Raum-Zeit Interpolationstechniken

The photo-realistic modeling and animation of complex scenes in 3D requires a lot of work and skill of artists even with modern acquisition techniques. This is especially true if the rendering should additionally be performed in real-time. In this thesis we follow another direction in computer graphics to generate photo-realistic results based on recorded video sequences of one or multiple cameras. We propose several methods to handle scenes showing natural phenomena and also multi-view footage of general complex 3D scenes. In contrast to other approaches, we make use of relaxed geometric constraints and focus especially on image properties important to create perceptually plausible in-between images. The results are novel photo-realistic video sequences rendered in real-time allowing for interactive manipulation or to interactively explore novel view and time points.Das Modellieren und die Animation von 3D Szenen in fotorealistischer Qualität ist sehr arbeitsaufwändig, auch wenn moderne Verfahren benutzt werden. Wenn die Bilder in Echtzeit berechnet werden sollen ist diese Aufgabe um so schwieriger zu lösen. In dieser Dissertation verfolgen wir einen alternativen Ansatz der Computergrafik, um neue photorealistische Ergebnisse aus einer oder mehreren aufgenommenen Videosequenzen zu gewinnen. Es werden mehrere Methoden entwickelt die für natürlicher Phänomene und für generelle Szenen einsetzbar sind. Im Unterschied zu anderen Verfahren nutzen wir abgeschwächte geometrische Einschränkungen und berechnen eine genaue Lösung nur dort wo sie wichtig für die menschliche Wahrnehmung ist. Die Ergebnisse sind neue fotorealistische Videosequenzen, die in Echtzeit berechnet und interaktiv manipuliert, oder in denen neue Blick- und Zeitpunkte der Szenen frei erkundet werden können

Multi-camera reconstruction and rendering for free-viewpoint video

While virtual environments in interactive entertainment become more and more lifelike and sophisticated, traditional media like television and video have not yet embraced the new possibilities provided by the rapidly advancing processing power. In particular, they remain as non-interactive as ever, and do not allow the viewer to change the camera perspective to his liking. The goal of this work is to advance in this direction, and provide essential ingredients for a free-viewpoint video system, where the viewpoint can be chosen interactively during playback. Knowledge of scene geometry is required to synthesize novel views. Therefore, we describe 3D reconstruction methods for two distinct kinds of camera setups. The first one is depth reconstruction for camera arrays with parallel optical axes, the second one surface reconstruction, in the case that the cameras are distributed around the scene. Another vital part of a 3D video system is the interactive rendering from different viewpoints, which has to perform in real-time. We cover this topic in the last part of this thesis.Während die virtuellen Welten in interaktiven Unterhaltungsmedien immer realitätsnäher werden, machen traditionellere Medien wie Fernsehen und Video von den neuen Möglichkeiten der rasant wachsenden Rechenkapazität bisher kaum Gebrauch. Insbesondere mangelt es ihnen immer noch an Interaktivität, und sie erlauben dem Konsumenten nicht, elementare Parameter wie zum Beispiel die Kameraperspektive seinen Wünschen anzupassen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Entwicklung in diese Richtung voranzubringen und essentielle Bausteine für ein Videosystem bereitzustellen, bei dem der Blickpunkt während der Wiedergabe jederzeit völlig frei gewählt werden kann. Um neue Ansichten synthetisieren zu können, ist zunächst Kenntnis von der 3D Geometrie der Szene notwendig. Wir entwickeln daher Rekonstruktionsalgorithmen für zwei verschiedene Anordnungen von Kameras. Falls die Kameras eng beieinanderliegen und parallele optische Achsen haben, können lediglich Tiefenkarten geschätzt werden. Sind die Kameras jedoch im einer Halbkugel um die Szene herum montiert, so rekonstruieren wir sogar echte Oberflächengeometrie. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die interaktive Darstellung der Szene aus neuen Blickwinkeln, die wir im letzten Teil der Arbeit in Angriff nehmen

Die Virtuelle Videokamera: ein System zur Blickpunktsynthese in beliebigen, dynamischen Szenen

