Towards Real-Time Novel View Synthesis Using Visual Hulls

This thesis discusses fast novel view synthesis from multiple images taken from different viewpoints. We propose several new algorithms that take advantage of modern graphics hardware to create novel views. Although different approaches are explored, one geometry representation, the visual hull, is employed throughout our work. First the visual hull plays an auxiliary role and assists in reconstruction of depth maps that are utilized for novel view synthesis. Then we treat the visual hull as the principal geometry representation of scene objects. A hardwareaccelerated approach is presented to reconstruct and render visual hulls directly from a set of silhouette images. The reconstruction is embedded in the rendering process and accomplished with an alpha map trimming technique. We go on by combining this technique with hardware-accelerated CSG reconstruction to improve the rendering quality of visual hulls. Finally, photometric information is exploited to overcome an inherent limitation of the visual hull. All algorithms are implemented on a distributed system. Novel views are generated at interactive or real-time frame rates.In dieser Dissertation werden mehrere Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe neue Ansichten einer Szene aus mehreren Bildströmen errechnet werden können. Die Bildströme werden hierzu aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf die Szene aufgezeichnet. Wir schlagen mehrere Algorithmen vor, welche die Funktionen moderner Grafikhardware ausnutzen, um die neuen Ansichten zu errechnen. Obwohl die Verfahren sich methodisch unterscheiden, basieren sie auf der gleichen Geometriedarstellung, der Visual Hull. In der ersten Methode spielt die Visual Hull eine unterstützende Rolle bei der Rekonstruktion von Tiefenbildern, die zur Erzeugung neuer Ansichten verwendet werden. In den nachfolgend vorgestellten Verfahren dient die Visual Hull primär der Repräsentation von Objekten in einer Szene. Eine hardwarebeschleunigte Methode, um Visual Hulls direkt aus mehreren Silhouettenbildern zu rekonstruieren und zu rendern, wird vorgestellt. Das Rekonstruktionsverfahren ist hierbei Bestandteil der Renderingmethode und basiert auf einer Alpha Map Trimming Technik. Ein weiterer Algorithmus verbessert die Qualitaet der gerenderten Visual Hulls, indem das Alpha-Map-basierte Verfahren mit einer hardware-beschleunigten CSG Rekonstruktiontechnik kombiniert wird. Eine vierte Methode nutzt zusaetzlich photometrische Information aus, um eine grundlegende Beschraenkung des Visual-Hull-Ansatzes zu umgehen. Alle Verfahren ermoeglichen die interaktive oder Echtzeit- Erzeugung neuer Ansichten

New acquisition techniques for real objects and light sources in computer graphics

Accurate representations of objects and light sources in a scene model are a crucial prerequisite for realistic image synthesis using computer graphics techniques. This thesis presents techniques for the effcient acquisition of real world objects and real world light sources, as well as an assessment of the quality of the acquired models. Making use of color management techniques, we setup an appearance reproduction pipeline that ensures best-possible reproduction of local light reflection with the available input and output devices. We introduce a hierarchical model for the subsurface light transport in translucent objects, derive an acquisition methodology, and acquire models of several translucent objects that can be rendered interactively. Since geometry models of real world objects are often acquired using 3D range scanners, we also present a method based on the concept of modulation transfer functions to evaluate their accuracy. In order to illuminate a scene with realistic light sources, we propose a method to acquire a model of the near-field emission pattern of a light source with optical prefiltering. We apply this method to several light sources with different emission characteristics and demonstrate the integration of the acquired models into both, global illumination as well as hardware-accelerated rendering systems.Exakte Repräsentationen der Objekte und Lichtquellen in einem Modell einer Szene sind eine unerlässliche Voraussetzung für die realistische Bilderzeugung mit Techniken der Computergraphik. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der effizienten Digitalisierung von realen Objekten und realen Lichtquellen. Dabei werden sowohl neue Digitalisierungstechniken als auch Methoden zur Bestimmung der Qualität der erzeugten Modelle vorgestellt. Wir schlagen eine Verarbeitungskette zur Digitalisierung und Wiedergabe der Farbe und Spekularität von Objekten vor, die durch Ausnutzung von Farbmanagementtechniken eine bestmögliche Wiedergabe des Objekts unter Verwendung der gegebenen Ein- und Ausgabegeräte ermöglicht. Wir führen weiterhin ein hierarchisches Modell für den Lichttransport im Inneren von Objekten aus durchscheinenden Materialien sowie eine zugehörige Akquisitionsmethode ein und digitalisieren mehrere reale Objekte. Die dabei erzeugten Modelle können in Echtzeit angezeigt werden. Die Geometrie realer Objekte spielt eine entscheidende Rolle in vielen Anwendungen und wird oftmals unter Verwendung von 3D Scannern digitalisiert. Wir entwickeln daher eine Methode zur Bestimmung der Genauigkeit eines 3D Scanners, die auf dem Konzept der Modulationstransferfunktion basiert. Um eine Szene mit realen Lichtquellen beleuchten zu können, schlagen wir ferner eine Methode zur Erfassung der Nahfeldabstrahlung eine Lichtquelle vor, bei der vor der Digitalisierung ein optischer Filterungsschritt durchgeführt wird. Wir wenden diese Methode zur Digitalisierung mehrerer Lichtquellen mit unterschiedlichen Abstrahlcharakteristika an und zeigen auf, wie die dabei erzeugten Modelle in globalen Beleuchtungsberechnungen sowie bei der Bildsynthese mittels moderner Graphikkarten verwendet werden können

Colour videos with depth : acquisition, processing and evaluation

The human visual system lets us perceive the world around us in three dimensions by integrating evidence from depth cues into a coherent visual model of the world. The equivalent in computer vision and computer graphics are geometric models, which provide a wealth of information about represented objects, such as depth and surface normals. Videos do not contain this information, but only provide per-pixel colour information. In this dissertation, I hence investigate a combination of videos and geometric models: videos with per-pixel depth (also known as RGBZ videos). I consider the full life cycle of these videos: from their acquisition, via filtering and processing, to stereoscopic display. I propose two approaches to capture videos with depth. The first is a spatiotemporal stereo matching approach based on the dual-cross-bilateral grid – a novel real-time technique derived by accelerating a reformulation of an existing stereo matching approach. This is the basis for an extension which incorporates temporal evidence in real time, resulting in increased temporal coherence of disparity maps – particularly in the presence of image noise. The second acquisition approach is a sensor fusion system which combines data from a noisy, low-resolution time-of-flight camera and a high-resolution colour video camera into a coherent, noise-free video with depth. The system consists of a three-step pipeline that aligns the video streams, efficiently removes and fills invalid and noisy geometry, and finally uses a spatiotemporal filter to increase the spatial resolution of the depth data and strongly reduce depth measurement noise. I show that these videos with depth empower a range of video processing effects that are not achievable using colour video alone. These effects critically rely on the geometric information, like a proposed video relighting technique which requires high-quality surface normals to produce plausible results. In addition, I demonstrate enhanced non-photorealistic rendering techniques and the ability to synthesise stereoscopic videos, which allows these effects to be applied stereoscopically. These stereoscopic renderings inspired me to study stereoscopic viewing discomfort. The result of this is a surprisingly simple computational model that predicts the visual comfort of stereoscopic images. I validated this model using a perceptual study, which showed that it correlates strongly with human comfort ratings. This makes it ideal for automatic comfort assessment, without the need for costly and lengthy perceptual studies

Dynamic task scheduling and binding for many-core systems through stream rewriting

