disruption". In experiments with Fourier filtered patterns the frequency information of the patterns were additionally reduced. The results showed that bees could discriminate patterns using only 2 - 8 cycles/pattern-width of the frequency information. The fuzziness of the exploited visual information could not be assigned to restrictions of the visual system of bees. Additional documentation and single picture analysis of the videotaped flight behaviour in front of the patterns provided no evidence for bees using their flight behaviour in order to enhance the pattern discrimination ability. Application of economic human decision models (frugal heuristics) to the behavioural results showed clues that bees'' decisions could be explained with the help of the Take-The-Best-heuristic

Konzepte zur Auslegung von Echtzeit-Bildverarbeitungssystemen für die Qualitätssicherung am Beispiel der Inspektion von Texturen

Bildverarbeitungssysteme werden in zunehmendem Maße für Aufgaben der Automatisierungstechnik und im besonderen in der Qualitätssicherung erfolgreich eingesetzt. Zur Lösung komplexer oder zeitkritischer Erkennungsaufgaben, wie z.B. in der Oberflächeninspektion und Texturanalyse, ist der Einsatz rechenintensiver Algorithmik erforderlich, so daß eine Softwarerealisierung nicht oder nur in speziellen Fällen möglich ist. Der vorliegende Beitrag zeigt Ansatzpunkte und Methoden zur Auslegung von Softwaresystemen zur Qualitätssicherung in Echtzeit am Beispiel der Inspektion texturierter Oberflächen auf Es werden merkmalsbasierte Verfahren diskutiert, wobei die ganzheitliche und zielorientierte Berücksichtigung aller Verfahrensschritte wesentlich ist. Zur Unterstützung des Designs von Bildverarbeitungslösungen werden automatische Verfahren der Systemkonfigurierung vorgestellt

Informationsverarbeitung in Lebewesen. Neuronale Netze, Sensorik, Motorik. Seminar am Lehrstuhl für Intelligente Sensor-Aktor-Systeme (Prof. Dr.-Ing. U.D. Hanebeck) SS 2003 [online]

Dieses Buch ist aus dem Seminar Informationsverarbeitung in Lebewesen entstanden, welches im Sommersemester 2003 am Institut für Rechnerentwurf und Fehlertoleranz der Universität Karlsruhe stattgefunden hat. Ziel des Seminars war es zu untersuchen, warum die Leistung technischer Systeme den biologischen nur in sehr speziellen Fällen überlegen ist und inwieweit die biologischen Systeme derzeit überhaupt verstanden werden. Die Forschung in diesem Gebiet hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Sie wird motiviert durch Modellierungswünsche in der Medizin, als Ideengeber für technische Systeme (Bionik), und aus dem Wunsch heraus, eines Tages zu verstehen wie Bewusstsein funktioniert. Die Informatik ist in diesem Gebiet besonders gefordert, da sie die technischen Grundlagen bereitstellt, um biologische Systeme in ihren Grundzügen modellieren und in technischen Systemen umsetzen zu können. Entsprechend wurden die Schwerpunkte im Seminar auf folgende Gebiete gelegt: Neuronale Netze Beispiel zur Modellierung eines Sinnesorgans: Das menschliche Ohr Sensorik von Lebewesen Biologisch motivierte Robote

