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

On Robotic Work-Space Sensing and Control

Industrial robots are fast and accurate when working with known objects at precise locations in well-structured manufacturing environments, as done in the classical automation setting. In one sense, limited use of sensors leaves robots blind and numb, unaware of what is happening in their surroundings. Whereas equipping a system with sensors has the potential to add new functionality and increase the set of uncertainties a robot can handle, it is not as simple as that. Often it is difficult to interpret the measurements and use them to draw necessary conclusions about the state of the work space. For effective sensor-based control, it is necessary to both understand the sensor data and to know how to act on it, giving the robot perception-action capabilities. This thesis presents research on how sensors and estimation techniques can be used in robot control. The suggested methods are theoretically analyzed and evaluated with a large focus on experimental verification in real-time settings. One application class treated is the ability to react fast and accurately to events detected by vision, which is demonstrated by the realization of a ball-catching robot. A new approach is proposed for performing high-speed color-based image analysis that is robust to varying illumination conditions and motion blur. Furthermore, a method for object tracking is presented along with a novel way of Kalman-filter initialization that can handle initial-state estimates with infinite variance. A second application class treated is robotic assembly using force control. A study of two assembly scenarios is presented, investigating the possibility of using force-controlled assembly in industrial robotics. Two new approaches for robotic contact-force estimation without any force sensor are presented and validated in assembly operations. The treated topics represent some of the challenges in sensor-based robot control, and it is demonstrated how they can be used to extend the functionality of industrial robots

Colloidal Synthesis of Lead Halide Perovskite Nanocrystals for Optoelectronic Application

Colloidal Synthesis of Lead Halide Perovskite Nanocrystals for Optoelectronic Applicatio

Human-robot interaction and computer-vision-based services for autonomous robots

L'Aprenentatge per Imitació (IL), o Programació de robots per Demostració (PbD), abasta mètodes pels quals un robot aprèn noves habilitats a través de l'orientació humana i la imitació. La PbD s'inspira en la forma en què els éssers humans aprenen noves habilitats per imitació amb la finalitat de desenvolupar mètodes pels quals les noves tasques es poden transferir als robots. Aquesta tesi està motivada per la pregunta genèrica de "què imitar?", Que es refereix al problema de com extreure les característiques essencials d'una tasca. Amb aquesta finalitat, aquí adoptem la perspectiva del Reconeixement d'Accions (AR) per tal de permetre que el robot decideixi el què cal imitar o inferir en interactuar amb un ésser humà. L'enfoc proposat es basa en un mètode ben conegut que prové del processament del llenguatge natural: és a dir, la bossa de paraules (BoW). Aquest mètode s'aplica a grans bases de dades per tal d'obtenir un model entrenat. Encara que BoW és una tècnica d'aprenentatge de màquines que s'utilitza en diversos camps de la investigació, en la classificació d'accions per a l'aprenentatge en robots està lluny de ser acurada. D'altra banda, se centra en la classificació d'objectes i gestos en lloc d'accions. Per tant, en aquesta tesi es demostra que el mètode és adequat, en escenaris de classificació d'accions, per a la fusió d'informació de diferents fonts o de diferents assajos. Aquesta tesi fa tres contribucions: (1) es proposa un mètode general per fer front al reconeixement d'accions i per tant contribuir a l'aprenentatge per imitació; (2) la metodologia pot aplicar-se a grans bases de dades, que inclouen diferents modes de captura de les accions; i (3) el mètode s'aplica específicament en un projecte internacional d'innovació real anomenat Vinbot.El Aprendizaje por Imitación (IL), o Programación de robots por Demostración (PbD), abarca métodos por los cuales un robot aprende nuevas habilidades a través de la orientación humana y la imitación. La PbD se inspira en la forma en que los seres humanos aprenden nuevas habilidades por imitación con el fin de desarrollar métodos por los cuales las nuevas tareas se pueden transferir a los robots. Esta tesis está motivada por la pregunta genérica de "qué imitar?", que se refiere al problema de cómo extraer las características esenciales de una tarea. Con este fin, aquí adoptamos la perspectiva del Reconocimiento de Acciones (AR) con el fin de permitir que el robot decida lo que hay que imitar o inferir al interactuar con un ser humano. El enfoque propuesto se basa en un método bien conocido que proviene del procesamiento del lenguaje natural: es decir, la bolsa de palabras (BoW). Este método se aplica a grandes bases de datos con el fin de obtener un modelo entrenado. Aunque BoW es una técnica de aprendizaje de máquinas que se utiliza en diversos campos de la investigación, en la clasificación de acciones para el aprendizaje en robots está lejos de ser acurada. Además, se centra en la clasificación de objetos y gestos en lugar de acciones. Por lo tanto, en esta tesis se demuestra que el método es adecuado, en escenarios de clasificación de acciones, para la fusión de información de diferentes fuentes o de diferentes ensayos. Esta tesis hace tres contribuciones: (1) se propone un método general para hacer frente al reconocimiento de acciones y por lo tanto contribuir al aprendizaje por imitación; (2) la metodología puede aplicarse a grandes bases de datos, que incluyen diferentes modos de captura de las acciones; y (3) el método se aplica específicamente en un proyecto internacional de innovación real llamado Vinbot.Imitation Learning (IL), or robot Programming by Demonstration (PbD), covers methods by which a robot learns new skills through human guidance and imitation. PbD takes its inspiration from the way humans learn new skills by imitation in order to develop methods by which new tasks can be transmitted to robots. This thesis is motivated by the generic question of “what to imitate?” which concerns the problem of how to extract the essential features of a task. To this end, here we adopt Action Recognition (AR) perspective in order to allow the robot to decide what has to be imitated or inferred when interacting with a human kind. The proposed approach is based on a well-known method from natural language processing: namely, Bag of Words (BoW). This method is applied to large databases in order to obtain a trained model. Although BoW is a machine learning technique that is used in various fields of research, in action classification for robot learning it is far from accurate. Moreover, it focuses on the classification of objects and gestures rather than actions. Thus, in this thesis we show that the method is suitable in action classification scenarios for merging information from different sources or different trials. This thesis makes three contributions: (1) it proposes a general method for dealing with action recognition and thus to contribute to imitation learning; (2) the methodology can be applied to large databases which include different modes of action captures; and (3) the method is applied specifically in a real international innovation project called Vinbot