This thesis proposes a novel model of computation, called stream rewriting, for the specification and implementation of highly concurrent applications. Basically, the active tasks of an application and their dependencies are encoded as a token stream, which is iteratively modified by a set of rewriting rules at runtime. In order to estimate the performance and scalability of stream rewriting, a large number of experiments have been evaluated on many-core systems and the task management has been implemented in software and hardware.In dieser Dissertation wurde Stream Rewriting als eine neue Methode entwickelt, um Anwendungen mit einer großen Anzahl von dynamischen Tasks zu beschreiben und effizient zur Laufzeit verwalten zu können. Dabei werden die aktiven Tasks in einem Datenstrom verpackt, der zur Laufzeit durch wiederholtes Suchen und Ersetzen umgeschrieben wird. Um die Performance und Skalierbarkeit zu bestimmen, wurde eine Vielzahl von Experimenten mit Many-Core-Systemen durchgeführt und die Verwaltung von Tasks über Stream Rewriting in Software und Hardware implementiert

From Image-based Motion Analysis to Free-Viewpoint Video

The problems of capturing real-world scenes with cameras and automatically analyzing the visible motion have traditionally been in the focus of computer vision research. The photo-realistic rendition of dynamic real-world scenes, on the other hand, is a problem that has been investigated in the field of computer graphics. In this thesis, we demonstrate that the joint solution to all three of these problems enables the creation of powerful new tools that are benecial for both research disciplines. Analysis and rendition of real-world scenes with human actors are amongst the most challenging problems. In this thesis we present new algorithmic recipes to attack them. The dissertation consists of three parts: In part I, we present novel solutions to two fundamental problems of human motion analysis. Firstly, we demonstrate a novel hybrid approach for markerfree human motion capture from multiple video streams. Thereafter, a new algorithm for automatic non-intrusive estimation of kinematic body models of arbitrary moving subjects from video is detailed. In part II of the thesis, we demonstrate that a marker-free motion capture approach makes possible the model-based reconstruction of free-viewpoint videos of human actors from only a handful of video streams. The estimated 3D videos enable the photo-realistic real-time rendition of a dynamic scene from arbitrary novel viewpoints. Texture information from video is not only applied to generate a realistic surface appearance, but also to improve the precision of the motion estimation scheme. The commitment to a generic body model also allows us to reconstruct a time-varying reflectance description of an actor`s body surface which allows us to realistically render the free-viewpoint videos under arbitrary lighting conditions. A novel method to capture high-speed large scale motion using regular still cameras and the principle of multi-exposure photography is described in part III. The fundamental principles underlying the methods in this thesis are not only applicable to humans but to a much larger class of subjects. It is demonstrated that, in conjunction, our proposed algorithmic recipes serve as building blocks for the next generation of immersive 3D visual media.Die Entwicklung neuer Algorithmen zur optischen Erfassung und Analyse der Bewegung in dynamischen Szenen ist einer der Forschungsschwerpunkte in der computergestützten Bildverarbeitung. Während im maschinellen Bildverstehen das Augenmerk auf der Extraktion von Informationen liegt, konzentriert sich die Computergrafik auf das inverse Problem, die fotorealistische Darstellung bewegter Szenen. In jüngster Vergangenheit haben sich die beiden Disziplinen kontinuierlich angenähert, da es eine Vielzahl an herausfordernden wissenschaftlichen Fragestellungen gibt, die eine gemeinsame Lösung des Bilderfassungs-, des Bildanalyse- und des Bildsyntheseproblems verlangen. Zwei der schwierigsten Probleme, welche für Forscher aus beiden Disziplinen eine große Relevanz besitzen, sind die Analyse und die Synthese von dynamischen Szenen, in denen Menschen im Mittelpunkt stehen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren vorgestellt, welche die optische Erfassung dieser Art von Szenen, die automatische Analyse der Bewegungen und die realistische neue Darstellung im Computer erlauben. Es wid deutlich werden, dass eine Integration von Algorithmen zur Lösung dieser drei Probleme in ein Gesamtsystem die Erzeugung völlig neuartiger dreidimensionaler Darstellungen von Menschen in Bewegung ermöglicht. Die Dissertation ist in drei Teile gegliedert: Teil I beginnt mit der Beschreibung des Entwurfs und des Baus eines Studios zur zeitsynchronen Erfassung mehrerer Videobildströme. Die im Studio aufgezeichneten Multivideosequenzen dienen als Eingabedaten für die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten videogestützten Bewegunsanalyseverfahren und die Algorithmen zur Erzeugung dreidimensionaler Videos. Im Anschluß daran werden zwei neu entwickelte Verfahren vorgestellt, die Antworten auf zwei fundamentale Fragen in der optischen Erfassung menschlicher Bewegung geben, die Messung von Bewegungsparametern und die Erzeugung von kinematischen Skelettmodellen. Das erste Verfahren ist ein hybrider Algorithmus zur markierungslosen optischen Messung von Bewegunsgparametern aus Multivideodaten. Der Verzicht auf optische Markierungen wird dadurch ermöglicht, dass zur Bewegungsanalyse sowohl aus den Bilddaten rekonstruierte Volumenmodelle als auch leicht zu erfassende Körpermerkmale verwendet werden. Das zweite Verfahren dient der automatischen Rekonstruktion eines kinematischen Skelettmodells anhand von Multivideodaten. Der Algorithmus benötigt weder optischen Markierungen in der Szene noch a priori Informationen über die Körperstruktur, und ist in gleicher Form auf Menschen, Tiere und Objekte anwendbar. Das Thema das zweiten Teils dieser Arbeit ist ein modellbasiertes Verfahrenzur Rekonstruktion dreidimensionaler Videos von Menschen in Bewegung aus nur wenigen zeitsynchronen Videoströmen. Der Betrachter kann die errechneten 3D Videos auf einem Computer in Echtzeit abspielen und dabei interaktiv einen beliebigen virtuellen Blickpunkt auf die Geschehnisse einnehmen. Im Zentrum unseres Ansatzes steht ein silhouettenbasierter Analyse-durch-Synthese Algorithmus, der es ermöglicht, ohne optische Markierungen sowohl die Form als auch die Bewegung eines Menschen zu erfassen. Durch die Berechnung zeitveränderlicher Oberächentexturen aus den Videodaten ist gewährleistet, dass eine Person aus jedem beliebigen Blickwinkel ein fotorealistisches Erscheinungsbild besitzt. In einer ersten algorithmischen Erweiterung wird gezeigt, dass die Texturinformation auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Bewegunsgssch ätzung eingesetzt werden kann. Zudem ist es durch die Verwendung eines generischen Körpermodells möglich, nicht nur dynamische Texturen sondern sogar dynamische Reektionseigenschaften der Körperoberäche zu messen. Unser Reektionsmodell besteht aus einer parametrischen BRDF für jeden Texel und einer dynamischen Normalenkarte für die gesamte Körperoberäche. Auf diese Weise können 3D Videos auch unter völlig neuen simulierten Beleuchtungsbedingungen realistisch wiedergegeben werden. Teil III dieser Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur optischen Messung sehr schneller Bewegungen. Bisher erforderten optische Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen sehr teure Spezialkameras mit hohen Bildraten. Im Gegensatz dazu verwendet die hier beschriebene Methode einfache Digitalfotokameras und das Prinzip der Multiblitzfotograe. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens sowohl die sehr schnelle artikulierte Handbewegung des Werfers als auch die Flugparameter des Balls während eines Baseballpitches gemessen werden können. Die hochgenau erfaßten Parameter ermöglichen es, die gemessene Bewegung in völlig neuer Weise im Computer zu visualisieren. Obgleich die in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren vornehmlich der Analyse und Darstellung menschlicher Bewegungen dienen, sind die grundlegenden Prinzipien auch auf viele anderen Szenen anwendbar. Jeder der beschriebenen Algorithmen löst zwar in erster Linie ein bestimmtes Teilproblem, aber in Ihrer Gesamtheit können die Verfahren als Bausteine verstanden werden, welche die nächste Generation interaktiver dreidimensionaler Medien ermöglichen werden

GPU data structures for graphics and vision

Graphics hardware has in recent years become increasingly programmable, and its programming APIs use the stream processor model to expose massive parallelization to the programmer. Unfortunately, the inherent restrictions of the stream processor model, used by the GPU in order to maintain high performance, often pose a problem in porting CPU algorithms for both video and volume processing to graphics hardware. Serial data dependencies which accelerate CPU processing are counterproductive for the data-parallel GPU. This thesis demonstrates new ways for tackling well-known problems of large scale video/volume analysis. In some instances, we enable processing on the restricted hardware model by re-introducing algorithms from early computer graphics research. On other occasions, we use newly discovered, hierarchical data structures to circumvent the random-access read/fixed write restriction that had previously kept sophisticated analysis algorithms from running solely on graphics hardware. For 3D processing, we apply known game graphics concepts such as mip-maps, projective texturing, and dependent texture lookups to show how video/volume processing can benefit algorithmically from being implemented in a graphics API. The novel GPU data structures provide drastically increased processing speed, and lift processing heavy operations to real-time performance levels, paving the way for new and interactive vision/graphics applications.Graphikhardware wurde in den letzen Jahren immer weiter programmierbar. Ihre APIs verwenden das Streamprozessor-Modell, um die massive Parallelisierung auch für den Programmierer verfügbar zu machen. Leider folgen aus dem strikten Streamprozessor-Modell, welches die GPU für ihre hohe Rechenleistung benötigt, auch Hindernisse in der Portierung von CPU-Algorithmen zur Video- und Volumenverarbeitung auf die GPU. Serielle Datenabhängigkeiten beschleunigen zwar CPU-Verarbeitung, sind aber für die daten-parallele GPU kontraproduktiv . Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen für bekannte Probleme der Video- und Volumensverarbeitung. Teilweise wird die Verarbeitung mit Hilfe von modifizierten Algorithmen aus der frühen Computergraphik-Forschung an das beschränkte Hardwaremodell angepasst. Anderswo helfen neu entdeckte, hierarchische Datenstrukturen beim Umgang mit den Schreibzugriff-Restriktionen die lange die Portierung von komplexeren Bildanalyseverfahren verhindert hatten. In der 3D-Verarbeitung nutzen wir bekannte Konzepte aus der Computerspielegraphik wie Mipmaps, projektive Texturierung, oder verkettete Texturzugriffe, und zeigen auf welche Vorteile die Video- und Volumenverarbeitung aus hardwarebeschleunigter Graphik-API-Implementation ziehen kann. Die präsentierten GPU-Datenstrukturen bieten drastisch schnellere Verarbeitung und heben rechenintensive Operationen auf Echtzeit-Niveau. Damit werden neue, interaktive Bildverarbeitungs- und Graphik-Anwendungen möglich

Applied Visualization in the Neurosciences and the Enhancement of Visualization through Computer Graphics

