Ein miniaturisiertes Endoskop-Stereomesssystem zur Strömungsvisualisierung in Kiesbetten

Diese Arbeit stellt einen neuen Stereoaufbau zur Strömungsmessung in Kiesporen vor. Die eingesetzten Glasfaser-Endoskope sind direkt am Messvolumen positioniert und messen in einem bislang unzugänglichen Kiesbett. Die Verwendung eines Stereoaufbaus erlaubt die Rekonstruktion raum-zeitlicher Trajektorien, was die Bestimmung von Turbulenz ermöglicht. Durch Einbetten in eine künstliche Kiespore wird die Störung der Strömung bei der Messung gering gehalten. Es wird die Entwicklung, die Umsetzung und Erprobung des Messaufbaus beschrieben. Die dabei auftretenden Limitierungen der Signalstärke werden mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung kompensiert. Der Einfluss der Glasfaserabbildung wird quantifiziert und behoben. Wie gezeigt wird, ist nach dieser Vorverarbeitung der Daten der Einsatz von Particle Tracking Velocimetry möglich. Außerdem wird ein neues Verfahren verwendet, das die geometrische Kalibrierung bei einem derart kleinen Messvolumen stark vereinfacht

Zur Qualitätsbeurteilung von 3D-Videoobjekten

This thesis is focussed on the quality assessment of natural three-dimensional video objects. This novel kind of media objects allows watching a natural object (e. g. an actor) from different viewpoints, ideally from every arbitrary viewpoint. The quality assessment of such objects raises several questions to be solved. Many customary methods are not suitable for this new purpose. Firstly, several methods for the subjective and objective quality assessment of conventional video are investigated and systematized. Moreover, the manifold methods of generating 3D video objects are analysed. They cover a wide range from image-based to model-based methods. This analysis makes it possible to define the term 3D video object and to develop a model of its process. This model is applicable to all kinds of 3D video objects. In order to assess the quality of a 3D video object the definition of a reference is necessary. A 3D video object showing a sufficient quality has to to serve as reference for the 3D video object in evaluation. Furthermore, specific quality aspects of 3D video objects are pointed out, e. g., occlusions, distortions along epipolar lines, artifacts caused by compression, and a differing angle of view. Several methods like hierarchical block matching and a one-dimensional DFT are used to create mathematical models describing these quality features. There are significant restrictions for these methods. Naturally, a 3D video object can not be compared with its reference pixel by pixel. The models describing the quality features cover dynamic properties, too. They are depending on time as well as on the changing of the viewpoint. A set of quality parameters is developed using these mathematical feature models. These quality