@misc{KnoetelSeidelProhaskaetal.2017, author = {Kn{\"o}tel, David and Seidel, Ronald and Prohaska, Steffen and Dean, Mason N. and Baum, Daniel}, title = {Automated Segmentation of Complex Patterns in Biological Tissues: Lessons from Stingray Tessellated Cartilage}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-65785}, year = {2017}, abstract = {Introduction - Many biological structures show recurring tiling patterns on one structural level or the other. Current image acquisition techniques are able to resolve those tiling patterns to allow quantitative analyses. The resulting image data, however, may contain an enormous number of elements. This renders manual image analysis infeasible, in particular when statistical analysis is to be conducted, requiring a larger number of image data to be analyzed. As a consequence, the analysis process needs to be automated to a large degree. In this paper, we describe a multi-step image segmentation pipeline for the automated segmentation of the calcified cartilage into individual tesserae from computed tomography images of skeletal elements of stingrays. Methods - Besides applying state-of-the-art algorithms like anisotropic diffusion smoothing, local thresholding for foreground segmentation, distance map calculation, and hierarchical watershed, we exploit a graph-based representation for fast correction of the segmentation. In addition, we propose a new distance map that is computed only in the plane that locally best approximates the calcified cartilage. This distance map drastically improves the separation of individual tesserae. We apply our segmentation pipeline to hyomandibulae from three individuals of the round stingray (Urobatis halleri), varying both in age and size. Results - Each of the hyomandibula datasets contains approximately 3000 tesserae. To evaluate the quality of the automated segmentation, four expert users manually generated ground truth segmentations of small parts of one hyomandibula. These ground truth segmentations allowed us to compare the segmentation quality w.r.t. individual tesserae. Additionally, to investigate the segmentation quality of whole skeletal elements, landmarks were manually placed on all tesserae and their positions were then compared to the segmented tesserae. With the proposed segmentation pipeline, we sped up the processing of a single skeletal element from days or weeks to a few hours.}, language = {en} } @article{KnoetelSeidelProhaskaetal.2017, author = {Kn{\"o}tel, David and Seidel, Ronald and Prohaska, Steffen and Dean, Mason N. and Baum, Daniel}, title = {Automated Segmentation of Complex Patterns in Biological Tissues: Lessons from Stingray Tessellated Cartilage}, journal = {PLOS ONE}, doi = {10.1371/journal.pone.0188018}, year = {2017}, abstract = {Introduction - Many biological structures show recurring tiling patterns on one structural level or the other. Current image acquisition techniques are able to resolve those tiling patterns to allow quantitative analyses. The resulting image data, however, may contain an enormous number of elements. This renders manual image analysis infeasible, in particular when statistical analysis is to be conducted, requiring a larger number of image data to be analyzed. As a consequence, the analysis process needs to be automated to a large degree. In this paper, we describe a multi-step image segmentation pipeline for the automated segmentation of the calcified cartilage into individual tesserae from computed tomography images of skeletal elements of stingrays. Methods - Besides applying state-of-the-art algorithms like anisotropic diffusion smoothing, local thresholding for foreground segmentation, distance map calculation, and hierarchical watershed, we exploit a graph-based representation for fast correction of the segmentation. In addition, we propose a new distance map that is computed only in the plane that locally best approximates the calcified cartilage. This distance map drastically improves the separation of individual tesserae. We apply our segmentation pipeline to hyomandibulae from three individuals of the round stingray (Urobatis halleri), varying both in age and size. Results - Each of the hyomandibula datasets contains approximately 3000 tesserae. To evaluate the quality of the automated segmentation, four expert users manually generated ground truth segmentations of small parts of one hyomandibula. These ground truth segmentations allowed us to compare the segmentation quality w.r.t. individual tesserae. Additionally, to investigate the segmentation quality of whole skeletal elements, landmarks were manually placed on all tesserae and their positions were then compared to the segmented tesserae. With the proposed segmentation pipeline, we sped up the processing of a single skeletal element from days or weeks to a few hours.