Institut für Computervisualistik
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Institute
Ziel dieser Studienarbeit ist es, eine vorhandene video-see-through Augmented Reality Visualisierung (ARToolKit) anhand von Shaderprogrammierung mit der OpenGL Shading Language um nicht-photorealistische Renderingverfahren zu ergänzen. Dabei sollen nicht nur die virtuellen Objekte mit diesen Verfahren dargestellt, sondern auch die realen vom ARSystem gelieferten Bilder analog stilisiert werden, sodass die Unterscheidbarkeit zwischen Realität und Virtualität abnimmt.
Diese Studienarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Extension für Mozilla Thunderbird, welche direkt in den Text einer Email eingebettete strukturierte Informationen (wie z.B. Termine, Kontaktdaten) automatisch erkennt und es dem Benutzer ermöglicht, diese in weiteren Anwendungen weiter zu verwenden. Es werden Überlegungen zur Usability und möglichen weiteren Entwicklungen vorgestellt, sowie der Code des Prototyp genauer aufgezeigt.
The cytological examination of bone marrow serves as clarification of variations in blood smears. It is also used for the clarification of anemia, as exclusion of bone marrow affection at lymphoma and at suspicion of leukemia. The morphological evaluation of hematopoietic cells is the basis for the creation of the diagnosis and for decision support for further diagnostics. Even for experienced hematologists the manual classification of hematopoietic cells is time-consuming, error-prone and subjective. For this reason new methods in the field of image processing and pattern recognition for the automatic classification including preprocessing steps are developed for a computer-assisted microscopy system. These methods are evaluated by means of a huge reference database. The proposed image analysis procedures comprise methods for the automated detection of smears, for the determination of relevant regions, for the localization and segmentation of single hematopoietic cells as well as for the feature extraction and classification task. These methods provide the basis for the first system for the automated, morphological analysis of bone marrow aspirates for leukemia diagnosis and are therefore a major contribution for a better and more efficient patient care in the future.
In Enhanced Reality Umgebungen nimmt der Betrachter die Umgebung und zusätzliche, in eine halbdurchsichtige Datenbrille eingeblendete Informationen wahr. Das Kalibrierungsproblem der Datenbrille ist die Aufgabe, die eingeblendete Information mit dem korrekten realen Hintergrund zur Deckung zu bringen. Heutige Datenbrillen sind vergleichsweise klobig und schwer, deshalb kommt es häufig zu leichtem Verrutschen der Brille. Wird dieses Verrutschen nicht in die Position der Einblendung in der Brille einbezogen, so passt die Einblendung nicht mehr zum realen Hintergrund. Dies wird in Abbildung 1.1 exemplarisch dargestellt. Nach initialer Kalibrierung der teildurchsichtigen Datenbrille auf das Auge des Betrachters soll deshalb bei relativer Lageveränderung der Datenbrille zum Auge (durch leichtes Verrutschen) eine Re-Kalibrierung in Echtzeit automatisch erfolgen. Eine automatische Re-Kalibrierung bei Verrutschen wird von uns erstmalig erforscht.
Im Rahmen der Glaukomdiagnostik sind Größe und Position des Sehnervkopfes wichtige Parameter zur Klassifikation des Auges. Das Finden und exakte Markieren der Papille ist ein subjektiver Vorgang und kann von Arzt zu Arzt stark variieren. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines automatischen Verfahrens zur Detektion der Papille. Zunächst wird der medizinische Hintergrund erläutert (Aufbau des Auges, Glaukom) und das bildgebende Verfahren, der Heidelberg Retina Tomograph, dargestellt. Nach einer Diskussion bisheriger Ansätze zur Detektion der Papille wird ein eigenes Verfahren entwickelt und detailliert beschrieben. Für bei der Implementation aufgetretene Probleme werden Ansätze zur Optimierung vorgeschlagen.