Separation und Rekonstruktion funktionaler Elemente im Zentral-Nervensystem

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Lücke im methodischen Spektrum neurobiologischer Methoden zu schließen. Es ist heute möglich, das Gehirn auf unterschiedlichen Ebenen zu beschreiben. Es stehen jedoch keine Methoden zur Verfügung, um die Anordnung der Zellen innerhalb eines Nukleus quantitativ zu beschreiben. Die Anzahl und die Anordnung der Zellen ist jedoch eine essentielle Voraussetzung, um die Funktion eines Nukleus zu verstehen. Das hier vorgestellte Verfahren zur Rekonstruktion eines Nukleus basiert auf Nissl-gefärbten Semidünnschnitten der Medialen Superioren Olive (MSO) der Wüstenrennmaus Meriones ungiuculatus. Diese werden mit einer Digitalkamera lichtmikroskopisch aufgenommen und bilden die Basis der Rekonstruktion. In einem ersten Schritt werden innerhalb einer Schnittebene mehrere Einzelbilder patchworkartig zu einem Image Mosaic zusammengefügt. Durch diesen Schritt ist die Auflösung innerhalb einer Schnittebene praktisch unbegrenzt. Das Verfahren beinhaltet mehrere Kontrollmechanismen und funktioniert praktisch fehlerfrei. Danach werden die Bilder farblich korrigiert und mit Methoden der Mustererkennung werden die Zellkerne extrahiert. Die Extraktion der Zellkerne steht in ihrer Qualität einer manuellen Extraktion in nichts nach. Die Zellkerne dienen als Grundlage für den Archimedes-Alignment-Algorithmus, der die Schnittserie in einen dreidimensionalen Bezug setzt, indem aufeinander folgende Schnitte aneinander ausgerichtet werden. Auch dieses Verfahren beinhaltet eine Kontrolle und funktioniert fehlerfrei. Aus diesen Daten kann dann eine Rekonstruktion erstellt werden. Diese wird weiter ausgewertet und ergibt schließlich ein dreidimensionales Abbild des untersuchten Bereichs. Sämtliche Verfahrensschritte arbeiten entweder fehlerfrei oder mit einer nur sehr geringen Fehlerrate. Somit stellt dieses Verfahren eine robuste, effiziente und universell anwendbare Möglichkeit für die umfassende Analyse der Neuronenverteilung im ZNS dar. Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit, Nuklei dreidimensional zu untersuchen, bietet aber auch einen Ansatzpunkt um mittels histologischer Daten weiteres Datenmaterial (etwa elektrophysiologischer oder morphologische Daten) zu integrieren

Informationsrouting, Korrespondenzfindung und Objekterkennung im Gehirn

The dissertation deals with the general problem of how the brain can establish correspondences between neural patterns stored in different cortical areas. Although an important capability in many cognitive areas like language understanding, abstract reasoning, or motor control, this thesis concentrates on invariant object recognition as application of correspondence finding. One part of the work presents a correspondence-based, neurally plausible system for face recognition. Other parts address the question of visual information routing over several stages by proposing optimal architectures for such routing ('switchyards') and deriving ontogenetic mechanisms for the growth of switchyards. Finally, the idea of multi-stage routing is united with the object recognition system introduced before, making suggestions of how the so far distinct feature-based and correspondence-based approaches to object recognition could be reconciled.Allgemein gesprochen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Frage, wie das Gehirn Korrespondenzen zwischen Aktivitätsmustern finden kann. Dies ist ein zentrales Thema in der visuellen Objekterkennung, hat aber Bedeutung für alle Bereiche der neuronalen Datenverarbeitung vom Hören bis zum abstrakten Denken. Das Korrespondenzfinden sollte invariant gegenüber Veränderungen sein, die das Erscheinungsbild, aber nicht die Bedeutung der Muster ändern. Außerdem sollte es auch funktionieren, wenn die beiden Muster nicht direkt, sondern nur über Zwischenstationen miteinander verbunden sind. Voraussetzungen für das invariante Korrespondenzfinden zwischen Mustern sind einerseits die Existenz sinnvoller Verbindungsstrukturen, und andererseits ein prinzipieller neuronaler Mechanismus zum Finden von Korrespondenzen. Mit einem prinzipiellen Korrespondenzfindungsmechanismus befasst sich Kapitel 2 der Arbeit. Dieser beruht auf dynamischen Links zwischen den Punkten beider Muster, die durch punktuelle ähnlichkeit der Muster und globale Konsistenz mit benachbarten Links aktiviert werden. In mehrschichtigen Systemen können dynamische Links außer zur Korrespondenzfindung auch zum kontrollierten Routing von Information verwendet werden. Unter Verwendung dieser Eigenschaft wird in Kapitel 2 ein Gesichtserkennungssystem entwickelt, das invariant gegenüber Verschiebung und robust gegenüber Verformungen ist und gute Performanz auf Benchmarkdatenbanken In Kapitel 3 wird untersucht, was die sparsamste Methode ist, neuronale Muster so zu verbinden, dass es von jedem Punkt des einen Musters einen Pfad zu jedem Punkt des anderen gibt und visuelle Information von einem Muster zum anderen geroutet werden kann. Dabei wird die Gesamtmenge an benötigten neuronalen Ressourcen, also sowohl Verbindungen als auch merkmalrepräsentierende Einheiten der Zwischenschichten, minimiert. Dies führt zu mehrstufigen Strukturen mit weit gespreizten, aber dünn besetzten Verästelungen, die wir Switchyards nennen. Bei der Interpretation der Ergebnisse zeigt sich, dass Switchyards mit den qualitativen und quantitativen Gegebenheiten im Primatenhirn vereinbar sind, soweit diese bekannt sind. Kapitel 4 beschäftigt sich mit der Frage, wie solche doch recht komplizierten neuronalen Verbindungsstrukturen ontogenetisch entstehen können. Es wird ein möglicher Mechanismus vorgestellt, der auf chemischen Markern basiert. Die Marker werden von den Einheiten der untersten Schicht gebildet und diffundieren durch die entstehenden Verbindungen nach oben. Verbindungen wachsen bevorzugt zwischen Einheiten, die sehr unähnliche chemische Marker enthalten. Die resultierenden Verbindungsstrukturen sind beinahe identisch mit den in Kapitel 3 analytisch hergeleiteten Architekturen und biologisch sogar noch plausibler. Kapitel 5 führt die Ideen der vorangegangenen Kapitel zusammen, um das Korrespondenzfinden zwischen Mustern über mehrstufige Routingstrukturen hinweg zu realisieren. Es wird gezeigt, wie mit Hilfe von Switchyards Korrespondenzen zwischen normalen'' visuellen Mustern gefunden werden können, obwohl anfangs keine der einzelnen Stufen des Switchyards auf beiden Seiten Muster anliegen hat, die miteinander abgeglichen werden könnten. Im Anschluss wird das Prinzip zu einem vollständigen Erkennungssystem ausgebaut, das über mehrere Routingstufen hinweg ein gegebenes Eingangsmuster positionsinvariant einem mehrerer gespeicherter Muster zuordnen kann

