Institut für Computervisualistik
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Institut
Das performante Rendering großer Volumendaten stellt trotz stetig gestiegener Prozessorleistungen nach wie vor hohe Anforderungen an jedes zugrunde liegende Visualisierungssystem. Insbesondere trifft dies auf direkte Rendering-Methoden mithilfe des Raycasting-Verfahrens zu, welches zum einen eine sehr hohe Qualität und Genauigkeit der generierten Bilder bietet, zum anderen aber aufgrund der dafür nötigen hohen Abtastrate relativ langsam ist. In dieser Studienarbeit wird ein Verfahren zur Beschleunigung des Raycasting- Visualierungsansatzes vorgestellt, das auf adaptivem Sampling beruht. Dabei werden statische Volumendaten zunächst in einem Vorverarbeitungsschritt einer Gradientenanalyse unterzogen, um so ein Interessensvolumen zu erstellen, das wichtige und weniger wichtige Bereiche kennzeichnet. Dieses Volumen wird anschließend von einem Raycaster genutzt, um adaptiv für jeden Abtaststrahl die Schrittweite zu bestimmen.
Analyse TV-basierter Interaktion für Senioren: Umsetzung und Evaluation im Gesundheitsbereich
(2007)
Since the invention of U-net architecture in 2015, convolutional networks based on its encoder-decoder approach significantly improved results in image analysis challenges. It has been proven that such architectures can also be successfully applied in different domains by winning numerous championships in recent years. Also, the transfer learning technique created an opportunity to push state-of-the-art benchmarks to a higher level. Using this approach is beneficial for the medical domain, as collecting datasets is generally a difficult and expensive process.
In this thesis, we address the task of semantic segmentation with Deep Learning and make three main contributions and release experimental results that have practical value for medical imaging.
First, we evaluate the performance of four neural network architectures on the dataset of the cervical spine MRI scans. Second, we use transfer learning from models trained on the Imagenet dataset and compare it to randomly initialized networks. Third, we evaluate models trained on the bias field corrected and raw MRI data. All code to reproduce results is publicly available online.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Konzepten für die Anzeige eines frei programmierbaren Kombinationsinstrumentes (FPK). Ziel ist es, die zunächst theoretischen Anzeigekonzepte auf Basis einer zu ermittelnden Hard- und Softwareplattform zu entwickeln. Zu Beginn wird die Evolution von analogen, mechanischen Kombinationsinstrumenten zum FPK beschrieben. Darauf folgt ein Überblick bereits bestehender FPK-Konzepte mit einer genaueren Sicht auf dargestellte Anzeigeelemente. Dabei wird besonders auf die Personenwarnung in der Night-view-Anzeige und eine Anzeige der ökologischen Fahreffizienz eingegangen. Die Arbeit ist Teil eines in Entwicklung befindlichen FPK-Projektes. Basierend auf den durch dieses Projekt vorgegebenen Anforderungen wird eine geeignete Soft- und Hardwareplattform für die Umsetzung eines FPK ermittelt. Dabei zeigt sich, dass die optimale Plattform nur durch eine präzise Änderungsdefinition des graphischen Systems bestimmt werden kann. Da die Projektanforderungen nicht präzise genug sind, wird Adobe Flash in Verbindung mit Actionscript zur Umsetzung der Anzeigekonzepte eingesetzt, um Plattformunabhängigkeit zu erreichen. Mittels Techniken des User-centered Designs wurden Konzepte einzelner und kombinierter Anzeigeelemente entwickelt. Dabei wurde besonders darauf geachtet, die Gestaltungsmöglichkeiten durch die Größe der zur Verfügung stehenden Anzeigefläche des FPK auszunutzen. Nach theoretischen Überlegungen bezüglich des Verwendungskontexts und wahrnehmungspsychologischer Erkenntnisse werden entwickelte Konzepte skizzenhaft beschrieben und die erstellten Animationen erläutert. Den Schluss bildet eine Evaluation einzelner Prinzipien. In einer Umfrage mit 14 Probanden konnte die intuitive Erkennbarkeit einzelner Konzepte teilweise bestätigt oder widerlegt werden. Die Wirksamkeit einer entwickelten Warnmeldung zur Steuerung der Aufmerksamkeit wurde anhand eines Tests mit Nutzern in einer Simulation bestätigt. Die Warnmeldung und andere Konzepte sind nur in einem FPK umzusetzen. So wird gezeigt, dass der Einsatz eines FPK zu einer erhöhten Sicherheit und besseren Bedienbarkeit führen kann. Das FPK sollte jedoch nicht isoliert vom restlichen HMI betrachtet werden, damit seine Möglichkeiten voll ausgeschöpft werden können. Der Einsatz echter 3-D-Graphik für FPK ist zweifelhaft. Über den Bedarf muss im Einzelfall nach einem Test auf Usability entschieden werden. Die Evaluation zeigt, dass Konventionen eines herkömmlichen Kombinationsinstrumentes auch bei der Gestaltung von Anzeigeelementen für ein FPK genutzt werden sollten, um eine Lesbarkeit zu garantieren.