The complexity and size of measured and simulated data in many fields of science is increasing constantly. The technical evolution allows for capturing smaller features and more complex structures in the data. To make this data accessible by the scientists, efficient and specialized visualization techniques are required. Maximum efficiency and value for the user can only be achieved by adapting visualization to the specific application area and the specific requirements of the scientific field. Part I: In the first part of my work, I address the visualization in the neurosciences. The neuroscience tries to understand the human brain; beginning at its smallest parts, up to its global infrastructure. To achieve this ambitious goal, the neuroscience uses a combination of three-dimensional data from a myriad of sources, like MRI, CT, or functional MRI. To handle this diversity of different data types and sources, the neuroscience need specialized and well evaluated visualization techniques. As a start, I will introduce an extensive software called \"OpenWalnut\". It forms the common base for developing and using visualization techniques with our neuroscientific collaborators. Using OpenWalnut, standard and novel visualization approaches are available to the neuroscientific researchers too. Afterwards, I am introducing a very specialized method to illustrate the causal relation of brain areas, which was, prior to that, only representable via abstract graph models. I will finalize the first part of my work with an evaluation of several standard visualization techniques in the context of simulated electrical fields in the brain. The goal of this evaluation was clarify the advantages and disadvantages of the used visualization techniques to the neuroscientific community. We exemplified these, using clinically relevant scenarios. Part II: Besides the data preprocessing, which plays a tremendous role in visualization, the final graphical representation of the data is essential to understand structure and features in the data. The graphical representation of data can be seen as the interface between the data and the human mind. The second part of my work is focused on the improvement of structural and spatial perception of visualization -- the improvement of the interface. Unfortunately, visual improvements using computer graphics methods of the computer game industry is often seen sceptically. In the second part, I will show that such methods can be applied to existing visualization techniques to improve spatiality and to emphasize structural details in the data. I will use a computer graphics paradigm called \"screen space rendering\". Its advantage, amongst others, is its seamless applicability to nearly every visualization technique. I will start with two methods that improve the perception of mesh-like structures on arbitrary surfaces. Those mesh structures represent second-order tensors and are generated by a method named \"TensorMesh\". Afterwards I show a novel approach to optimally shade line and point data renderings. With this technique it is possible for the first time to emphasize local details and global, spatial relations in dense line and point data.In vielen Bereichen der Wissenschaft nimmt die Größe und Komplexität von gemessenen und simulierten Daten zu. Die technische Entwicklung erlaubt das Erfassen immer kleinerer Strukturen und komplexerer Sachverhalte. Um solche Daten dem Menschen zugänglich zu machen, benötigt man effiziente und spezialisierte Visualisierungswerkzeuge. Nur die Anpassung der Visualisierung auf ein Anwendungsgebiet und dessen Anforderungen erlaubt maximale Effizienz und Nutzen für den Anwender. Teil I: Im ersten Teil meiner Arbeit befasse ich mich mit der Visualisierung im Bereich der Neurowissenschaften. Ihr Ziel ist es, das menschliche Gehirn zu begreifen; von seinen kleinsten Teilen bis hin zu seiner Gesamtstruktur. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen nutzt die Neurowissenschaft vor allem kombinierte, dreidimensionale Daten aus vielzähligen Quellen, wie MRT, CT oder funktionalem MRT. Um mit dieser Vielfalt umgehen zu können, benötigt man in der Neurowissenschaft vor allem spezialisierte und evaluierte Visualisierungsmethoden. Zunächst stelle ich ein umfangreiches Softwareprojekt namens \"OpenWalnut\" vor. Es bildet die gemeinsame Basis für die Entwicklung und Nutzung von Visualisierungstechniken mit unseren neurowissenschaftlichen Kollaborationspartnern. Auf dieser Basis sind klassische und neu entwickelte Visualisierungen auch für Neurowissenschaftler zugänglich. Anschließend stelle ich ein spezialisiertes Visualisierungsverfahren vor, welches es ermöglicht, den kausalen Zusammenhang zwischen Gehirnarealen zu illustrieren. Das war vorher nur durch abstrakte Graphenmodelle möglich. Den ersten Teil der Arbeit schließe ich mit einer Evaluation verschiedener Standardmethoden unter dem Blickwinkel simulierter elektrischer Felder im Gehirn ab. Das Ziel dieser Evaluation war es, der neurowissenschaftlichen Gemeinde die Vor- und Nachteile bestimmter Techniken zu verdeutlichen und anhand klinisch relevanter Fälle zu erläutern. Teil II: Neben der eigentlichen Datenvorverarbeitung, welche in der Visualisierung eine enorme Rolle spielt, ist die grafische Darstellung essenziell für das Verständnis der Strukturen und Bestandteile in den Daten. Die grafische Repräsentation von Daten bildet die Schnittstelle zum Gehirn des Menschen. Der zweite Teile meiner Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der strukturellen und räumlichen Wahrnehmung in Visualisierungsverfahren -- mit der Verbesserung der Schnittstelle. Leider werden viele visuelle Verbesserungen durch Computergrafikmethoden der Spieleindustrie mit Argwohn beäugt. Im zweiten Teil meiner Arbeit werde ich zeigen, dass solche Methoden in der Visualisierung angewendet werden können um den räumlichen Eindruck zu verbessern und Strukturen in den Daten hervorzuheben. Dazu nutze ich ein in der Computergrafik bekanntes Paradigma: das \"Screen Space Rendering\". Dieses Paradigma hat den Vorteil, dass es auf nahezu jede existierende Visualiserungsmethode als Nachbearbeitunsgschritt angewendet werden kann. Zunächst führe ich zwei Methoden ein, die die Wahrnehmung von gitterartigen Strukturen auf beliebigen Oberflächen verbessern. Diese Gitter repräsentieren die Struktur von Tensoren zweiter Ordnung und wurden durch eine Methode namens \"TensorMesh\" erzeugt. Anschließend zeige ich eine neuartige Technik für die optimale Schattierung von Linien und Punktdaten. Mit dieser Technik ist es erstmals möglich sowohl lokale Details als auch globale räumliche Zusammenhänge in dichten Linien- und Punktdaten zu erfassen