parameters consider the visual perception of the quality aspects and impairments. A methodology creating a 3D video quality metric 3DVQM based on these quality parameters is introduced. The parameter weights are determined by a successive approximation using extended subjective quality judgements. Finally, the proposed methodology is carried out exemplary by assessing a set of test objects. With this, the prediction of the subjective assessment based on the proposed objective method is evaluated.Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Qualitätsbewertung von natürlichen dreidimensionalen Videoobjekten. Dieser neuartige Medienobjekttyp erlaubt die Betrachtung von natürlichen Objekten (z. B. einer Person) aus verschiedenen Perspektiven, die im Idealfall frei wählbar sind. Zunächst werden in dieser Arbeit die Verfahren zur objektiven und subjektiven Qualitätsbewertung von konventionellem Bewegtbild untersucht und systematisiert. Ebenso werden die vielfältigen Verfahren zur Generierung von 3D-Videoobjekten analysiert. Diese bilden ein großes Spektrum von bild- bis hin zu modellbasierten Verfahren. Auf der Grundlage dieser Analyse erfolgt eine Begriffsbestimmung und die Beschreibung eines Modells der 3D-Videoobjektgenerierung, welches für sämtliche Generierungsverfahren gültig ist. Um die Qualität von 3D-Videoobjekten zu untersuchen, wird zunächst die Referenzfrage gelöst. Als Referenzen für zu bewertende 3D-Videoobjekte dienen ausreichend gute 3D-Videoobjekte, welche denselben Inhalt darstellen. Im Weiteren werden die speziellen Qualitätsaspekte von 3D-Videoobjekten aufgezeigt, u. a. Größenfehler, Okklusionen, Epipolarverzerrungen, Kompressionsartefakte und Blickwinkelfehler. Verschiedene Verfahren wie beispielsweise das hierarchische Block-Matching und die eindimensionale DFT dienen dazu, diese Merkmale mittels mathematischer Modelle zu beschreiben. Die wichtigste Einschränkung bei der Auswahl und der Anwendung dieser Methoden ist es, dass a priori kein Bildpunktbezug vorausgesetzt werden kann. Die Merkmalsmodelle umfassen auch die dynamischen Eigenschaften, welche sowohl zeit- als auch blickpunktsänderungsabhängig sein können. Im Anschluss wird die Entwicklung von 3D-Videoobjektqualitätsmerkmalen auf Basis der mathematischen Merkmalsmodelle beschrieben. Diese Qualitätsparameter stellen einen Bezug zur visuellen Wahrnehmung der Qualitätsaspekte und Störungen dar. Es wird eine Methodik zur Bildung eines 3D-Videoobjektqualitätsmaßes 3DVQM auf Basis dieser Qualitätsparameter vorgestellt. Die Bestimmung der Gewichtungskoeffizienten erfolgt sukzessive mit Hilfe erweiterter subjektiver Bewertungsverfahren. Zum Schluss wird die vorgeschlagene Methodik exemplarisch für eine Testreihe durchgeführt. In der Auswertung werden die Möglichkeiten der objektiven Bewertung zur Prädiktion der subjektiven Qualitätsbewertung dargelegt

