Performance Metrics and Test Data Generation for Depth Estimation Algorithms

This thesis investigates performance metrics and test datasets used for the evaluation of depth estimation algorithms. Stereo and light field algorithms take structured camera images as input to reconstruct a depth map of the depicted scene. Such depth estimation algorithms are employed in a multitude of practical applications such as industrial inspection and the movie industry. Recently, they have also been used for safety-relevant applications such as driver assistance and computer assisted surgery. Despite this increasing practical relevance, depth estimation algorithms are still evaluated with simple error measures and on small academic datasets. To develop and select suitable and safe algorithms, it is essential to gain a thorough understanding of their respective strengths and weaknesses. In this thesis, I demonstrate that computing average pixel errors of depth estimation algorithms is not sufficient for a thorough and reliable performance analysis. The analysis must also take into account the specific requirements of the given applications as well as the characteristics of the available test data. I propose metrics to explicitly quantify depth estimation results at continuous surfaces, depth discontinuities, and fine structures. These geometric entities are particularly relevant for many applications and challenging for algorithms. In contrast to prevalent metrics, the proposed metrics take into account that pixels are neither spatially independent within an image nor uniformly challenging nor equally relevant. Apart from performance metrics, test datasets play an important role for evaluation. Their availability is typically limited in quantity, quality, and diversity. I show how test data deficiencies can be overcome by using specific metrics, additional annotations, and stratified test data. Using systematic test cases, a user study, and a comprehensive case study, I demonstrate that the proposed metrics, test datasets, and visualizations allow for a meaningful quantitative analysis of the strengths and weaknesses of different algorithms. In contrast to existing evaluation methodologies, application-specific priorities can be taken into account to identify the most suitable algorithms

Exploring historical cemeteries as a site for technological augmentation

Tangible and embodied technologies can enrich cultural heritage sites. Their design requires a solid understanding of the specific site, the needs and interests of user communities and stakeholders. Many types of heritage sites have been studied by HCI researchers, however our work focuses on a little-known one: historical cemeteries. Here we describe some early investigations of how the physical and socio-cultural contexts influence potential design solutions for two historic cemeteries, despite of a seemingly similar setting

Würde : eine explorative Forschungsstudie über eine wesentliche Grundlage der Gesundheitsförderung und Prävention

Ein Fachgebiet basiert sein Handeln auf Leitbegriffen und Grundlagen. Die Würde des Menschen ist eine solche Grundlage für die Gesundheitsförderung und Prävention (GP). Die vorliegende empirische Arbeit befasst sich mit der explorativen Forschung zu diesem umfassenden Thema. Bis dato gibt es kaum Literatur und Forschung, welche gezielt Würde und GP zusammenbringt. Das Ziel liegt somit darin, explorativ das Konzept der Würde soweit einzugrenzen, dass Würde für Studierende der Ausbildung der GP zugänglicher gemacht wird und dadurch ein professionsspezifischer Diskurs, Bezug- und Reflexionsprozess entstehen kann. Das zentrale Forschungsinteresse ist das Erheben von empirischen Erkenntnissen zu Bedeutung und zu Teildimensionen von Würde im Kontext des Erlernens des Fachgebietes der GP. Dafür wurden drei teilstandardisierte Interviews mit Expert*innen geführt, welche mittels qualitativer Inhaltsanalyse ausgewertet wurden. Die Studie ordnet Würde als eine wichtige Grundlage der GP ein und fordert eine professionsspezifische Auseinandersetzung damit. Es wurden Teildimensionen von Würde erforscht, welche weiter untersucht werden sollen. Die Selbstreflexion mit Würde ist für Studierende der GP wegweisend, um grundlegende Konzepte wie Partizipation, Empowerment und Chancengerechtigkeit verstehen zu können und möglicher Reproduktion von Stigmatisierung und Diskriminierung entgegenzuwirken. Ohne einen aktiven Diskurs und ein Bewusstsein von Würde kann GP nicht wahrhaftig gemacht werden

Deep Depth From Focus

Depth from focus (DFF) is one of the classical ill-posed inverse problems in computer vision. Most approaches recover the depth at each pixel based on the focal setting which exhibits maximal sharpness. Yet, it is not obvious how to reliably estimate the sharpness level, particularly in low-textured areas. In this paper, we propose `Deep Depth From Focus (DDFF)' as the first end-to-end learning approach to this problem. One of the main challenges we face is the hunger for data of deep neural networks. In order to obtain a significant amount of focal stacks with corresponding groundtruth depth, we propose to leverage a light-field camera with a co-calibrated RGB-D sensor. This allows us to digitally create focal stacks of varying sizes. Compared to existing benchmarks our dataset is 25 times larger, enabling the use of machine learning for this inverse problem. We compare our results with state-of-the-art DFF methods and we also analyze the effect of several key deep architectural components. These experiments show that our proposed method `DDFFNet' achieves state-of-the-art performance in all scenes, reducing depth error by more than 75% compared to the classical DFF methods.Comment: accepted to Asian Conference on Computer Vision (ACCV) 201