}, language = {en} } @misc{JoachimskyAmbellanZachow2017, author = {Joachimsky, Robert and Ambellan, Felix and Zachow, Stefan}, title = {Computerassistierte Auswahl und Platzierung von interpositionalen Spacern zur Behandlung fr{\"u}her Gonarthrose}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-66064}, year = {2017}, abstract = {Degenerative Gelenkerkrankungen, wie die Osteoarthrose, sind ein h{\"a}ufiges Krankheitsbild unter {\"a}lteren Erwachsenen. Hierbei verringert sich u.a. der Gelenkspalt aufgrund degenerierten Knorpels oder gesch{\"a}digter Menisci. Ein in den Gelenkspalt eingebrachter interpositionaler Spacer soll die mit der Osteoarthrose einhergehende verringerte Gelenkkontaktfl{\"a}che erh{\"o}hen und so der teilweise oder vollst{\"a}ndige Gelenkersatz hinausgez{\"o}gert oder vermieden werden. In dieser Arbeit pr{\"a}sentieren wir eine Planungssoftware f{\"u}r die Auswahl und Positionierung eines interpositionalen Spacers am Patientenmodell. Auf einer MRT-basierten Bildsegmentierung aufbauend erfolgt eine geometrische Rekonstruktion der 3D-Anatomie des Kniegelenks. Anhand dieser wird der Gelenkspalt bestimmt, sowie ein Spacer ausgew{\"a}hlt und algorithmisch vorpositioniert. Die Positionierung des Spacers ist durch den Benutzer jederzeit interaktiv anpassbar. F{\"u}r jede Positionierung eines Spacers wird ein Fitness-Wert zur Knieanatomie des jeweiligen Patienten berechnet und den Nutzern R{\"u}ckmeldung hinsichtlich Passgenauigkeit gegeben. Die Software unterst{\"u}tzt somit als Entscheidungshilfe die behandelnden {\"A}rzte bei der patientenspezifischen Spacerauswahl.}, language = {de} } @misc{leRoux2017, type = {Master Thesis}, author = {le Roux, Gabriel}, title = {Development and Evaluation of Algorithms for 3D Facial Motion Estimation from Stereo Videos}, pages = {52}, year = {2017}, language = {en} } @misc{Zaenker2017, type = {Master Thesis}, author = {Z{\"a}nker, Martin}, title = {Estimating Human Face Reflectance from Single-Shot Multiview Data}, year = {2017}, language = {en} } @misc{KramerNoackBaumetal.2017, author = {Kramer, Tobias and Noack, Matthias and Baum, Daniel and Hege, Hans-Christian and Heller, Eric J.}, title = {Dust and gas emission from cometary nuclei: the case of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-66338}, year = {2017}, abstract = {Comets display with decreasing solar distance an increased emission of gas and dust particles, leading to the formation of the coma and tail. Spacecraft missions provide insight in the temporal and spatial variations of the dust and gas sources located on the cometary nucleus. For the case of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G), the long-term obser- vations from the Rosetta mission point to a homogeneous dust emission across the entire illuminated surface. Despite the homogeneous initial dis- tribution, a collimation in jet-like structures becomes visible. We propose that this observation is linked directly to the complex shape of the nucleus and projects concave topographical features into the dust coma. To test this hypothesis, we put forward a gas-dust description of 67P/C-G, where gravitational and gas forces are accurately determined from the surface mesh and the rotation of the nucleus is fully incorporated. The emerging jet-like structures persist for a wide range of gas-dust interactions and show a dust velocity dependent bending.