Automatische Erzeugung vollständiger dreidimensionaler Flächenmodelle

Automatic Generation of Complete Three Dimensional Surface Models

  • Die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur automatischen und vollständigen Rekonstruktion eines Modells der Oberfläche von 3-d-Objekten aus optischen Sensordaten in Echtzeit. Dabei soll auf bereits in der Arbeitsgruppe vorhandenen Verfahren aufgebaut sowie neue Verfahren zum Gesamtprozess beigetragen werden. Die wichtigste Teilaufgabe ist die initiale gegenseitige Ausrichtung (Grobregistrierung) verschiedener 3-d-Einzelansichten. Dieser Prozess wurde automatisiert, indem Flächenpunkte aufgrund von Merkmalen ihrer Umgebung und aufgrund ihrer geometrischen Konstellation einander zugeordnet werden. Das Verfahren basiert auf der Selektion "`auffälliger"' Die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur automatischen und vollständigen Rekonstruktion eines Modells der Oberfläche von 3-d-Objekten aus optischen Sensordaten in Echtzeit. Dabei soll auf bereits in der Arbeitsgruppe vorhandenen Verfahren aufgebaut sowie neue Verfahren zum Gesamtprozess beigetragen werden. Die wichtigste Teilaufgabe ist die initiale gegenseitige Ausrichtung (Grobregistrierung) verschiedener 3-d-Einzelansichten. Dieser Prozess wurde automatisiert, indem Flächenpunkte aufgrund von Merkmalen ihrer Umgebung und aufgrund ihrer geometrischen Konstellation einander zugeordnet werden. Das Verfahren basiert auf der Selektion "`auffälliger"' Punkte auf Freiform-Flächen. Die Auffälligkeit von Punkten wird quantifiziert auf der Grundlage von Symmetriebetrachtungen und einer allgemeinen Informationstheorie. Das so erhaltene Auffälligkeitsmaß entspricht einem Maß für den pragmatischen Informationsgehalt von Flächenbereichen im Hinblick auf die Unterscheidbarkeit von Punkten von ihrer Umgebung. Das Verfahren erreicht eine Echtzeit-Geschwindigkeit in dem Sinne, dass für die Registrierung nicht mehr Zeit gebraucht wird, als ohnehin in der Praxis zwischen zwei Aufnahmen vergeht, etwa 18-80 Sekunden. Die Vollständigkeit von 3-d-Flächenbeschreibungen ist bei manchen Anwendungen erst dann gegeben, wenn auch die Farbgebung der Oberfläche erfasst wurde. Eine weitere Teilaufgabe ist es daher, die dazu in Form von Farbbildern aufgenommene Information in das Flächenmodell zu integrieren. Es wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die beleuchtungsunabhängige Farbe aus diesen Bildern extrahiert und die Farbtexturen mehrerer Einzelansichten miteinander und mit der Geometrie-Information fusioniert wird. Die Verfahren wurden so implementiert, dass sie auf Dreiecksnetzen arbeiten. Dadurch sind sie auf allgemeinen Flächentopologien einsetzbar - nicht nur auf Einzelansichten, sondern auch auf Flächenmodellen, in denen bereits mehrere Einzelansichten integriert sind. Überprüft wurden die entwickelten Methoden durch Messungen an Kunstobjekten und im medizinischen Umfeld an Patientengesichtern. Die hier erarbeiteten Methoden haben eine starke Verbindung auch zur Informatik, die sich zunehmend als Modellbildungs-Wissenschaft versteht. Es werden daher mehrfach Bezüge zu einer allgemeinen Modelltheorie hergestellt.show moreshow less
  • The intention of the present thesis is to develop a methodology for automatic and complete reconstruction of surface models from optical 3D data in real time. Approaches already available in the research group are applied and new methods are contributed to the overall process. The most important subtask is the initial alignment (coarse registration) of different 3D views. This process has been automatized by assigning surface points to each other, exploiting features of their adjacencies and the geometric constellations of the points. The method is based on the selection of "`salient"' points on free-form surfaces. The salience of points is quantified on the foundation of symmetry consideratThe intention of the present thesis is to develop a methodology for automatic and complete reconstruction of surface models from optical 3D data in real time. Approaches already available in the research group are applied and new methods are contributed to the overall process. The most important subtask is the initial alignment (coarse registration) of different 3D views. This process has been automatized by assigning surface points to each other, exploiting features of their adjacencies and the geometric constellations of the points. The method is based on the selection of "`salient"' points on free-form surfaces. The salience of points is quantified on the foundation of symmetry considerations and on a general information theory. The salience measure obtained in this way corresponds to a measure of the content of pragmatic information of surface regions with respect to the distinguishability of points from their neighborhood. The approach achieves real time speed, i.\,e.\ registration does not take more time than the usual delay between two acquisitions, about 18-80 seconds. With some applications, completeness of 3D surface descriptions is not provided until the coloring of the surface is acquired. Therefore, an additional subtask is to integrate information taken in the form of color images into the surface model. An approach is described to extract the illumination independent color from these images and to fuse color textures of multiple views with each other and with geometry information. The methods were implemented as to work with triangle meshes. This makes them applicable on general surface topologies - not just on single views but also on surface models in which already several views are integrated. Measurements on works of art and, in the medical field, on patients' faces were conducted to evaluate the developed methods.show moreshow less

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Metadaten
Author:Nikolaus Schön
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-4313
Advisor:Gerd Häusler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2006/09/04
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2006/06/19
Release Date:2006/09/04
Tag:Farbinterpolation; Farbrekonstruktion; Flächenmodell; Flächenrekonstruktion; pragmatische Information
color interpolation; color reconstruction; pragmatic information; surface model; surface reconstruction
SWD-Keyword:Algorithmische Informationstheorie; Bildverarbeitung; Dreidimensionales Modell; Entropie <Informationstheorie>; Informationst; Merkmalsextraktion
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
CCS-Classification:I.2.10 Vision and Scene Understanding (I.4.8, I.5)
I.3.5 Computational Geometry and Object Modeling
I.4.1 Digitization and Image Capture (REVISED)
I.4.7 Feature Measurement
I.4.8 Scene Analysis
I.5.4 Applications
Dewey Decimal Classification:530 Physik

$Rev: 12793 $