Herausforderung alpiner Renaturierungen : markante Unterschiede in Vegetation, Bakterien und Boden

Die Schweiz weist mit ihrer abwechslungsreichen Topografie eine hohe Artenvielfalt auf. Die heterogene Landschaft und insbesondere die mächtigen Gebirgszüge tragen dabei zur besonderen Verantwortung gegenüber dem Schutz und Erhalt der Biodiversität bei. Bautätigkeiten und Eingriffe in die Landschaft ausserhalb der Bauzonen werden daher häufig von Renaturierungsmassnahmen begleitet. Jonathan Blank-Pachlatko untersuchte in seiner Masterarbeit am Corvatsch im Engadin, welche ökologischen Unterschiede sich dabei kurz nach der Ausführung im Vergleich zu unberührten Flächen feststellen liessen

Erdreich : der Schatz unter unseren Füssen

Im neuen Garten «Erdreich» auf dem Campus Grüental werden Besucherinnen und Besucher eingeladen, den Boden als geheimnisvollen Schatz unter unseren Füssen zu erkunden. In Zusammenarbeit verschie­dener Fachleute aus den Bereichen Bodenökologie, Landschaftsarchitektur, Kunst und Kommunikation ist ein ungewöhnlicher Garten entstanden, der die Faszination für die wertvolle Ressource Boden weckt

3D Face Reconstruction from Light Field Images: A Model-free Approach

Reconstructing 3D facial geometry from a single RGB image has recently instigated wide research interest. However, it is still an ill-posed problem and most methods rely on prior models hence undermining the accuracy of the recovered 3D faces. In this paper, we exploit the Epipolar Plane Images (EPI) obtained from light field cameras and learn CNN models that recover horizontal and vertical 3D facial curves from the respective horizontal and vertical EPIs. Our 3D face reconstruction network (FaceLFnet) comprises a densely connected architecture to learn accurate 3D facial curves from low resolution EPIs. To train the proposed FaceLFnets from scratch, we synthesize photo-realistic light field images from 3D facial scans. The curve by curve 3D face estimation approach allows the networks to learn from only 14K images of 80 identities, which still comprises over 11 Million EPIs/curves. The estimated facial curves are merged into a single pointcloud to which a surface is fitted to get the final 3D face. Our method is model-free, requires only a few training samples to learn FaceLFnet and can reconstruct 3D faces with high accuracy from single light field images under varying poses, expressions and lighting conditions. Comparison on the BU-3DFE and BU-4DFE datasets show that our method reduces reconstruction errors by over 20% compared to recent state of the art

