Engineering for a changing world: 60th Ilmenau Scientific Colloquium, Technische Universität Ilmenau, September 04-08, 2023 : programme

In 2023, the Ilmenau Scientific Colloquium is once more organised by the Department of Mechanical Engineering. The title of this year’s conference “Engineering for a Changing World” refers to limited natural resources of our planet, to massive changes in cooperation between continents, countries, institutions and people – enabled by the increased implementation of information technology as the probably most dominant driver in many fields. The Colloquium, supplemented by workshops, is characterised but not limited to the following topics: – Precision engineering and measurement technology Nanofabrication – Industry 4.0 and digitalisation in mechanical engineering – Mechatronics, biomechatronics and mechanism technology – Systems engineering – Productive teaming - Human-machine collaboration in the production environment The topics are oriented on key strategic aspects of research and teaching in Mechanical Engineering at our university

Augmented Reality

Augmented Reality (AR) is a natural development from virtual reality (VR), which was developed several decades earlier. AR complements VR in many ways. Due to the advantages of the user being able to see both the real and virtual objects simultaneously, AR is far more intuitive, but it's not completely detached from human factors and other restrictions. AR doesn't consume as much time and effort in the applications because it's not required to construct the entire virtual scene and the environment. In this book, several new and emerging application areas of AR are presented and divided into three sections. The first section contains applications in outdoor and mobile AR, such as construction, restoration, security and surveillance. The second section deals with AR in medical, biological, and human bodies. The third and final section contains a number of new and useful applications in daily living and learning

JSC research and technology

The primary roles and missions of JSC incorporate all aspects of human presence in space. Therefore, the Center is involved in the development of technology that will allow humans to stay longer in Earth orbit, allow safe flight in space, and provide capabilities to explore the Moon and Mars. The Center's technology emphasis areas include human spacecraft development, human support systems and infrastructure, and human spacecraft operations. Safety and reliability are critical requirements for the technologies that JSC pursues for long-duration use in space. One of the objectives of technology development at the Center is to give employees the opportunity to enhance their technological expertise and project management skills by defining, designing, and developing projects that are vital to the Center's strategy for the future. This report is intended to communicate within and outside the Agency our research and technology (R&T) accomplishments, as well as inform Headquarters program managers and their constituents of the significant accomplishments that have promise for future Agency programs. While not inclusive of all R&T efforts, the report presents a comprehensive summary of JSC projects in which substantial progress was made in the 1992 fiscal year. At the beginning of each project description, names of the Principal Investigator (PI) and the Technical Monitor (TM) are given, followed by their JSC mail codes or their company or university affiliations. The funding sources and technology focal points are identified in the index

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Medical Robotics

The first generation of surgical robots are already being installed in a number of operating rooms around the world. Robotics is being introduced to medicine because it allows for unprecedented control and precision of surgical instruments in minimally invasive procedures. So far, robots have been used to position an endoscope, perform gallbladder surgery and correct gastroesophogeal reflux and heartburn. The ultimate goal of the robotic surgery field is to design a robot that can be used to perform closed-chest, beating-heart surgery. The use of robotics in surgery will expand over the next decades without any doubt. Minimally Invasive Surgery (MIS) is a revolutionary approach in surgery. In MIS, the operation is performed with instruments and viewing equipment inserted into the body through small incisions created by the surgeon, in contrast to open surgery with large incisions. This minimizes surgical trauma and damage to healthy tissue, resulting in shorter patient recovery time. The aim of this book is to provide an overview of the state-of-art, to present new ideas, original results and practical experiences in this expanding area. Nevertheless, many chapters in the book concern advanced research on this growing area. The book provides critical analysis of clinical trials, assessment of the benefits and risks of the application of these technologies. This book is certainly a small sample of the research activity on Medical Robotics going on around the globe as you read it, but it surely covers a good deal of what has been done in the field recently, and as such it works as a valuable source for researchers interested in the involved subjects, whether they are currently “medical roboticists” or not

Multimedia Forensics

This book is open access. Media forensics has never been more relevant to societal life. Not only media content represents an ever-increasing share of the data traveling on the net and the preferred communications means for most users, it has also become integral part of most innovative applications in the digital information ecosystem that serves various sectors of society, from the entertainment, to journalism, to politics. Undoubtedly, the advances in deep learning and computational imaging contributed significantly to this outcome. The underlying technologies that drive this trend, however, also pose a profound challenge in establishing trust in what we see, hear, and read, and make media content the preferred target of malicious attacks. In this new threat landscape powered by innovative imaging technologies and sophisticated tools, based on autoencoders and generative adversarial networks, this book fills an important gap. It presents a comprehensive review of state-of-the-art forensics capabilities that relate to media attribution, integrity and authenticity verification, and counter forensics. Its content is developed to provide practitioners, researchers, photo and video enthusiasts, and students a holistic view of the field

