Calipso: Physics-based Image and Video Editing through CAD Model Proxies

We present Calipso, an interactive method for editing images and videos in a physically-coherent manner. Our main idea is to realize physics-based manipulations by running a full physics simulation on proxy geometries given by non-rigidly aligned CAD models. Running these simulations allows us to apply new, unseen forces to move or deform selected objects, change physical parameters such as mass or elasticity, or even add entire new objects that interact with the rest of the underlying scene. In Calipso, the user makes edits directly in 3D; these edits are processed by the simulation and then transfered to the target 2D content using shape-to-image correspondences in a photo-realistic rendering process. To align the CAD models, we introduce an efficient CAD-to-image alignment procedure that jointly minimizes for rigid and non-rigid alignment while preserving the high-level structure of the input shape. Moreover, the user can choose to exploit image flow to estimate scene motion, producing coherent physical behavior with ambient dynamics. We demonstrate Calipso's physics-based editing on a wide range of examples producing myriad physical behavior while preserving geometric and visual consistency.Comment: 11 page

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

DEFORM'06 - Proceedings of the Workshop on Image Registration in Deformable Environments

Preface These are the proceedings of DEFORM'06, the Workshop on Image Registration in Deformable Environments, associated to BMVC'06, the 17th British Machine Vision Conference, held in Edinburgh, UK, in September 2006. The goal of DEFORM'06 was to bring together people from different domains having interests in deformable image registration. In response to our Call for Papers, we received 17 submissions and selected 8 for oral presentation at the workshop. In addition to the regular papers, Andrew Fitzgibbon from Microsoft Research Cambridge gave an invited talk at the workshop. The conference website including online proceedings remains open, see http://comsee.univ-bpclermont.fr/events/DEFORM06. We would like to thank the BMVC'06 co-chairs, Mike Chantler, Manuel Trucco and especially Bob Fisher for is great help in the local arrangements, Andrew Fitzgibbon, and the Programme Committee members who provided insightful reviews of the submitted papers. Special thanks go to Marc Richetin, head of the CNRS Research Federation TIMS, which sponsored the workshop. August 2006 Adrien Bartoli Nassir Navab Vincent Lepeti

Surface Registration for Pharyngeal Radiation Treatment Planning

Endoscopy is an in-body examination procedure that enables direct visualization of tumor spread on tissue surfaces. In the context of radiation treatment planning for throat cancer, there have been attempts to fuse this endoscopic information into the planning CT space for better tumor localization. One way to achieve this CT/Endoscope fusion is to first reconstruct a full 3D surface model from the endoscopic video and then register that surface into the CT space. These two steps both require an algorithm that can accurately register two or more surfaces. In this dissertation, I present a surface registration method I have developed, called Thin Shell Demons (TSD), for achieving the two goals mentioned above. There are two key aspects in TSD: geometry and mechanics. First, I develop a novel surface geometric feature descriptor based on multi-scale curvatures that can accurately capture local shape information. I show that the descriptor can be effectively used in TSD and other surface registration frameworks, such as spectral graph matching. Second, I adopt a physical thin shell model in TSD to produce realistic surface deformation in the registration process. I also extend this physical model for orthotropic thin shells and propose a probabilistic framework to learn orthotropic stiffness parameters from a group of known deformations. The anisotropic stiffness learning opens up a new perspective to shape analysis and allows more accurate surface deformation and registration in the TSD framework. Finally, I show that TSD can also be extended into a novel groupwise registration framework. The advantages of Thin Shell Demons allow us to build a complete 3D model of the throat, called an endoscopogram, from a group of single-frame-based reconstructions. It also allows us to register an endoscopogram to a CT segmentation surface, thereby allowing information transfer for treatment planning.Doctor of Philosoph

A Combinatorial Solution to Non-Rigid 3D Shape-to-Image Matching

We propose a combinatorial solution for the problem of non-rigidly matching a 3D shape to 3D image data. To this end, we model the shape as a triangular mesh and allow each triangle of this mesh to be rigidly transformed to achieve a suitable matching to the image. By penalising the distance and the relative rotation between neighbouring triangles our matching compromises between image and shape information. In this paper, we resolve two major challenges: Firstly, we address the resulting large and NP-hard combinatorial problem with a suitable graph-theoretic approach. Secondly, we propose an efficient discretisation of the unbounded 6-dimensional Lie group SE(3). To our knowledge this is the first combinatorial formulation for non-rigid 3D shape-to-image matching. In contrast to existing local (gradient descent) optimisation methods, we obtain solutions that do not require a good initialisation and that are within a bound of the optimal solution. We evaluate the proposed method on the two problems of non-rigid 3D shape-to-shape and non-rigid 3D shape-to-image registration and demonstrate that it provides promising results.Comment: 10 pages, 7 figure

Implicit Meshes for Effective Silhouette Handling

Using silhouettes in uncontrolled environments typically requires handling occlusions as well as changing or cluttered backgrounds, which limits the applicability of most silhouette based methods. For the purpose of 3-D shape modeling, we show that representing generic 3-D surfaces as implicit surfaces lets us effectively address these issues. This desirable behavior is completely independent from the way the surface deformations are parame-trized. To show this, we demonstrate our technique in three very different cases: Modeling the deformations of a piece of paper represented by an ordinary triangulated mesh; reconstruction and tracking a person's shoulders whose deformations are expressed in terms of Dirichlet Free Form Deformations; reconstructing the shape of a human face parametrized in terms of a Principal Component Analysis mode

Impact of Soft Tissue Heterogeneity on Augmented Reality for Liver Surgery

International audienceThis paper presents a method for real-time augmented reality of internal liver structures during minimally invasive hepatic surgery. Vessels and tumors computed from pre-operative CT scans can be overlaid onto the laparoscopic view for surgery guidance. Compared to current methods, our method is able to locate the in-depth positions of the tumors based on partial three-dimensional liver tissue motion using a real-time biomechanical model. This model permits to properly handle the motion of internal structures even in the case of anisotropic or heterogeneous tissues, as it is the case for the liver and many anatomical structures. Experimentations conducted on phantom liver permits to measure the accuracy of the augmentation while real-time augmentation on in vivo human liver during real surgery shows the benefits of such an approach for minimally invasive surgery

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013