Untersuchung der Eigenschaften und Fruchtbarkeit von Gewächshausböden

Im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU)Die Fruchtfolgeflächen in der Schweiz sind unter Druck. Beim Bau von Gewächshäusern stellt sich die Frage, ob diese weiterhin als Fruchtfolgeflächen angerechnet werden könnten oder nicht. Über die Qualität von Gewächshausböden in Abhängigkeit vom Anbausystem gibt es nur wenige Daten. Um für diese Diskussion und allfällige Entscheide eine Datengrundlage zu schaffen, sollen im vorliegenden Projekt die Qualität unterschiedlich genutzter Gewächshausböden untersucht werden. Der Fokus liegt auf folgenden Forschungsfragen: Inwieweit beeinflussen der Bau und Betrieb von Gewächshäusern die betroffenen Böden? Welche Rolle spielt die Bewirtschaftungsart? Unter welchen Bedingungen erfüllen Gewächshausböden die Kriterien eines fruchtbaren Bodens? Für die Untersuchungen wurden sieben Gewächshäuser (GWH) mit unterschiedlicher Bewirtschaftung ausgewählt: Bodenkultur (BK), Hors-sol (HS) und saisonale Wechsel zwischen Bodenkultur und Hors-sol (W). Auf jeweils drei Plots in den Gewächshäusern und auf ausserhalb der Gewächshäuser liegenden Referenzflächen wurden biologische und physikalische Bodenparameter erhoben und Profilansprachen durchgeführt. Die biologischen Parameter sollen eine Aussage über die biologische Aktivität und die Biodiversität in den Böden ermöglichen, die physikalischen den Einfluss des Baus und der Bewirtschaftung auf die Dichte und den Wasserhaushalt des Bodens untersuchen. Auch das Erfassen chemischer Parameter wurde verzichtet, da in der Diskussion um Fruchtfolgeflächen nicht von zentraler Bedeutung sind. Obwohl die Vergleichbarkeit zwischen Gewächshäusern und Referenzflächen und auch die Einheitlichkeit der Eigenschaften der Gewächshausböden nicht in allen Fällen optimal war, ist es möglich, den Einfluss der Bewirtschaftung auf die Gewächshausböden zu erkennen. Sowohl in den GWH mit BK, als auch in denjenigen mit W sind die Gehalte an organischem Material erhöht, vermutlich wegen der mit den Setzlingen eingebrachten Torfpresslingen. Biologische Parameter wie mikrobielle Biomasse, DNA Menge und Bodenatmung korrelieren üblicherweise stark mir Corg. In den GWH mit BK ist dies der Fall. Bei den GWH W ist die Korrelation aber um einiges weniger stark, als man es erwarten würde. Dies und die Tatsache, dass in den letzteren der metabolische Koeffizient deutlich erhöht war, lässt auf nicht ideale Bedingungen für die Bodenorganismen unter W schliessen. Die Gewächshäuser mit HS weisen die geringsten Gehalte an Corg auf und zeigten auch sonst eine tiefere biologische Aktivität als die übrigen Versuchsflächen. Mithilfe der molekularbiologischen Untersuchungen konnten standortspezifische aber auch gewächshausspezifische Lebensgemeinschaften in den Böden nachgewiesen werden. Generell war der Artenreichtum in den Gewächshausböden tiefer als in den dazugehörigen Referenzflächen. Interessanterweise konnten viele erwünschte oder unerwünschte Zielorganismen neben phytopathogenen auch pflanzenstärkende und bodenbelebende Mikroben nachgewiesen werden. Durch die Messung von bodenphysikalischen Grössen konnten bei allen untersuchten Standorten mit mineralischen Böden in den Gewächshäusern und/oder auf den Referenzflächen mindestens Richtwertüberschreitungen festgestellt werden. Nicht immer ist aber die Beeinträchtigung im Gewächshaus grösser als ausserhalb und die Unterschiede zwischen Gewächshäusern im gleichen Betrieb waren teilweise gross. Ein Vergleich zwischen dem Verdichtungszustand der Böden und den Aussagen der Bewirtschafter zum Gewächshausbau zeigen einen Zusammenhang zwischen nassen Bedingungen beim Bau und Verdichtungen innerhalb und in der Umgebung des Gewächshauses. Bei den untersuchten Gewächshäusern verlangten die Bewilligungsbehörden in keinem Fall eine Bodenkundliche Baubegleitung (BBB). Bezüglich Verdichtung wären klarere Vorgaben für den Ablauf sicher sinnvoll. Die Frage, ob Gewächshauböden grundsätzlich die Kriterien von Fruchtfolgeflächen erfüllen, lässt sich aufgrund unserer kleinen Stichprobe nicht abschliessend beantworten. Weitere Untersuchungen, vor allem bei Gewächshäusern mit Hors-sol oder Wechsel zwischen Hors-sol und Bodenkultur wären interessant. Dazu wäre eine grössere Stichprobe an Gewächshäusern wichtig. Vertiefte Untersuchungen mit molekularbiologischen Methoden könnten zeigen, ob sich die Habitat-Gebundenheit von mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen ausnutzen lässt, um typische Gemeinschaften von "gestörten" oder "geschädigten" zu unterscheiden

Hydrothermal carbonization of sewage sludge : new improvements in phosphatic fertilizer production and process water treatment using freeze concentration

In recent years, promising developments in the hydrothermal carbonization (HTC) of sewage sludge, as well as the potential to reclaim phosphorus and nitrogen, have emerged. In this study, the HTC of digested sewage sludge (DSS) was investigated for the downstream production of heavy metal (HM)-free fertilizer and the use of freeze concentration (FC) as a novel technology for process water treatment. To obtain clean fertilizer, phosphatic acid extracts were first treated with ion-exchange resins to remove dissolved HM, as well as phosphorus precipitating agents (i.e., aluminum and iron). Over 98% of the aluminum (Al) and 97% of the iron (Fe) could be removed in a single treatment step. The purified extract was then used for the precipitation of HM-free struvite crystals, with P-recovery rates exceeding 89%. Process water (PW) makes up the largest share of the two main HTC-products (i.e., hydrochar and PW) and is very rich in organic compounds. Compared to evaporation or membrane separation, FC is a promising technology for concentrating solutes from PW. Separation experiments resulted in the recovery of over 90% of the dissolved compounds in the concentrate. In our study, the concentrate was later utilized as an ammonium source for struvite precipitation, and the subsequent aerobic digestion of the remaining ice water resulted in an 85% reduction in chemical oxygen demand (COD) in 15 days