Segmentierung von Volumendatensätzen mittels dreidimensionaler hierarchischer Inselstruktur

This thesis deals with the development of a fast three-dimensional segmentation algorithm based on hierarchical island structures, which can be used for different application areas providing improved segmentation results. The so-called 3D-GSC (Grey Value Structure Code) is based on the CSC (Color Structure Code), introduced by Rehrmann in 1994, and realises an isotropic inspection of the 3D dataset. Both merge local precision and global view, by re-evaluating homogeneity decisions taken on a lower hierarchical level on the basis of the global view by subsequently splitting originally merged regions. The 3D-GSC is based on a three-dimensional island structure, which has to fulfil certain criteria established in this thesis thus allowing the implementation of the algorithm. To identify these island structures, all 14 three-dimensional translation lattices (Bravais lattices) were analysed with regard to their possible convex neighbourhoods and the latticecovering and overlapping properties of their edge-to-edge tiling. As a result, only the 14 neighbours of the non-primitive lattices are suitable for covering the corresponding lattices in a single overlapping manner and describe the neighbourhood structure of a rhombic dodecahedron, which defines the logical lat tice for the algorithm. But, in contrast to the 2D case, there is no ideal hierarchical solution for the complete single overlapping property in 3D due to the semi-regularity of the rhombic dodecahedron. The generation of the 3D-GSC takes place in the following phases. In the coding phase neigh bouring an d similar voxels are combined to local regions of the lowest hierarchical level. During the following linking phase these regions are linked hierarchically to global segments up to the highest hierarchical level. A region of a hierarchical level consists of contiguous and similar regions of the hierarchical level underneath and the grey-value of this region is calculated by the grey value mean of the participating regions weighted according to their region sizes. During the linking ph ase two regions can be non-similar and over lapping. Therefore, in order to obtain a disjoint segmentation result, the overlapping area must be separated afterwards. This procedure is carried out recursively down to the lowest hierarchical level during the splitting phase, which is initiated after the linking of an island. Finally this 3D segmentat ion method was examined empirically. Suitable error measures were determined and the segmentation results of different test data sets blurred with different amounts of noise were analysed. It appeared that irrespective of the noise intensity conside red the 3D-GSC provides better segmentat ion results than the 2D-GSC when applied to layers. The evaluation of runtime and memory requirements reinforces the wide applicability of the algorithm

A geometric approach for the modelling of charge stabilty diagrams

The development of tuning algorithms requires large amounts of labeled data. This data can be either measured and manually labeled or simulated. We propose a geometric approach to simulate charge stability diagrams, which requires much less prior knowledge than physical models. Our approach can be easily and flexibly adapted to different setups and is faster than existing implementations

Optimierte 2D/3D-Echtzeitsegmentierung und Klassifizierung mittels hierarchischer Inselstrukturen, BMBF-Projekt 3D-RETISEG, Schlussbericht

Für die analytische Auswertungsphase von Bild- und Volumendaten stellt die Segmentierung einen wichtigen Schritt dar. Bisherige Verfahren wurden meistens für den zweidimensionalen Bereich, nur für bestimmte Anwendungen oder mit geringer Performanz bei gleichzeitig hoher Qualität entwickelt. Daher war es das Ziel des Verbundprojektes 3D-RETISEG, eine qualitativ optimierte echtzeitfähige Soft- und Hardwarelösung zur 2D/3D-Segmentierung zu entwickeln und deren breite Anwendbarkeit durch die Integration in Applikationen der Forschung und der Wirtschaft zu zeigen. Die bisherigen Arbeiten an der Segmentierung in hierarchischen Inselstrukturen (GSC) boten hierzu die geeignete Basis zur Weiterentwicklung. Während des Vorhabens wurden diverse algorithmische Modifikationen erarbeitet, implementiert und bzgl. ihrer Qualitätsoptimierung, ihrer Stabilität und der hardwarenahen Umsetzbarkeit in umfangreichen Messreihen evaluiert. Zur Realisierung der Echtzeitfähigkeit wurde die Implementierung hardwarenah als FPGA-Design und softwarenah als SMP-Version bearbeitet. Für die FPGA-Version wurde eine spezielle FPGA-Plattform entwickelt, produziert und vollständig in Betrieb genommen. Das Segmentierungsdesign konnte aufgrund seiner Komplexität während der Vorhabens nicht vollständig fertiggestellt werden. Dies wird über das Ende des Vorhabens hinaus durchgeführt. Die SMP-Version zeigte bei großen Datensätzen und einer optimal passenden Anzahl von Prozessoren eine Performanzgewinn, der mit der Anzahl der Prozessoren skaliert. Die erzielten Ergebnisse wurden fortlaufend in die Applikationen der Projektpartner integriert (Volumenanalyse und -visualisierung, Kunststoffoberflächenprüfung, Regularisierung von tomographischen Rekonstruktionen). Neben der Verwertung der Ergebnisse in Form von Publikationen und Messepräsentationen stellen die bislang erzielten Ergebnisse die Basis für zwei applikationsorientierte EU-Projekte (Saferay, FlexiRiserTest) dar. Außerdem wurden sie zur Echtzeitprozessüberwachung und -steuerung beim Laserschweißen benutzt und als Patent angemeldet. Zukünftig sollen die Arbeiten in mehrere Anwendungsgebiete innerhalb des Forschungszentrums Jülich (Echtzeitsegmentierung in der Neurowissenschaft, Wachstumsmonitoring in der Biologie) und in geplanten zukünftigen Projekten (z.B. führerloser Personennahverkehr) einfließen