Multimedia Forensics

This book is open access. Media forensics has never been more relevant to societal life. Not only media content represents an ever-increasing share of the data traveling on the net and the preferred communications means for most users, it has also become integral part of most innovative applications in the digital information ecosystem that serves various sectors of society, from the entertainment, to journalism, to politics. Undoubtedly, the advances in deep learning and computational imaging contributed significantly to this outcome. The underlying technologies that drive this trend, however, also pose a profound challenge in establishing trust in what we see, hear, and read, and make media content the preferred target of malicious attacks. In this new threat landscape powered by innovative imaging technologies and sophisticated tools, based on autoencoders and generative adversarial networks, this book fills an important gap. It presents a comprehensive review of state-of-the-art forensics capabilities that relate to media attribution, integrity and authenticity verification, and counter forensics. Its content is developed to provide practitioners, researchers, photo and video enthusiasts, and students a holistic view of the field

Sixth Annual Workshop on Space Operations Applications and Research (SOAR 1992), volume 2

This document contains papers presented at the Space Operations, Applications, and Research Symposium (SOAR) hosted by the U.S. Air Force (USAF) on 4-6 Aug. 1992. The symposium was cosponsored by the Air Force Material Command and by NASA/JSC. Key technical areas covered during the symposium were robotics and telepresence, automation and intelligent systems, human factors, life sciences, and space maintenance and servicing. The SOAR differed from most other conferences in that it was concerned with Government-sponsored research and development relevant to aerospace operations. Symposium proceedings include papers covering various disciplines presented by experts from NASA, the USAF, universities, and industry

First Annual Workshop on Space Operations Automation and Robotics (SOAR 87)

Several topics relative to automation and robotics technology are discussed. Automation of checkout, ground support, and logistics; automated software development; man-machine interfaces; neural networks; systems engineering and distributed/parallel processing architectures; and artificial intelligence/expert systems are among the topics covered

Blickpunktabhängige Computergraphik

Contemporary digital displays feature multi-million pixels at ever-increasing refresh rates. Reality, on the other hand, provides us with a view of the world that is continuous in space and time. The discrepancy between viewing the physical world and its sampled depiction on digital displays gives rise to perceptual quality degradations. By measuring or estimating where we look, gaze-contingent algorithms aim at exploiting the way we visually perceive to remedy visible artifacts. This dissertation presents a variety of novel gaze-contingent algorithms and respective perceptual studies. Chapter 4 and 5 present methods to boost perceived visual quality of conventional video footage when viewed on commodity monitors or projectors. In Chapter 6 a novel head-mounted display with real-time gaze tracking is described. The device enables a large variety of applications in the context of Virtual Reality and Augmented Reality. Using the gaze-tracking VR headset, a novel gaze-contingent render method is described in Chapter 7. The gaze-aware approach greatly reduces computational efforts for shading virtual worlds. The described methods and studies show that gaze-contingent algorithms are able to improve the quality of displayed images and videos or reduce the computational effort for image generation, while display quality perceived by the user does not change.Moderne digitale Bildschirme ermöglichen immer höhere Auflösungen bei ebenfalls steigenden Bildwiederholraten. Die Realität hingegen ist in Raum und Zeit kontinuierlich. Diese Grundverschiedenheit führt beim Betrachter zu perzeptuellen Unterschieden. Die Verfolgung der Aug-Blickrichtung ermöglicht blickpunktabhängige Darstellungsmethoden, die sichtbare Artefakte verhindern können. Diese Dissertation trägt zu vier Bereichen blickpunktabhängiger und wahrnehmungstreuer Darstellungsmethoden bei. Die Verfahren in Kapitel 4 und 5 haben zum Ziel, die wahrgenommene visuelle Qualität von Videos für den Betrachter zu erhöhen, wobei die Videos auf gewöhnlicher Ausgabehardware wie z.B. einem Fernseher oder Projektor dargestellt werden. Kapitel 6 beschreibt die Entwicklung eines neuartigen Head-mounted Displays mit Unterstützung zur Erfassung der Blickrichtung in Echtzeit. Die Kombination der Funktionen ermöglicht eine Reihe interessanter Anwendungen in Bezug auf Virtuelle Realität (VR) und Erweiterte Realität (AR). Das vierte und abschließende Verfahren in Kapitel 7 dieser Dissertation beschreibt einen neuen Algorithmus, der das entwickelte Eye-Tracking Head-mounted Display zum blickpunktabhängigen Rendern nutzt. Die Qualität des Shadings wird hierbei auf Basis eines Wahrnehmungsmodells für jeden Bildpixel in Echtzeit analysiert und angepasst. Das Verfahren hat das Potenzial den Berechnungsaufwand für das Shading einer virtuellen Szene auf ein Bruchteil zu reduzieren. Die in dieser Dissertation beschriebenen Verfahren und Untersuchungen zeigen, dass blickpunktabhängige Algorithmen die Darstellungsqualität von Bildern und Videos wirksam verbessern können, beziehungsweise sich bei gleichbleibender Bildqualität der Berechnungsaufwand des bildgebenden Verfahrens erheblich verringern lässt