Ein Beitrag zur Entwicklung von Methoden zur Stereoanalyse und Bildsynthese im Anwendungskontext der Videokommunikation

This thesis contributes to the research area of stereo vision and view synthesis in the field of private video communication. During private video communication eye contact between the participants is typically lost due to the different placement of the camera and the video window. The goal of this thesis is to re-establish the eye contact by synthesizing of the view of a virtual camera such that the virtual camera faces towards the participant. The thesis firstly sketches the positive effect of eye contact in video communication. An in-depth review of mathematical foundations in the fields of stereo vision and view synthesis follows. On this foundation the thesis comprehensively covers the state of the art of image based rendering and particularly of eye-gaze correction via 3D-analysis and synthesis.In the first step of the method development the thesis establishes a model of quality factors which determines decisions about camera placement and recording system. Measurements with respect to synchronization and data storage are presented. Local and global algorithms for stereo vision are analyzed and adapted. The thesis contributes to the field of stereo vision algorithms by means of development and combination of different cost functions, consistency based inpainting, spatial and temporal smoothing and segmentation with respect to the use case of private video communication. Using the extracted disparity map, two approaches for view synthesis - trifocal transfer and 3D warping - are employed and extended. One important contribution of the thesis is a contour-based inpainting algorithm as well as point base image smoothing techniques. Two comprehensive subjective studies prove the assumption that eye contact can be re-established by the proposed system. They demonstrate the well perceived eye-contact as well as the significantly improved acceptance of quality due to the developed methods compared to the initial situation. The thesis finally discusses the results, followed by a qualitative comparison to the state of the art.Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Forschungsbereich der Stereoanalyse und Bildsynthese im speziellen Kontext der privaten Videokommunikation. Bei der privaten Videokommunikation geht durch die unterschiedliche Positionierung der Kamera und des Videofensters typischerweise der Blickkontakt zwischen den Kommunikationsteilnehmern verloren. Ziel dieser Arbeit ist die Wiederherstellung des Blickkontaktes mittels der Synthese einer virtuellen Kameraansicht, die in Blickrichtung der Kommunizierenden ausgerichtet ist. Die Arbeit umreißt zunächst den positiven Einfluss des Blickkontaktes in der Videokommunikation. Anschließend wird eine tiefgehende Betrachtung der notwendigen technischen Grundlagen im Bereich Stereoanalyse und Bildsynthese durchgeführt. Aufbauend auf diesen Grundlagen wird der der Stand der Technik im Bereich des bildbasierten Renderings im Allgemeinen sowie der Blickkorrektur mittels 3D-Analyse und -synthese im Speziellen umfassend behandelt. Zunächst wird ein Modell von Qualitätsparametern entwickelt, welches die Entscheidungen hinsichtlich Kameraanordnung und Aufnahmesystem determiniert. Notwendige Messungen hinsichtlich Synchronizität und Datenspeicherung werden präsentiert. Im Bereich der Algorithmen der Stereoanalyse werden etablierte lokale und globale Algorithmen analysiert und adaptiert. Verschiedene Kostenmaße, konsistenzbasiertes Füllen, zeitliche und örtliche Glättung sowie eine abschließende Segmentierung werden hinsichtlich des konkreten Anwendungsfalls der Blickkorrektur in der privaten Videokommunikation entwickelt. Darauf aufbauend werden die beiden Syntheseverfahren des trifokalen Transfers sowie des 3D-Warpings weiter entwickelt. Ein wichtiger Beitrag der Arbeit ist ein konturbasiertes Füllverfahren sowie Maßnahmen im Bereich der Punktglättung. Zwei umfangreiche Experimente mit zahlreichen Probanden bestätigen die Korrektheit der Annahme, dass Blickkontakt durch das vorgestellte Verfahren hergestellt werden kann. Sie demonstrieren sowohl die sehr gute Wahrnehmung des Augenkontaktes als auch die signifikante Verbesserung der Akzeptanz und subjektiven Qualitätswahrnehmung durch die entwickelten Algorithmen im Vergleich zum Ausgangspunkt der Arbeit. Eine qualitativer Vergleich mit dem Stand der Technik und eine Diskussion der Ergebnisse, gepaart mit einem Ausblick in die Zukunft des behandelten Forschungsgebietes, schließen die Arbeit ab

Ultraschallbasierte Navigation für die minimalinvasive onkologische Nieren- und Leberchirurgie