}, language = {en} } @phdthesis{Zachow2005, author = {Zachow, Stefan}, title = {Computergest{\"u}tzte 3D Osteotomieplanung in der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie unter Ber{\"u}cksichtigung der r{\"a}umlichen Weichgewebeanordnung}, isbn = {3899631986}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-10432}, year = {2005}, abstract = {In der Arbeit wird die computergest{\"u}tzte Planung von chirurgisch gesetzten Knochenfrakturen bzw. Knochenschnitten (sogenannten Osteotomien) an dreidimensionalen, computergrafischen Sch{\"a}delmodellen, sowie die Umpositionierung separierter kn{\"o}cherner Segmente im Kontext der rekonstruktiven MKG-Chirurgie behandelt. Durch die 3D Modellierung und Visualisierung anatomischer Strukturen, sowie der 3D Osteotomie- und Umstellungsplanung unter Einbeziehung der resultierenden Weichgewebedeformation wird den Chirurgen ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem eine Therapieplanung am Computer durchgef{\"u}hrt und diese in Hinblick auf Funktion und {\"A}sthetik bewertet werden kann. Unterschiedliche Strategien k{\"o}nnen dabei erprobt und in ihrer Auswirkung erfasst werden. Dazu wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der zum einen die chirurgische Planung im Vergleich zu existierenden Ans{\"a}tzen deutlich verbessert und zum anderen eine robuste Weichgewebeprognose, durch den Einsatz geeigneter Planungsmodelle und eines physikalisch basierten Weichgewebemodells unter Nutzung numerischer L{\"o}sungsverfahren in die Planung integriert. Die Visualisierung der Planungsergebnisse erlaubt sowohl eine anschauliche und {\"u}berzeugende, pr{\"a}operative Patientenaufkl{\"a}rung, als auch die Demonstration m{\"o}glicher Vorgehensweisen und deren Auswirkungen f{\"u}r die chirurgische Ausbildung. Ferner erg{\"a}nzen die Planungsdaten die Falldokumentation und liefern einen Beitrag zur Qualit{\"a}tssicherung. Die Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert und wie folgt strukturiert: Zuerst wird die medizinische Aufgabenstellung bei der chirurgischen Rekonstruktion von Knochenfehlbildungen und -fehlstellungen in der kraniofazialen Chirurgie sowie die daraus resultierenden Anforderungen an die Therapieplanung beschrieben. Anschließend folgt ein umfassender {\"U}berblick {\"u}ber entsprechende Vorarbeiten zur computergest{\"u}tzten Planung knochenverlagernder Operationen und eine kritische Bestandsaufnahme der noch vorhandenen Defizite. Nach der Vorstellung des eigenen Planungsansatzes wird die Generierung individueller, qualitativ hochwertiger 3D Planungsmodelle aus tomografischen Bilddaten beschrieben, die den Anforderungen an eine intuitive, 3D Planung von Umstellungsosteotomien entsprechen und eine Simulation der daraus resultierenden Weichgewebedeformation mittels der Finite-Elemente Methode (FEM) erm{\"o}glichen. Die Methoden der 3D Schnittplanung an computergrafischen Modellen werden analysiert und eine 3D Osteotomieplanung an polygonalen Sch{\"a}delmodellen entwickelt, die es erm{\"o}glicht, intuitiv durch Definition von Schnittlinien am 3D Knochenmodell, eine den chirurgischen Anforderungen entsprechende Schnittplanung unter Ber{\"u}cksichtigung von Risikostrukturen durchzuf{\"u}hren. Separierte Knochensegmente lassen sich im Anschluss interaktiv umpositionieren und die resultierende Gesamtanordnung hinsichtlich einer funktionellen Rehabilitation bewerten. Aufgrund des in dieser Arbeit gew{\"a}hlten, physikalisch basierten Modellierungsansatzes kann unter Ber{\"u}cksichtigung des gesamten Weichgewebevolumens aus der Knochenverlagerung direkt die resultierende Gesichtsform berechnet werden. Dies wird anhand von 13 exemplarischen Fallstudien anschaulich demonstriert, wobei die Prognosequalit{\"a}t mittels postoperativer Fotografien und postoperativer CT-Daten {\"u}berpr{\"u}ft und belegt wird. Die Arbeit wird mit einem Ausblick auf erweiterte Modellierungsans{\"a}tze und einem Konzept f{\"u}r eine integrierte, klinisch einsetzbare Planungsumgebung abgeschlossen.}, language = {de} } @misc{ZachowZilskeHege2007, author = {Zachow, Stefan and Zilske, Michael and Hege, Hans-Christian}, title = {3D reconstruction of individual anatomy from medical image data: Segmentation and geometry processing}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-10440}, number = {07-41}, year = {2007}, abstract = {For medical diagnosis, visualization, and model-based therapy planning three-dimensional geometric reconstructions of individual anatomical structures are often indispensable. Computer-assisted, model-based planning procedures typically cover specific modifications of "virtual anatomy" as well as numeric simulations of associated phenomena, like e.g. mechanical loads, fluid dynamics, or diffusion