Constrained camera motion estimation and 3D reconstruction

The creation of virtual content from visual data is a tedious task which requires a high amount of skill and expertise. Although the majority of consumers is in possession of multiple imaging devices that would enable them to perform this task in principle, the processing techniques and tools are still intended for the use by trained experts. As more and more capable hardware becomes available, there is a growing need among consumers and professionals alike for new flexible and reliable tools that reduce the amount of time and effort required to create high-quality content. This thesis describes advances of the state of the art in three areas of computer vision: camera motion estimation, probabilistic 3D reconstruction, and template fitting. First, a new camera model geared towards stereoscopic input data is introduced, which is subsequently developed into a generalized framework for constrained camera motion estimation. A probabilistic reconstruction method for 3D line segments is then described, which takes global connectivity constraints into account. Finally, a new framework for symmetry-aware template fitting is presented, which allows the creation of high-quality models from low-quality input 3D scans. Evaluations with a broad range of challenging synthetic and real-world data sets demonstrate that the new constrained camera motion estimation methods provide improved accuracy and flexibility, and that the new constrained 3D reconstruction methods improve the current state of the art.Die Erzeugung virtueller Inhalte aus visuellem Datenmaterial ist langwierig und erfordert viel Geschick und Sachkenntnis. Obwohl der Großteil der Konsumenten mehrere Bildgebungsgeräte besitzt, die es ihm im Prinzip erlauben würden, dies durchzuführen, sind die Techniken und Werkzeuge noch immer für den Einsatz durch ausgebildete Fachleute gedacht. Da immer leistungsfähigere Hardware zur Verfügung steht, gibt es sowohl bei Konsumenten als auch bei Fachleuten eine wachsende Nachfrage nach neuen flexiblen und verlässlichen Werkzeugen, die die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Inhalten vereinfachen. In der vorliegenden Arbeit werden Erweiterungen des Stands der Technik in den folgenden drei Bereichen der Bildverarbeitung beschrieben: Kamerabewegungsschätzung, wahrscheinlichkeitstheoretische 3D-Rekonstruktion und Template-Fitting. Zuerst wird ein neues Kameramodell vorgestellt, das für die Verarbeitung von stereoskopischen Eingabedaten ausgelegt ist. Dieses Modell wird in der Folge in eine generalisierte Methode zur Kamerabewegungsschätzung unter Nebenbedingungen erweitert. Anschließend wird ein wahrscheinlichkeitstheoretisches Verfahren zur Rekonstruktion von 3D-Liniensegmenten beschrieben, das globale Verbindungen als Nebenbedingungen berücksichtigt. Schließlich wird eine neue Methode zum Fitting eines Template-Modells präsentiert, bei der die Berücksichtigung der Symmetriestruktur des Templates die Erzeugung von Modellen hoher Qualität aus 3D-Eingabedaten niedriger Qualität erlaubt. Evaluierungen mit einem breiten Spektrum an anspruchsvollen synthetischen und realen Datensätzen zeigen, dass die neuen Methoden zur Kamerabewegungsschätzung unter Nebenbedingungen höhere Genauigkeit und mehr Flexibilität ermöglichen, und dass die neuen Methoden zur 3D-Rekonstruktion unter Nebenbedingungen den Stand der Technik erweitern