Automatische und manuelle Informationszusammenstellung in der Nachbearbeitung von Reality Szenarien
(2007)
Als thematische Fortsetzung der beiden vorangegangenen Diplomarbeiten "Abstrakte Interaktionskonzepte in Erweiterten Realitäten" von Philipp Schaer und "Vor- und Nachbereitung einer Augmented Reality Applikation" von Anke Schneider im Rahmen des Mitte 2005 gegründeten Forschungsprojektes "Enhanced Reality" an der Universität Koblenz, befasste sich diese Arbeit mit dem Aufbau und der Informationszusammenstellung in der Nachbereitungsphase eines Augmented Reality Szenarios. Als kurzen Einstieg in das Forschungsgebiet der Augmented Reality diente eine Einordnung und Begriffsklärung sowie die Vorstellung verschiedener Anwendungsfelder zu Beginn der Arbeit. Danach wurde die Bedeutung der einzelnen Phasen Vorbereitung, AR-Tour und Nachbereitung im allgemeinen Ablauf eines AR Szenarios erläutert und versucht, Parallelen zum dramaturgischen Konzept des Digital Storytelling herzustellen. Die Nachbereitung im Sinne einer neuen Vorbereitungsphase anzulegen, wurde dabei als entscheidender Faktor zur positiven Beeinflussung des Spannungsverlaufs innerhalb eines AR Szenarios bewertet. Anhand von drei aktuellen Beispielen zu AR Edutainment bzw. Eduventure Projekten konnte die Idee und die Art der Wissens- und Informationsvermittlung, die durch eine AR-Tour stattfinden soll, näher gebracht werden. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Herausstellung eines Ansatzes für eine mögliche Nachbereitungsphase, die bei den vorgestellten Projekten bisher noch keine Berücksichtigung gefunden hat.
Autonomous exhaustive exploration of unknown indoor environments with the mobile robot "Robbie"
(2007)
Rettungsroboter helfen nach Katastrophen wie z.B. Erdbeben dabei, in zerstörten Gebäuden Überlebende zu finden. Die Aufgabe, die Umgebung effizient möglichst vollständig abzusuchen und dabei eine Karte zu erstellen, die den Rettungskräften bei der Bergung der Opfer zur Orientierung dient, soll der Roboter autonom erfüllen. Hierzu wird eine Explorationsstrategie benötigt; eine Strategie zur Navigation in bekanntem und zur Erkundung von unbekanntem Gelände. Für den mobilen Roboter "Robbie" der Arbeitsgruppe Aktives Sehen wurde in dieser Arbeit ein Grenzen-basierter Ansatz zur Lösung des Explorationsproblems ausgewählt und implementiert. Hierzu werden Grenzen zu unbekanntem Gelände aus der Karte, die der Roboter erstellt, extrahiert und angefahren. Grundlage der Navigation zu einem so gefundenen Wegpunkt bildet die sog. Pfad-Transformation (Path-Transform).
This thesis deals with the development of an authoring system for modeling 3D environments with physical description. In contrast to creating scenes in other common modeling tools, one can now compute and describe physical entities of a scene additional to the usual geometry. It is very important for those authoring systems to be extendable and customizable for specific requirement of the user. The focus lies on developing simple program architecture, which is easy to extend and to modify.
Die Zeitschrift c't stellte in der Ausgabe 02/2006 einen Bausatz für einen kleinen mobilen Roboter vor, den c't-Bot, der diese Studienarbeit inspirierte. Dieser Bausatz sollte die Basis eines Roboters darstellen, der durch eine Kamera erweitert und mit Hilfe von Bildverarbeitung in der Lage sein sollte, am RoboCupSoccer-Wettbewerb teilzunehmen. Während der Planungsphase veränderten sich die Ziele: Statt einem Fußballroboter sollte nun ein Roboter für die neu geschaffene RoboCup-Rescue-League entwickelt werden. In diesem Wettbewerb sollen Roboter in einer für sie unbekannten Umgebung selbstständig Wege erkunden, bzw. Personen in dieser Umgebung finden. Durch diese neue Aufgabenstellung war sofort klar, dass der c't-Bot nicht ausreichte, und es musste ein neuer Roboter entwickelt werden, der mittels Sensoren die Umgebung wahrnehmen, durch eine Kamera Objekte erkennen und mit Hilfe eines integrierten Computers diese Bilder verarbeiten sollte. Die Entstehung dieses Roboters ist das Thema dieser Studienarbeit.
Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) ist eine Technik aus der Magnet-Resonanz-Bildgebung (MRI) und basiert auf der Brownschen Molekularbewegung (Diffusion) der Wassermoleküle im menschlichen Gewebe. Speziell im inhomogenen Hirngewebe ist die Beweglichkeit der Moleküle stark eingeschränkt. Hier hindern die Zellmembranen der langgestreckten Axone die Diffusion entlang nicht-paralleler Richtungen. Besonderen Wert hat die Diffusions-Tensor-Bildgebung in der Neurochirugie bei der Intervention und Planung von Operationen. Basierend auf den mehrdimensionalen DTI-Tensor-Datensätzen kann für den jeweiligen Voxel das Diffsusionsverhalten abgeleitet werden. Der größte Eigenvektor des Tensors bestimmt dabei die Hauptrichtung der Diffusion und somit die Orientierung der entsprechenden Nervenfasern. Ziel der Studienarbeit ist die Erstellung einer Beispielapplikation zur Visualisierung von DTI-Daten mit Hilfe der Grafikhardware. Dazu werden zunächst die relevanten Informationen für die Erzeugung von geometrischen Repräsentationen (Streamlines, Tubes, Glyphen, Cluster...) aus den Eingabedaten berechnet. Für die interaktive Visualisierung sollen die Möglichkeiten moderner Grafikhardware, insbesondere Geometryshader ausgenutzt werden. Die erzeugten Repräsentationen sollen nach Möglichkeit in ein DVR (Cascada) integriert werden. Für die Arbeit wird eine eigene Applikation entwickelt, die bestehende Bausteine (Volumenrepräsentation, Volumenrendering, Shadersystem) aus Cascada analysiert und integriert.
The present thesis describes the development of an OpenGL-based tool visualizing cavities of proteins, which can be observed during a static docking simulation. The goal is to achieve knowledge about interactions between proteins and ligands based on information about distances between them. At first chemical basics, which motivate the topic and are important for understanding the topic and the used algorithms, are presented. Furthermore existing software, which deals with similar issues, is described. Next the prerequisites for the development of the program are presented and the tool is described in detail. Concluding the tool is evaluated concerning performance and usage and a summarizing conclusion is given. The program turns out as a helpful tool for current research and a good base for further and deeper research projects.
Bildsynthese durch Raytracing gewinnt durch Hardware-Unterstützung in Verbraucher-Grafikkarten eine immer größer werdende Relevanz. Der Linespace dient dabei als eine neue, vielversprechende Beschleunigungsstruktur. Durch seine richtungsbasierte Natur ist es sinnvoll, ihn in andere Datenstrukturen zu integrieren. Bisher wurde er in ein Uniform-Grid integriert. Problematisch werden einheitlich große Voxel allerdings bei Szenen mit variierbarem Detailgrad. Diese Arbeit führt den adaptiven Linespace ein, eine Kombination aus Octree und Linespace. Die Struktur wird hinsichtlich ihrer Beschleunigungsfähigkeit untersucht und mit dem bisherigen Grid-Ansatz verglichen. Es wird gezeigt, dass der adaptive Linespace für hohe Grid-Auflösungen besser skaliert, durch eine ineffiziente GPU-Nutzung allerdings keine optimalen Werte erzielt.