Augmented Reality ist eine neuartige, auf vielen Gebieten einsetzbare Technologie. Eines dieser Gebiete ist die Touristeninformation. Hier ermöglicht die AR dem Anwender eine schier endlose Fülle der verschiedensten Möglichkeiten. Mit Ihrer Hilfe kann der Benutzer nicht nur die Zeit bereisen, er kann auch Unsichtbares sehen. Doch stellt sich die Frage, ob die AR auch für weiterreichende Zwecke geeignet ist. Ist es möglich mit ihrer Hilfe Wissen nachhaltig zu vermitteln? Und wenn ja, wie kann dies geschehen? In althergebrachter Form von Texten und Bildern, oder auf interaktive und spielerische Weise? Was muß beachtet werden bei dem Versuch eine AR Anwendung für die Wissensübermittlung zu erstellen? Wie kann der Benutzer mit Ihr umgehen? Weiss der Benutzer später auch wirklich mehr? Die vorliegende Diplomarbeit geht diesen Fragen nach, indem sie zuerst der AR einen genaueren Blick widmet. Sie betrachtet die möglichen einsetzbaren Medien und gibt Vorschläge für interaktive Anwendungen, die mit Hilfe von AR ausgeführt werden. Zum Schluß untersucht sie anhand einer erstellten Beispielanwendung, ob der Benutzer mit Hilfe der AR etwas lernen und auch behalten kann.
Globale Beleuchtungssimulationen versuchen die physikalischen Eigenschaften von Licht und dessen Ausbreitung möglichst korrekt zu berechnen. Dabei werden diese üblicherweise im dreidimensionalen Objektraum berechnet und sind deshalb sehr rechenintensiv und von der Anzahl der Polygone der Szene abhängig. Objektraum-basierte Verfahren ermöglichen durch komlexe Berechnungen allerdings auch gute Annährungen physikalisch korrekter Beleuchtungen. Die Beleuchtungsberechnung in den Bildraum zu verlagern hat aber den großen Vorteil, dass die Berechnung hier unabhängig von der Größe und Komplexität der Szene durchführbar ist. Einzig die Auflösung entscheidet über den Rechenaufwand. Dieser Geschwindigkeitsvorteil beinhaltet jedoch einen Kompromiss was die physikalische Korrektheit der Beleuchtungssimulation angeht. Bei bisherigen Bildraum-Verfahren war es nicht möglich, für die Kamera nicht sichtbare Teile der Szene und deren Beleuchtungsinformationen, in die Berechnung mit einzubeziehen. Dies erscheint logisch, da über Geometrie die aus Sicht der Kamera nicht eingefangen wurde, im Bildraum zunächst keinerlei Informationen zur Verfügung stehen. Ein bekanntes Beispiel zur Annährung einer globalen Beleuchtung im Bildraum ist das Verfahren "Screen Space Ambient Occlusion". Dieses liefert zwar sehr gut Selbstverschattungen und wirkt dadurch realitätsnah, erzeugt aber keinen korrekten Lichtaustausch. Da die Beleuchtung von dem Inhalt des aktuellen Bildausschnitts abhängig ist, entstehen visuelle Artefakte, die vor allem bei Kamerabewegungen störend auffallen. Ziel der Studienarbeit ist es daher diese Artefakte durch die Verwendungen von Textur-Atlanten zu vermeiden. Dies wird durch eine Bildraum-basierte Beleuchtungssimulation ermöglicht, die die gesamte Szene zur Berechnung der Beleuchtung miteinbezieht und nicht nur die Sicht der Kamera. Dabei wird in einem Textur-Atlas die gesamte Szene gespeichert.
Die Arbeit befasst sich mit atlasbasierter Segmentierung von CT-Datensätzen mit Hilfe von elastischen Registrierungsmethoden. Ziel ist die vollautomatische Segmentierung eines beliebigen Eingabedatensatzes durch Registrierung mit einem vorsegmentierten Referenzdatensatz, dem Atlanten. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Implementierung und Evaluation elastischer Registrierungsverfahren, da rigide Registrierungsmethoden besonders in Bereichen hoher anatomischer Varianzen keine genaue Segmentierung gewährleisten. Im Vordergrund steht zunächst die Generierung zweier Atlanten, die als durchschnittliche Referenzdatensätze Informationen über die anatomische Varianz männlicher und weiblicher Bevölkerungsgruppen enthalten. Weiter werden vier etablierte elastische Registrierungsarten implementiert und im Hinblick auf eine atlasbasierte Segmentierung der wichtigen Organe des menschlichen Torsos evaluiert: BSpline-Registrierung, Demons-Registrierung, Level-Set-Motion-Registrierung und FEM-Registrierung. Robustheit und Genauigkeit der implementierten Verfahren wurden anhand von Lungen- und Abdomendatensätzen sowohl intra- als auch interpatientenspezifisch ausgewertet. Es wird gezeigt, dass vor allem die elastische BSpline-Registrierung hier genauere Segmentierungsergebnisse liefern kann, als es mit einer rigiden Registrierung möglich ist.