Fähigkeiten zur Missionsdurchführung und Landmarkennavigation

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur Planung und Durchführung von komplexen Fahrmissionen eines autonomen Landfahrzeugs vorgestellt. Die explizite Repräsentation der einzelnen Fähigkeiten des Systems zur Wahrnehmung und Fortbewegung erlaubt zusammen mit einem Aktivierungs- und Kontrollmechanismus den effizienten Einsatz der Systemressourcen. Auf der Grundlage von Hintergrundwissen über das Operationsgebiet und die Leistungsfähigkeit der eigenen Fähigkeiten werden die langfristigen Aktionen geplant. Während der Missionsdurchführung werden die für den aktuellen Zeitpunkt geplanten Aktionen im System zur Verfügung gestellt. Eine Hierarchie von Entscheidungsinstanzen ist zuständig für die situationsgerechte Aktivierung der erforderlichen Fähigkeiten. Durch den ständigen Abgleich der resultierenden Fahrzeugbewegungen mit den geplanten Aktionen und durch die Positionsbestimmung an Landmarken wird der Fortschritt innerhalb der Mission auf mehreren zeitlichen und örtlichen Ebenen bestimmt. Nach Abschluß einer Fahrmission wird der Datengehalt der Hintergrundwissensbasen mit den gemachten Erfahrungen verglichen und bei Bedarf aktualisiert. Das entwickelte Konzept wurde im autonomen Versuchsfahrzeug VaMoRs realisiert und in verschiedenen Demoszenarien ausgiebig getestet. Im Rahmen einer zusammenhängenden Fahrmission konnten die Aufgaben amp;quot;Navigation auf einem Wegenetzamp;quot;, amp;quot;Navigation im Geländeamp;quot;, amp;quot;Positionsbestimmung an Landmarkenamp;quot; und die Transition zwischen den Domänen amp;quot;Straßeamp;quot; und amp;quot;Geländeamp;quot; in beiden Richtungen erfolgreich demonstriert werden