Technologische Fortschritte auf dem Gebiet der integrierten Halbleitertechnik, die unter anderem auch zur gestiegenen Leistungsfähigkeit der Kamerasensoren beitragen, konzentrierten sich bisher primär auf die Schnelligkeit und das Auflösungsvermögen der Sensoren. Die sich ständig verändernde Entwicklung hat jedoch direkte Folgen auf das physikalische Verhalten einer Kamera und damit auch Konsequenzen für die erreichbare geometrische Genauigkeit einer photogrammetrischen 3D-Rekonstruktion. Letztere stand bisher nicht im Fokus der Forschung und ist eine Aufgabe, der sich diese Arbeit im Sinne der Photogrammetrie und Messtechnik stellt. Aktuelle Untersuchungen und Erfahrungen aus industriellen Projekten zeigen in diesem Zusammenhang, dass das geometrisch-physikalische Verhalten digitaler Kameras - für höchste photogrammetrische Ansprüche - noch nicht ausreichend modelliert ist. Direkte Aussagen zur erreichbaren Genauigkeit bei gegebener Hardware erweisen sich daher bislang als unzureichend. Ferner kommt es aufgrund der unpräzisen Modellierung zu Einbußen in der Zuverlässigkeit der erreichten Ergebnisse. Für den Entwickler präziser kamerabasierter Messverfahren folgt daraus, dass zu einer optimalen Schätzung der geometrischen Genauigkeit und damit auch vollständigen Ausschöpfung der Messkamera geeignete mathematische Modelle erforderlich sind, die das geometrisch physikalische Verhalten bestmöglich beschreiben. Diese Arbeit beschreibt, wie die erreichbare Genauigkeit einer Bündelblockausgleichung, schon a priori mithilfe des EMVA1288 Standards approximiert werden kann. Eine in diesem Zusammenhang wichtige Teilaufgabe ist die Schaffung einer optimalen Messanordnung. Hierzu gehören Untersuchungen der üblicherweise verwendeten Kalibrierkörper und die Beseitigung von systematischen Fehlern vor und nach der Bündelblockausgleichung. Zum Nachweis dieser Systematiken wird eine auf statistischem Lernen basierende Methode beschrieben und untersucht. Erst wenn alle genauigkeitsmindernden Einflüsse berücksichtigt sind, wird der Anteil des Sensors in den Messdaten sichtbar und damit auch mathematisch parametrisierbar. Die Beschreibung des Sensoreinflusses auf die erreichbare Genauigkeit der Bündelblockausgleichung erfolgt in drei Schritten. Der erste Schritt beschreibt den Zusammenhang zwischen ausgewählten EMVA1288-Kennzahlen und der Unsicherheit eines Grauwertes. Der zweite Schritt ist eine Modellierung dieser Grauwertunsicherheit als Zentrumsunsicherheit einer Zielmarke. Zur Beschreibung dieser Unsicherheit innerhalb der Bündelblockausgleichung wird ein stochastisches Modell, basierend auf dem EMVA1288-Standard, vorgeschlagen. Ausgehend vom Rauschen des Zielmarkenmittelpunktes wird im dritten Schritt die Unsicherheit im Objektraum beispielhaft mit Hilfe von physikalisch orientierten Simulationen approximiert. Die Wirkung der vorgeschlagenen Methoden wird anhand von Realkalibrierungen nachgewiesen. Abschließend erfolgt die Diskussion der vorgeschlagenen Methoden und erreichten Ergebnisse sowie ein Ausblick auf kommende Untersuchungen.
The goal of this thesis is the development of methods for augmented image synthesis using 3D photo collections. 3D photo collections are representations of real scenes automatically generated from single photos and describe a scene as a set of images with known camera poses as well as a sparse point-based model of the scene geometry. The main goal is to perform a photo-realistic augmented image synthesis of real and virtual parts, where the real scene is provided as a 3D photo collection. Therefore, three main problems are addressed.
