GPU-accelerated Convex Multi-phase Image Segmentation

Image segmentation is a key area of research in computer vision. Recent advances facilitated reformulation of the non-convex multi-phase segmentation problem as a convex optimization problem (see for example [2, 4, 9, 10, 13, 16]). Recently, [3] proposed a new convex relaxation approach for a class of vector-valued minimization problems, and this approach is directly applicable to the widely used classical Mumford-Shah segmentation model [11]. While the approach in [3] provides the much deserved convexification, it achieves this at the expense of an increased computational complexity due to the increased dimensionality of the reformulated problem; however, the algorithm proposed in [3] can indeed profit from a parallelized implementation. In this paper, we present a GPU-based implementation of the convex formulation for Mumford-Shah piecewise constant multi-phase image segmentation algorithm proposed in [3]. The main goal of this paper is to provide insights into the way the algorithm has been parallelized in order to obtain good speedup. We present multi-phase segmentation results both on synthetic and real images. The speedup of GPU based implementation is evaluated on three different GPUs. For sufficiently large images, the speedup achieved on GTX 285 GPU is around 40, compared to an optimized CPU implementation. The speedups obtained from GPU-based implementation are quite satisfactory. We also made our CUDA code available online

Algorithmen zur Korrespondenzschätzung und Bildinterpolation für die photorealistische Bildsynthese

Free-viewpoint video is a new form of visual medium that has received considerable attention in the last 10 years. Most systems reconstruct the geometry of the scene, thus restricting themselves to synchronized multi-view footage and Lambertian scenes. In this thesis we follow a different approach and describe contributions to a purely image-based end-to-end system operating on sparse, unsynchronized multi-view footage. In particular, we focus on dense correspondence estimation and synthesis of in-between views. In contrast to previous approaches, our correspondence estimation is specifically tailored to the needs of image interpolation; our multi-image interpolation technique advances the state-of-the-art by disposing the conventional blending step. Both algorithms are put to work in an image-based free-viewpoint video system and we demonstrate their applicability to space-time visual effects production as well as to stereoscopic content creation.3D-Video mit Blickpunktnavigation ist eine neues digitales Medium welchem die Forschung in den letzten 10 Jahren viel Aufmerksamkeit gewidmet hat. Die meisten Verfahren rekonstruieren dabei die Szenengeometrie und schränken sich somit auf Lambertsche Szenen und synchron aufgenommene Eingabedaten ein. In dieser Dissertation beschreiben wir Beiträge zu einem rein bild-basierten System welches auf unsynchronisierten Eingabevideos arbeitet. Unser Fokus liegt dabei auf der Schätzung dichter Korrespondenzkarten und auf der Synthese von Zwischenbildern. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren ist unser Ansatz der Korrespondenzschätzung auf die Bedürfnisse der Bilderinterpolation ausgerichtet; unsere Zwischenbildsynthese verzichtet auf das Überblenden der Eingabebilder zu Gunsten der Lösung eines Labelingproblems. Das resultierende System eignet sich sowohl zur Produktion räumlich-zeitlicher Spezialeffekte als auch zur Erzeugung stereoskopischer Videosequenzen

State of the Art in Skinning Techniques for Articulated Deformable Characters

Skinning is an indispensable component of the content creation pipeline for character animation in the context of feature films, video games, and in the special effects industry. Skinning techniques define the deformation of the character skin for every animation frame according to the current state of skeletal joints. In this state of the art report, we focus on the existing research in the areas of skeleton-based deformation, volume preserving techniques and physically based skinning methods. We also summarize the recent research in deformable and soft bodies simulations for articulated characters, and discuss various geometric and examples-based approaches

Skin Deformation Methods for Interactive Character Animation

Character animation is a vital component of contemporary computer games, animated feature films and virtual reality applications. The problem of creating appealing character animation can best be described by the title of the animation bible: “The Illusion of Life”. The focus is not on completing a given motion task, but more importantly on how this motion task is performed by the character. This does not necessarily require realistic behavior, but behavior that is believable. This of course includes the skin deformations when the character is moving. In this paper, we focus on the existing research in the area of skin deformation, ranging from skeleton-based deformation and volume preserving techniques to physically based skinning methods. We also summarize the recent contributions in deformable and soft body simulations for articulated characters, and discuss various geometric and example-based approaches

Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab