Optical techniques for 3D surface reconstruction in computer-assisted laparoscopic surgery

One of the main challenges for computer-assisted surgery (CAS) is to determine the intra-opera- tive morphology and motion of soft-tissues. This information is prerequisite to the registration of multi-modal patient-specific data for enhancing the surgeon’s navigation capabilites by observ- ing beyond exposed tissue surfaces and for providing intelligent control of robotic-assisted in- struments. In minimally invasive surgery (MIS), optical techniques are an increasingly attractive approach for in vivo 3D reconstruction of the soft-tissue surface geometry. This paper reviews the state-of-the-art methods for optical intra-operative 3D reconstruction in laparoscopic surgery and discusses the technical challenges and future perspectives towards clinical translation. With the recent paradigm shift of surgical practice towards MIS and new developments in 3D opti- cal imaging, this is a timely discussion about technologies that could facilitate complex CAS procedures in dynamic and deformable anatomical regions

Advanced editing methods for image and video sequences

In the context of image and video editing, this thesis proposes methods for modifying the semantic content of a recorded scene. Two different editing problems are approached: First, the removal of ghosting artifacts from high dynamic range (HDR) images recovered from exposure sequences, and second, the removal of objects from video sequences recorded with and without camera motion. These editings need to be performed in a way that the result looks plausible to humans, but without having to recover detailed models about the content of the scene, e.g. its geometry, reflectance, or illumination. The proposed editing methods add new key ingredients, such as camera noise models and global optimization frameworks, that help achieving results that surpass the capabilities of state-of-the-art methods. Using these ingredients, each proposed method defines local visual properties that approximate well the specific editing requirements of each task. These properties are then encoded into a energy function that, when globally minimized, produces the required editing results. The optimization of such energy functions corresponds to Bayesian inference problems that are solved efficiently using graph cuts. The proposed methods are demonstrated to outperform other state-ofthe-art methods. Furthermore, they are demonstrated to work well on complex real-world scenarios that have not been previously addressed in the literature, i.e., highly cluttered scenes for HDR deghosting, and highly dynamic scenes and unconstraint camera motion for object removal from videos.Diese Arbeit schlägt Methoden zur Änderung des semantischen Inhalts einer aufgenommenen Szene im Kontext der Bild-und Videobearbeitung vor. Zwei unterschiedliche Bearbeitungsmethoden werden angesprochen: Erstens, das Entfernen von Ghosting Artifacts (Geist-ähnliche Artefakte) aus High Dynamic Range (HDR) Bildern welche von Belichtungsreihen erstellt wurden und zweitens, das Entfernen von Objekten aus Videosequenzen mit und ohne Kamerabewegung. Das Bearbeiten muss in einer Weise durchgeführt werden, dass das Ergebnis für den Menschen plausibel aussieht, aber ohne das detaillierte Modelle des Szeneninhalts rekonstruiert werden müssen, z.B. die Geometrie, das Reflexionsverhalten, oder Beleuchtungseigenschaften. Die vorgeschlagenen Bearbeitungsmethoden beinhalten neuartige Elemente, etwa Kameralärm-Modelle und globale Optimierungs-Systeme, mit deren Hilfe es möglich ist die Eigenschaften der modernsten existierenden Methoden zu übertreffen. Mit Hilfe dieser Elemente definieren die vorgeschlagenen Methoden lokale visuelle Eigenschaften welche die beschriebenen Bearbeitungsmethoden gut annähern. Diese Eigenschaften werden dann als Energiefunktion codiert, welche, nach globalem minimieren, die gewünschten Bearbeitung liefert. Die Optimierung solcher Energiefunktionen entspricht dem Bayes’schen Inferenz Modell welches effizient mittels Graph-Cut Algorithmen gelöst werden kann. Es wird gezeigt, dass die vorgeschlagenen Methoden den heutigen Stand der Technik übertreffen. Darüber hinaus sind sie nachweislich gut auf komplexe natürliche Szenarien anwendbar, welche in der existierenden Literatur bisher noch nicht angegangen wurden, d.h. sehr unübersichtliche Szenen für HDR Deghosting und sehr dynamische Szenen und unbeschränkte Kamerabewegungen für das Entfernen von Objekten aus Videosequenzen