Since the photos may be represented in different device-specific RGB color spaces, a color characterization of the 3D photo collections is necessary to gain correct color information that is consistent with human perception. The proposed novel method automatically transforms all images into a common RGB color space and thereby simplifies color characterization of 3D photo collections.
As a main problem for augmented image synthesis, all environmental lighting has to be known in order to apply illumination to virtual parts that is consistent with the real portions shown in the photos. To solve this problem, two novel methods were developed to reconstruct the lighting from 3D photo collections.
In order to perform image synthesis for arbitrary views on the scene, an image-based approach was developed that generates new views in 3D photo collections making direct use of its point cloud. The novel method creates new views in real-time and allows free-navigation.
In conclusion, the proposed novel methods show that 3D photo collections are a useful representation for real scenes in Augmented Reality and they can be used to perform a realistic image synthesis of real and virtual portions.
Im Rahmen der Arbeit wurde ein mehrstufiger Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, aus Bildfolgen eine Trajektorie der Kamerabewegung zu rekonstruieren. Die Kalibrierung der Kamera beruht auf dem Verfahren von Zhang und ermöglicht den Ausgleich der durch das Objektiv entstehenden radialen Verzerrung der Bilder. Die sich anschließende Detektion prägnanter Merkmale wird durch den SIFT-Operator geleistet, welcher neben subpixelgenauer Lokalisation der Merkmale zusätzlich einen stark markanten Deskriptor zu deren Beschreibung liefert. Außerdem sind die Merkmale invariant gegenüber Rotationen, was für einige mögliche Anwendungsfälle sehr relevant ist. Die Suche nach Korrespondenzen wurde auf Basis der Distance Ratio ausgeführt. Hier wurde eine komplette Formalisierung der Korrelationsbeziehung zwischen Merkmalsvektoren präsentiert, welche eindeutig eine symmetrische Beziehung zwischen SIFT-Merkmalsvektoren definiert, die den an eine Korrespondenz gestellten Ansprüchen gerecht wird. Zusätzlich wurde motiviert, warum die sonst in der Bildverarbeitung gängige Methode der Hierarchisierung zur Reduktion des Aufwands in diesem speziellen Fall zu schlechteren Inlier-Raten in den gefundenen Korrespondenzen führen kann. Anschließend wurde ein genereller Überblick über den RANSAC-Algorithmus und die aus ihm entspringenden Derivate gegeben.
Das Wissen über die genaue Position und Lage eines unbemannten Luftfahrzeugs spielt während der Durchführung einer autonomen Mission eine dominante Rolle. Unbemannte Luftfahrzeuge sind daher mit einer Vielzahl an Sensoren ausgestattet. Jeder dieser Sensoren leistet einen Beitrag zu diesem Ziel, wobei ein Sensor entweder eine absolute oder eine relative Angabe über den derzeitigen Aufenthaltsort oder die Fluglage ermöglicht. Alle Sensoren werden zu einer Gesamtlösung verknüpft, der Navigationslösung. Das am häufigsten eingesetzte - und auch meistens einzige - Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung ist die Satellitennavigation. Diese ist abhängig von einer direkten Sichtlinie der mitgeführten Empfangsantenne zu den Satelliten. Falls es zu einer Unterbrechung dieser Sichtlinie kommt, ist eine genaue, absolute Positionsangabe nicht mehr möglich. Die Navigationslösung hat somit nur noch Sensoren zur Verfügung, die eine relative Positions- bzw. Lageangabe ermöglichen. Hierzu gehören das mitgeführte Magnetometer und das Inertialmesssystem. Beide unterliegen dem Phänomen der Drift. Dieses bedeutet, dass die Genauigkeit der Positions- und Lageangabe bei einem Ausfall der Satellitennavigation mit fortschreitender Zeit zunehmend unzuverlässig wird. Um diese Drift in einem bestimmten Rahmen zu kompensieren, kann ein Bildsensor verwendet werden. Dieser ermöglicht eine bildbasierte Bewegungsschätzung und stellt somit einen zusätzlichen Sensor zur Messung von relativen Lage- und Positionsänderungen dar. Ziel der Arbeit ist es, ein Verfahren zur bildbasierten Bewegungsschätzung für einen unbemannten Helikopter zu entwickeln und zu evaluieren.