Ziel dieser Diplomarbeit ist es, katadioptrische Stereosysteme aufzubauen und zu testen. Hierfür gilt es, die Komponenten auszuwählen und zu beschaffen. Es soll ein System mit einem Planspiegel und eines mit einem gekrümmten Spiegel aufgebaut werden. Die Vorgehensweise in beiden Fällen unterscheidet sich jedoch deutlich voneinander. Das Planspiegel-System wird unter den Vorraussetzungen angefertigt, dass es möglichst kostengünstig ist und bietet sich vor allem deshalb für eine solches Vorgehen an, da es mit handelsüblichen Komponenten realisierbar ist. Die Verwendung dieser Komponenten bringt allerdings Einschränkungen in der Bildqualität mit sich. Hinzu kommt noch die Tatsache, dass es sich um eine Computational Camera mit geringer Komplexität handelt, da es direkt rektifizierte Ergebnisse liefert und aufgrund dessen leicht zu implementieren ist. Diese Kombination von Eigenschaften macht es zu einem geeigneten Kandidaten für eine solche Herangehensweise. Das radiale System wird hingegen unter der Prämisse maximaler Qualität gebaut. Der verwendete Spiegel ist eine Einzelanfertigung und zusätzlich wird ein zirkuläres Fisheye-Objektiv benötigt, was die Kosten für ein solches System relativ hoch werden lässt. Des Weiteren ist die Dekodierung der Rohaufnahmen deutlich komplexer, als bei den bereits rektifizierten Aufnahmen des Planspiegel-Systems. Nach erfolgreichem Aufbau der beiden Gesamtsysteme sollen diese unter qualitativen Aspekten miteinander verglichen werden.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Anwendung für die HoloLens von Microsoft. Die Anwendung dient der Vermarktung von Werbeflächen der Firma awk AUSSSENWERBUNG GmbH. Anhand der Entwicklung wird die Frage beantwortet, welches die Möglichkeiten und Grenzen der HoloLens in Verbindung mit der Mixed Reality Platform sind. Dabei wird auch auf die Probleme eingegangen, welche bei der Ent- wicklung einer Anwendung für eine neue Technologie, wie die HoloLens auftreten. Neben der neuen Technologie, ergeben sich auch durch den Ein- satzort der Anwendung weitere Herausforderungen. Diverse Anwendungs- beispiele und Präsentationen lassen vermuten, dass die HoloLens primär für Anwendungen innerhalb von Räumen ausgelegt ist. Die zu entwickeln- de Anwendung ist dagegen für die Verwendung außerhalb geschlossener Räume konzipiert. Bei der Entwicklung konnten Erkenntnisse über die- se neue Technologie gewonnen werden. Zum einen wurde deutlich, dass sowohl die HoloLens, als auch die Entwicklungsumgebung noch an eini- gen Stellen verbessert werden können. Zum anderen, dass die HoloLens nicht für den Einsatz im Freien geeignet ist. Trotz der Schwierigkeiten bei der Entwicklung konnten auch die vielen Möglichkeiten der HoloLens be- leuchtet werden.
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.
Die zytologische Untersuchung des Knochenmarks dient der Abklärung von
Abweichungen des Differentialblutbildausstriches, zur Ursachenbestimmung bei Blutarmut (Anämie), dem Ausschluss eines Knochenmarkbefalls bei Lymphknotenvergrößerungen (Lymphomen) und wird zudem bei Verdacht auf Leukämie durchgeführt.
Selbst für erfahrene Hämatologen ist die manuelle Klassifikation von Knochenmarkzellen zeitaufwändig, fehleranfällig und subjektiv. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Methoden der Bildverarbeitung und Mustererkennung für eine automatische Klassifikation von hämatopoetischen Zellen samt Vorverarbeitung für ein computer-assistiertes Mikroskopiesystem entwickelt, welche anhand einer einzigartig großen Referenzdatenbank evaluiert und ausgewertet wurden. Die vorgeschlagenen Bildanalyseverfahren für Knochenmarkpräparate, welche insbesondere die Detektion der Ausstriche, die Bestimmung von relevanten Regionen, die Lokalisierung und Segmentierung von einzelnen Zellen sowie die Merkmalsextraktion und Klassifikation automatisieren, liefern die Basis für das weltweit erste System zur automatischen, morphologischen Analyse von Knochenmarkpräparaten für die Leukämiediagnose und stellen daher einen wichtigen Beitrag für eine bessere und effizientere Patientenversorgung in der Zukunft dar.
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.
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).
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Autorensystems zum modellieren von 3D Szenen mit physikalischer Beschreibung. Ähnlich einem herkömmlichen 3D Modellierungstool soll ein Benutzer Szenen erstellen können mit dem Unterschied, dass bei der Erstellung der Geometrie physikalische Eigenschaften direkt berechnet und eingestellt werden können. Wichtig für solche Systeme ist vor allem ihre Erweiterbarkeit und Anpassungsfähigkeit an die entsprechenden Anforderungen des Benutzers. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung einer einfachen Architektur, die leicht erweiterbar und veränderbar ist.
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.