Modeling and Simulation in Engineering

This book provides an open platform to establish and share knowledge developed by scholars, scientists, and engineers from all over the world, about various applications of the modeling and simulation in the design process of products, in various engineering fields. The book consists of 12 chapters arranged in two sections (3D Modeling and Virtual Prototyping), reflecting the multidimensionality of applications related to modeling and simulation. Some of the most recent modeling and simulation techniques, as well as some of the most accurate and sophisticated software in treating complex systems, are applied. All the original contributions in this book are jointed by the basic principle of a successful modeling and simulation process: as complex as necessary, and as simple as possible. The idea is to manipulate the simplifying assumptions in a way that reduces the complexity of the model (in order to make a real-time simulation), but without altering the precision of the results

Change blindness: eradication of gestalt strategies

Arrays of eight, texture-defined rectangles were used as stimuli in a one-shot change blindness (CB) task where there was a 50% chance that one rectangle would change orientation between two successive presentations separated by an interval. CB was eliminated by cueing the target rectangle in the first stimulus, reduced by cueing in the interval and unaffected by cueing in the second presentation. This supports the idea that a representation was formed that persisted through the interval before being 'overwritten' by the second presentation (Landman et al, 2003 Vision Research 43149–164]. Another possibility is that participants used some kind of grouping or Gestalt strategy. To test this we changed the spatial position of the rectangles in the second presentation by shifting them along imaginary spokes (by ±1 degree) emanating from the central fixation point. There was no significant difference seen in performance between this and the standard task [F(1,4)=2.565, p=0.185]. This may suggest two things: (i) Gestalt grouping is not used as a strategy in these tasks, and (ii) it gives further weight to the argument that objects may be stored and retrieved from a pre-attentional store during this task