Die Selbstlokalisation von Robotern ist schon seit Jahren ein aktuelles Forschungsthema, das insbesondere durch immer weiterentwickelte Techniken und Verfahren verbessert werden kann. Insbesondere finden Laserscanner in der Robotik immer häufiger Anwendung. In dieser Arbeit wird untersucht, ob durch die Fusionierung von Kamerabildern und 3D-Laserscannerdaten eine robuste und schnelle Selbstlokalisation theoretisch sowie praktisch realisierbar ist.
Ziel des Verbundprojektes 3D-RETISEG ist es, ein optimiertes echtzeitfähiges Soft- und Hardwarepaket zur 2D/3D-Segmentierung und Klassifizierung basierend auf hierarchischen Inselstrukturen, und zur schnellen Volumenvisualisierung sehr großer Volumendaten aus komprimierten Datensätzen zu entwickeln. Die Entwicklungen sollen in konkreten Anwendungsfällen der Forschung und der Wirtschaft als marktreifes Modul in das Softwarepaket VGStudioMax integriert werden. In der Medizin, speziell bei der Segmentierung von Volumendatensätzen, die durch unterschiedliche Tomographietechniken (z.B. CT und MRI) erzeugt werden, liefern zweidimensionale Verfahren häufig eine unzureichende Qualität aufgrund der anisotropen Berücksichtigung der Rauminformationen. Bisher entwickelte dreidimensionale Verfahren sind, neben der der schlechten Verfügbarkeit ihrer Implementierungen, häufig nur für bestimmte Fragestellungen dediziert und daher für andere Anwendungsfälle schlecht adaptierbar. Weiterhin benötigen Verfahren, die gute Ergebnisse liefern, meist eine hohe Laufzeit. Dies ist aber speziell in medizinischen Anwendungen von großem Nachteil, da hier die Qualität der Ergebnisse in letzter Instanz von einem Experten beurteilt wird. Damit das Ergebnis schnell zu benutzerdefinierten Optimierungen durch Veränderung der Verfahrensparameter zur Verfügung steht, sollte ein Verfahren nur sehr kurze Rechenzeiten benötigen. Weist ein Verfahren eine geringe Laufzeit auf, so kann es außerdem intra-operativ eingesetzt werden. Der hier im Projekt verwendete 3D-Color-Structure-Code verspricht, ein besseres und generisches Verfahren zu ermöglichen.
Simulation of fractures
(2014)
Real-time computing often avoids the simulation of fractures due to its complexity. The field of engineering science provides methods to create these simulations to improve games and other applications. Steadily rising computer capacities allow suitable simulations on a real-time basis and make this aspect increasingly interesting. The topic and aim of this research is to simulate fractures of stiff bodies. The primary objective is the physical plausibility and performance of the application. This thesis analyses the potential of computer science to realize the simulation of fractures.
Three existing as well as one self-created were implemented and analysed. The works "Real time simulation of deformation and Fracture of stiff material" from Müller et al., "real time simulation of Brittle Fracture using Modal analysis" from Glondu et al. and "Fast and Controllable simulation of the Shattering of Brittle Objects" from Smith et al. form the basis of this thesis. The introduced methods use different computation of forces and fractures. The developed procedure uses the idea of generating secondary breaks. The approaches were implemented based on the Bullet physics-engine. The results of the work show that physically based breaks are realizable on a real-time basis.
The analysis of the physical methods demonstrates that their performance mainly depends on the constitution of the used objects. This thesis shows that the further investigation of this topic can discover new possibilities. The improvement of the realism in virtual worlds can be achieved by executing physically plausible methods.