In der minimalinvasiven onkologischen Nieren- und Leberchirurgie mit vielen Vorteilen für den Pa- tienten wird der Chirurg häufig mit Orientierungsproblemen konfrontiert. Hauptursachen hierfür sind die indirekte Sicht auf die Patientenanatomie, das eingeschränkte Blickfeld und die intra- operative Deformation der Organe. Abhilfe können Navigationssysteme schaffen, welche häufig auf intraoperativem Ultraschall basieren. Durch die Echtzeit-Bildgebung kann die Deformation des Organs bestimmt werden. Da viele Tumore im Schallbild nicht sichtbar sind, wird eine robuste automatische und deformierbare Registrierung mit dem präoperativen CT benötigt. Ferner ist eine permanente Visualisierung auch während der Manipulation am Organ notwendig. Für die Niere wurde die Eignung von Ultraschall-Elastographieaufnahmen für die bildbasierte Re- gistrierung unter Verwendung der Mutual Information evaluiert. Aufgrund schlechter Bildqualität und geringer Ausdehnung der Bilddaten hatte dies jedoch nur mäßigen Erfolg. Die Verzweigungspunkte der Blutgefäße in der Leber werden als natürliche Landmarken für die Registrierung genutzt. Dafür wurden Gefäßsegmentierungsalgorithmen für die beiden häufigsten Arten der Ultraschallbildgebung B-Mode und Power Doppler entwickelt. Die vorgeschlagene Kom- bination beider Modalitäten steigerte die Menge an Gefäßverzweigungen im Mittel um 35 %. Für die rigide Registrierung der Gefäße aus dem Ultraschall und CT werden mithilfe eines bestehen- den Graph Matching Verfahrens [OLD11b] im Mittel 9 bijektive Punktkorrespondenzen definiert. Die mittlere Registrierungsgenauigkeit liegt bei 3,45 mm. Die Menge an Punktkorrespondenzen ist für eine deformierbare Registrierung nicht ausreichend. Das entwickelte Verfahren zur Landmarkenverfeinerung fügt zwischen gematchten Punkte weitere Landmarken entlang der Gefäßmittellinien ein und sucht nach weiteren korrespondierenden Gefäß- segmenten wodurch die Zahl der Punktkorrespondenzen im Mittel auf 70 gesteigert wird. Dies erlaubt die Bestimmung der Organdeformation anhand des unterschiedlichen Gefäßverlaufes. Anhand dieser Punktkorrespondenzen kann mithilfe der Thin-Plate-Splines ein Deformationsfeld für das gesamte Organ berechnet werden. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Registrierung im Mittel um 44 % gesteigert. Die wichtigste Voraussetzung für das Gelingen der deformierbaren Registrierung ist eine möglichst umfassende Segmentierung der Gefäße aus dem Ultraschall. Im Rahmen der Arbeit wurde erstmals der Begriff der Regmentation auf die Segmentierung von Gefäßen und die gefäßbasierte Registrie- rung ausgeweitet. Durch diese Kombination beider Verfahren wurde die extrahierte Gefäßlänge im Mittel um 32 % gesteigert, woraus ein Anstieg der Anzahl korrespondierender Landmarken auf 98 resultiert. Hierdurch lässt sich die Deformation des Organs und somit auch die Lageveränderung des Tumors genauer und mit höherer Sicherheit bestimmen. Mit dem Wissen über die Lage des Tumors im Organ und durch Verwendung eines Markierungs- drahtes kann die Lageveränderung des Tumors während der chirurgischen Manipulation mit einem elektromagnetischen Trackingsystem überwacht werden. Durch dieses Tumortracking wird eine permanente Visualisierung mittels Video Overlay im laparoskopischen Videobild möglich. Die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit zur gefäßbasierten Registrierung sind die Gefäßsegmen- tierung aus Ultraschallbilddaten, die Landmarkenverfeinerung zur Gewinnung einer hohen Anzahl bijektiver Punktkorrespondenzen und die Einführung der Regmentation zur Verbesserung der Ge- fäßsegmentierung und der deformierbaren Registrierung. Das Tumortracking für die Navigation ermöglicht die permanente Visualisierung des Tumors während des gesamten Eingriffes

Dynamische Sensorselektion zur auftragsorientierten Objektverfolgung in Kameranetzwerken

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden untersucht und entwickelt, die es ermöglichen sollen, Netzwerke intelligenter Kameras aufgabenorientiert zu organisieren und dynamisch anzupassen. Insbesondere wurden Techniken erarbeitet, welche ein System in die Lage versetzen sollen Personen in einem definierten Videoüberwachungsbereich anhand dynamischer Gruppierungen von mehreren Kameras multisensoriell zu erfassen, zu lokalisieren und sensorübergreifend zu verfolgen

Deflektometrie zur automatischen Sichtprüfung und Rekonstruktion spiegelnder Oberflächen

Die Inspektion Spiegelnder Oberflächen unterscheidet sich von der Prüfung diffuser Flächen, da die Objekte nur aufgrund ihrer Spiegelbilder einem Beobachter zugänglich sind. Zur qualitativen Inspektion werden Strategien zur Auswertung von Spiegelbildserien präsentiert. Zur Flächenrekonstruktion wird ein neuartiger Algorithmus vorgeschlagen. Große, komplex geformte spiegelnde Objekte können mit den dargelegten Methoden geprüft und rekonstruiert werden

Deflektometrie zur automatischen Sichtprüfung und Rekonstruktion spiegelnder Oberflächen

Die Deflektometrie liefert Gestaltinformationen über spiegelnde Oberflächen durch Beobachtung von a priori bekannten Mustern. Zur automatischen Sichtprüfung von (teil)spiegelnden Objekten werden das Konzept der inversen Muster sowie Strategien zur Auswertung der deflektometrischen Registrierung präsentiert. Zur Rekonstruktion spiegelnder Flächen wird ein neuartiger Algorithmus dargelegt. Große, komplex geformte spiegelnde Objekte können mit den dargelegten Methoden geprüft und vermessen werden

Deflektometrie zur automatischen Sichtprüfung und Rekonstruktion spiegelnder Oberflächen

Die Deflektometrie liefert Gestaltinformationen über spiegelnde Oberflächen durch Beobachtung von a priori bekannten Mustern. Zur automatischen Sichtprüfung von (teil)spiegelnden Objekten werden das Konzept der inversen Muster sowie Strategien zur Auswertung der deflektometrischen Registrierung präsentiert. Zur Rekonstruktion spiegelnder Flächen wird ein neuartiger Algorithmus dargelegt. Große, komplex geformte spiegelnde Objekte können mit den dargelegten Methoden geprüft und vermessen werden

Entwurf von Computational-Imaging-Systemen am Beispiel der monokularen Tiefenschätzung

Computational-Imaging-Systeme kombinieren optische und digitale Signalverarbeitung um Information aus dem Licht einer Szene zu extrahieren. In dieser Arbeit wird das Raytracing-Verfahren als Simulationswerkzeug genutzt, um Computational-Imaging-Systeme ganzheitlich zu beschreiben, bewerten und optimieren. Am Beispiel der monokularen Tiefenschätzung wird die Simulation mit einem realen Prototyp einer Kamera mit programmierbarer Apertur verglichen und die vorgestellten Methoden evaluiert

Automatisierte Baumaschinen und Robotik

Die Bauwirtschaft sieht sich gegenwärtig und wohl auch in naher Zukunft mit einer großen Nachfrage nach Baumaßnahmen zur Schaffung von Wohnungen und Infrastruktur konfrontiert. Diesem Bedarf stehen ein nicht zu übersehender Mangel an Fachkräften und zunehmende Regularien und Qualitätserwartungen während des gesamten Bauprozesses gegenüber. Verglichen mit anderen Wirtschaftsbereichen hat die Baubranche zudem erheblichen Nachholbedarf im Hinblick auf ihre Produktivitätsentwicklung. So zeigen dahingehend nahezu alle Industrie- und Dienstleistungsbereiche einen mehr oder weniger kontinuierlich ansteigenden Trend, wohingegen die Produktivität in der Bauwirtschaft seit Jahrzehnten stagniert. Um diesen Anforderungen erfolgreich begegnen zu können, bieten die aktuell in allen Bereichen diskutierten Digitalisierungsansätze auch bei Baumaßnahmen und Baumaschinen nicht unerhebliches Potenzial. Dennoch gibt es bisher nur eine vergleichsweise geringe Durchdringung des Marktes mit industriell tauglichen Digitalisierungslösungen in der Bauwirtschaft. Vor diesem Hintergrund entstand das vorliegende Gutachten zum Thema „Automatisierte Baumaschinen und Robotik“, welches im Wesentlichen auf die Möglichkeiten und Grenzen der Automatisierung etablierter Baumaschinen durch die Integration verfügbarer Technologien zielt. Darüber hinaus werden neuartige und für den Einsatz in der Bauwirtschaft speziell konzipierte Technologien und Maschinen betrachtet. Dabei gewährt das Gutachten einen freien Blick auf den aktuellen Stand angewandter Technologien, Prozesse und Maschinen, zeigt weiterführend erkennbare Entwicklungstrends auf und klassifiziert Potenziale zur Effizienz-, Qualitäts- und Produktivitätssteigerung