The Virtual Video Camera project strives to create free viewpoint video from casually captured multi-view data. Multiple video streams of a dynamic scene are captured with off-the-shelf camcorders, and the user can re-render the scene from novel perspectives. In this thesis the algorithmic core of the Virtual Video Camera is presented. This includes the algorithm for image correspondence estimation as well as the image-based renderer. Furthermore, its application in the context of an actual video production is showcased, and the rendering and image processing pipeline is extended to incorporate depth information.Das Virtual Video Camera Projekt dient der Erzeugung von Free Viewpoint Video Ansichten von Multi-View Aufnahmen: Material mehrerer Videoströme wird hierzu mit handelsüblichen Camcordern aufgezeichnet. Im Anschluss kann die Szene aus beliebigen, von den ursprünglichen Kameras nicht abgedeckten Blickwinkeln betrachtet werden. In dieser Dissertation wird der algorithmische Kern der Virtual Video Camera vorgestellt. Dies beinhaltet das Verfahren zur Bildkorrespondenzschätzung sowie den bildbasierten Renderer. Darüber hinaus wird die Anwendung im Kontext einer Videoproduktion beleuchtet. Dazu wird die bildbasierte Erzeugung neuer Blickpunkte um die Erzeugung und Einbindung von Tiefeninformationen erweitert

Reconstruction and rendering of time-varying natural phenomena

While computer performance increases and computer generated images get ever more realistic, the need for modeling computer graphics content is becoming stronger. To achieve photo-realism detailed scenes have to be modeled often with a significant amount of manual labour. Interdisciplinary research combining the fields of Computer Graphics, Computer Vision and Scientific Computing has led to the development of (semi-)automatic modeling tools freeing the user of labour-intensive modeling tasks. The modeling of animated content is especially challenging. Realistic motion is necessary to convince the audience of computer games, movies with mixed reality content and augmented reality applications. The goal of this thesis is to investigate automated modeling techniques for time-varying natural phenomena. The results of the presented methods are animated, three-dimensional computer models of fire, smoke and fluid flows.Durch die steigende Rechenkapazität moderner Computer besteht die Möglichkeit immer realistischere Bilder virtuell zu erzeugen. Dadurch entsteht ein größerer Bedarf an Modellierungsarbeit um die nötigen Objekte virtuell zu beschreiben. Um photorealistische Bilder erzeugen zu können müssen sehr detaillierte Szenen, oft in mühsamer Handarbeit, modelliert werden. Ein interdisziplinärer Forschungszweig, der Computergrafik, Bildverarbeitung und Wissenschaftliches Rechnen verbindet, hat in den letzten Jahren die Entwicklung von (semi-)automatischen Methoden zur Modellierung von Computergrafikinhalten vorangetrieben. Die Modellierung dynamischer Inhalte ist dabei eine besonders anspruchsvolle Aufgabe, da realistische Bewegungsabläufe sehr wichtig für eine überzeugende Darstellung von Computergrafikinhalten in Filmen, Computerspielen oder Augmented-Reality Anwendungen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist es automatische Modellierungsmethoden für dynamische Naturerscheinungen wie Wasserfluss, Feuer, Rauch und die Bewegung erhitzter Luft zu entwickeln. Das Resultat der entwickelten Methoden sind dabei dynamische, dreidimensionale Computergrafikmodelle

Weighted Minimal Hypersurfaces and Their Applications in Computer Vision

Many interesting problems in computer vision can be formulated as a minimization problem for an {\em energy functional}. If this functional is given as an integral of a scalar-valued weight function over an unknown hypersurface, then the minimal surface we are looking for can be determined as a solution of the functional's Euler-Lagrange equation. This paper deals with a general class of weight functions that may depend on the surface point and normal. By making use of a mathematical tool called {\em the method of the moving frame}, we are able to derive the Euler-Lagrange equation in arbitrary-dimensional space and without the need for any surface parameterization. Our work generalizes existing proofs, and we demonstrate that it yields the correct evolution equations for a variety of previous computer vision techniques which can be expressed in terms of our theoretical framework. In practical applications, the surface evolution which converges to a solution of the Euler-Lagrange equation can be implemented using level set techniques. The well-known transition to a level set evolution equation, which we briefly review in this paper, works in the general case as well. That way, problems involving minimal hypersurfaces in dimensions higher than three, which were previously impossible to solve in practice, can now be introduced and handled by generalized versions of existing algorithms. As one example, we sketch a novel idea how to reconstruct temporally coherent geometry from multiple video streams