processes, in order to evaluate a potential therapeutic outcome. Since internal anatomical structures cannot be measured optically or mechanically in vivo, three-dimensional reconstruction of tomographic image data remains the method of choice. In this work the process chain of individual anatomy reconstruction is described which consists of segmentation of medical image data, geometrical reconstruction of all relevant tissue interfaces, up to the generation of geometric approximations (boundary surfaces and volumetric meshes) of three-dimensional anatomy being suited for finite element analysis. All results presented herein are generated with amira ® - a highly interactive software system for 3D data analysis, visualization and geometry reconstruction.}, language = {en} } @phdthesis{Baum2007, author = {Baum, Daniel}, title = {A Point-Based Algorithm for Multiple 3D Surface Alignment of Drug-Sized Molecules}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000002759-2}, school = {Freie Universit{\"a}t Berlin}, year = {2007}, abstract = {One crucial step in virtual drug design is the identification of new lead structures with respect to a pharmacological target molecule. The search for new lead structures is often done with the help of a pharmacophore, which carries the essential structural as well as physico-chemical properties that a molecule needs to have in order to bind to the target molecule. In the absence of the target molecule, such a pharmacophore can be established by comparison of a set of active compounds. In order to identify their common features,a multiple alignment of all or most of the active compounds is necessary. Moreover, since the "outer shape" of the molecules plays a major role in the interaction between drug and target, an alignment algorithm aiming at the identification of common binding properties needs to consider the molecule's "outer shape", which can be approximated by the solvent excluded surface. In this thesis, we present a new approach to molecular surface alignment based on a discrete representation of shape as well as physico-chemical properties by points distributed on the solvent excluded surface. We propose a new method to distribute points regularly on a surface w.r.t. a smoothly varying point density given on that surface. Since the point distribution algorithm is not restricted to molecular surfaces, it might also be of interest for other applications. For the computation of pairwise surface alignments, we extend an existing point matching scheme to surface points, and we develop an efficient data structure speeding up the computation by a factor of three. Moreover, we present an approach to compute multiple alignments from pairwise alignments, which is able to handle a large number of surface points. All algorithms are evaluated on two sets of molecules: eight thermolysin inhibitors and seven HIV-1 protease inhibitors. Finally, we compare the results obtained from surface alignment with the results obtained by applying an atom alignment approach.}, language = {en} } @misc{Clasen2005, type = {Master Thesis}, author = {Clasen, Malte}, title = {Beleuchtung von Landschaften in interaktiver Darstellung}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-9906}, school = {Zuse Institute Berlin (ZIB)}, year = {2005}, abstract = {Inhalt dieser Diplomarbeit ist ein Beleuchtungs- und Visualisierungsmodell f{\"u}r Pflanzen im interaktiven Landschaftsrendering. Ziel ist die qualitativ hochwertige Darstellung von einzelnen Individuen nahe des Betrachters, der seine Position in einer ansonsten statischen Szene frei w{\"a}hlen kann. Um dies zu erreichen wird zun{\"a}chst vorgestellt, wie ausgehend von einfachen 3D-Modellen und Materialien ein physikalisch basiertes Reflexionsmodell parametrisiert werden kann. Grund hierf{\"u}r ist der oftmals vorhandene umfangreiche Datenbestand, der auf die OpenGL-Materialien oder {\"a}hnliche Shader optimiert ist. Anschließend wird gezeigt, wie die Echtzeit-Renderingtechniken Shadow Mapping und Precomputed Radiance Transfer kombiniert werden k{\"o}nnen, um sowohl exakte hochfrequente direkte Beleuchtung als auch niederfrequentes indirektes Streulicht zu ber{\"u}cksichtigen. Diese Kombination wird an Hand der Pfad-Notation des Monte-Carlo-Path-Tracing eingef{\"u}hrt und begr{\"u}ndet.}, language = {de} }