Virtuaalse proovikabiini 3D kehakujude ja roboti juhtimisalgoritmide uurimine

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsiooneVirtuaalne riiete proovimine on üks põhilistest teenustest, mille pakkumine võib suurendada rõivapoodide edukust, sest tänu sellele lahendusele väheneb füüsilise töö vajadus proovimise faasis ning riiete proovimine muutub kasutaja jaoks mugavamaks. Samas pole enamikel varem välja pakutud masinnägemise ja graafika meetoditel õnnestunud inimkeha realistlik modelleerimine, eriti terve keha 3D modelleerimine, mis vajab suurt kogust andmeid ja palju arvutuslikku ressurssi. Varasemad katsed on ebaõnnestunud põhiliselt seetõttu, et ei ole suudetud korralikult arvesse võtta samaaegseid muutusi keha pinnal. Lisaks pole varasemad meetodid enamasti suutnud kujutiste liikumisi realistlikult reaalajas visualiseerida. Käesolev projekt kavatseb kõrvaldada eelmainitud puudused nii, et rahuldada virtuaalse proovikabiini vajadusi. Välja pakutud meetod seisneb nii kasutaja keha kui ka riiete skaneerimises, analüüsimises, modelleerimises, mõõtmete arvutamises, orientiiride paigutamises, mannekeenidelt võetud 3D visuaalsete andmete segmenteerimises ning riiete mudeli paigutamises ja visualiseerimises kasutaja kehal. Selle projekti käigus koguti visuaalseid andmeid kasutades 3D laserskannerit ja Kinecti optilist kaamerat ning koostati nendest andmebaas. Neid andmeid kasutati välja töötatud algoritmide testimiseks, mis peamiselt tegelevad riiete realistliku visuaalse kujutamisega inimkehal ja suuruse pakkumise süsteemi täiendamisega virtuaalse proovikabiini kontekstis.Virtual fitting constitutes a fundamental element of the developments expected to rise the commercial prosperity of online garment retailers to a new level, as it is expected to reduce the load of the manual labor and physical efforts required. Nevertheless, most of the previously proposed computer vision and graphics methods have failed to accurately and realistically model the human body, especially, when it comes to the 3D modeling of the whole human body. The failure is largely related to the huge data and calculations required, which in reality is caused mainly by inability to properly account for the simultaneous variations in the body surface. In addition, most of the foregoing techniques cannot render realistic movement representations in real-time. This project intends to overcome the aforementioned shortcomings so as to satisfy the requirements of a virtual fitting room. The proposed methodology consists in scanning and performing some specific analyses of both the user's body and the prospective garment to be virtually fitted, modeling, extracting measurements and assigning reference points on them, and segmenting the 3D visual data imported from the mannequins. Finally, superimposing, adopting and depicting the resulting garment model on the user's body. The project is intended to gather sufficient amounts of visual data using a 3D laser scanner and the Kinect optical camera, to manage it in form of a usable database, in order to experimentally implement the algorithms devised. The latter will provide a realistic visual representation of the garment on the body, and enhance the size-advisor system in the context of the virtual fitting room under study

Spacecraft/Rover Hybrids for the Exploration of Small Solar System Bodies

This study investigated a mission architecture that allows the systematic and affordable in-situ exploration of small solar system bodies, such as asteroids, comets, and Martian moons (Figure 1). The architecture relies on the novel concept of spacecraft/rover hybrids,which are surface mobility platforms capable of achieving large surface coverage (by attitude controlled hops, akin to spacecraft flight), fine mobility (by tumbling), and coarse instrument pointing (by changing orientation relative to the ground) in the low-gravity environments(micro-g to milli-g) of small bodies. The actuation of the hybrids relies on spinning three internal flywheels. Using a combination of torques, the three flywheel motors can produce a reaction torque in any orientation without additional moving parts. This mobility concept allows all subsystems to be packaged in one sealed enclosure and enables the platforms to be minimalistic. The hybrids would be deployed from a mother spacecraft, which would act as a communication relay to Earth and would aid the in-situ assets with tasks such as localization and navigation (Figure 1). The hybrids are expected to be more capable and affordable than wheeled or legged rovers, due to their multiple modes of mobility (both hopping and tumbling), and have simpler environmental sealing and thermal management (since all components are sealed in one enclosure, assuming non-deployable science instruments). In summary, this NIAC Phase II study has significantly increased the TRL (Technology Readiness Level) of the mobility and autonomy subsystems of spacecraft/rover hybrids, and characterized system engineering aspects in the context of a reference mission to Phobos. Future studies should focus on improving the robustness of the autonomy module and further refine system engineering aspects, in view of opportunities for technology infusion