Dissertation (Metadaten)
Titel (original):Dynamic 3D Scene Analysis and Modeling with a Time-of-Flight Camera
(übersetzt):Analyse und Modellierung dynamischer dreidimensionaler Szenen unter Verwendung einer Laufzeitkamera
 
Autor:Ingo Schiller
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-68024
 
Fakultät:Technische Fakultät
DDC Sachgebiet:004 Informatik
 
Datum der mdl. Prüfung:17.05.2011
 
Referent(in):Prof. Dr. Reinhard Koch
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Andreas Kolb
 
Beschreibung (original):Many applications in Computer Vision require the automatic analysis and reconstruction of static and dynamic scenes. Therefore the automatic analysis of three-dimensional scenes is an area which is intensively investigated. Most approaches focus on the reconstruction of rigid geometry because the reconstruction of non-rigid geometry is far more challenging and requires that three-dimensional data is available at high frame-rates. Rigid scene analysis is for example used in autonomous navigation, for surveillance and for the conservation of cultural heritage. The analysis and reconstruction of non-rigid geometry on the other hand provides a lot more possibilities, not only for the above-mentioned applications. In the production of media content for television or cinema the analysis, recording and playback of full 3D content can be used to generate new views of real scenes or to replace real actors by animated artificial characters. The most important requirement for the analysis of dynamic content is the availability of reliable three-dimensional scene data. Mostly stereo methods have been used to compute the depth of scene points, but these methods are computationally expensive and do not provide sufficient quality in real-time. In recent years the so-called Time-of-Flight cameras have left the prototype stadium and are now capable to deliver dense depth information in real-time at reasonable quality and price. This thesis investigates the suitability of these cameras for the purpose of dynamic three-dimensional scene analysis. Before a Time-of-Flight camera can be used to analyze three-dimensional scenes it has to be calibrated internally and externally. Moreover, Time-of-Flight cameras suffer from systematic depth measurement errors due to their operation principle. This thesis proposes an approach to estimate all necessary parameters in one calibration step. In the following the reconstruction of rigid environments and objects is investigated and solutions for these tasks are presented. The reconstruction of dynamic scenes and the generation of novel views of dynamic scenes is achieved by the introduction of a volumetric data structure to store and fuse the depth measurements and their change over time. Finally a Mixed Reality system is presented in which the contributions of this thesis are brought together. This system is able to combine real and artificial scene elements with correct mutual occlusion, mutual shadowing and physical interaction. This thesis shows that Time-of-Flight cameras are a suitable choice for the analysis of rigid as well as non-rigid scenes under certain conditions. It contains important contributions for the necessary steps of calibration, preprocessing of depth data and reconstruction and analysis of three-dimensional scenes.
 
(übersetzt):Viele Anwendungen des Maschinellen Sehens benötigen die automatische Analyse und Rekonstruktion von statischen und dynamischen Szenen. Deshalb ist die automatische Analyse von dreidimensionalen Szenen und Objekten ein Bereich der intensiv erforscht wird. Die meisten Ansätze konzentrieren sich auf die Rekonstruktion statischer Szenen, da die Rekonstruktion nicht-statischer Geometrien viel herausfordernder ist und voraussetzt, dass dreidimensionale Szeneninformation mit hoher zeitlicher Auflösung verfügbar ist. Statische Szenenanalyse wird beispielsweise in der autonomen Navigation, für die Überwachung und für die Erhaltung des Kulturerbes eingesetzt. Andererseits eröffnet die Analyse und Rekonstruktion nicht-statischer Geometrie viel mehr Möglichkeiten, nicht nur für die bereits erwähnten Anwendungen. In der Produktion von Medieninhalten für Film und Fernsehen kann die Analyse und die Aufnahme und Wiedergabe von vollständig dreidimensionalen Inhalten verwendet werden um neue Ansichten realer Szenen zu erzeugen oder echte Schauspieler durch animierte virtuelle Charaktere zu ersetzen. Die wichtigste Voraussetzung für die Analyse von dynamischen Inhalten ist die Verfügbarkeit von zuverlässigen dreidimensionalen Szeneninformationen. Um die Entfernung von Punkten in der Szene zu bestimmen wurden meistens Stereo-Verfahren eingesetzt, aber diese Verfahren benötigen viel Rechenzeit und erreichen in Echtzeit nicht die benötigte Qualität. In den letzten Jahren haben die so genannten Laufzeitkameras das Stadium der Prototypen verlassen und sind jetzt in der Lage dichte Tiefeninformationen in vernünftiger Qualität zu einem vernünftigen Preis zu liefern. Diese Arbeit untersucht die Eignung dieser Kameras für die Analyse nicht-statischer dreidimensionaler Szenen. Bevor eine Laufzeitkamera für die Analyse eingesetzt werden kann muss sie intern und extern kalibriert werden. Darüber hinaus leiden Laufzeitkameras an systematischen Fehlern bei der Entfernungsmessung, bedingt durch ihr Funktionsprinzip. Diese Arbeit stellt ein Verfahren vor um alle nötigen Parameter in einem Kalibrierschritt zu berechnen. Im Weiteren wird die Rekonstruktion von statischen Umgebungen und Objekten untersucht und Lösungen für diese Aufgaben werden präsentiert. Die Rekonstruktion von nicht-statischen Szenen und die Erzeugung neuer Ansichten solcher Szenen wird mit der Einführung einer volumetrischen Datenstruktur erreicht, in der die Tiefenmessungen und ihr Änderungen über die Zeit gespeichert und fusioniert werden. Schließlich wird ein Mixed Reality System vorgestellt in welchem die Beiträge dieser Arbeit zusammengeführt werden. Dieses System ist in der Lage reale und künstliche Szenenelemente unter Beachtung von korrekter gegenseitiger Verdeckung, Schattenwurf und physikalischer Interaktion zu kombinieren. Diese Arbeit zeigt, dass Laufzeitkameras unter bestimmten Voraussetzungen eine geeignete Wahl für die Analyse von statischen und nicht-statischen Szenen sind. Sie enthält wichtige Beiträge für die notwendigen Schritte der Kalibrierung, der Vorverarbeitung von Tiefendaten und der Rekonstruktion und der Analyse von dreidimensionalen Szenen.
 
Schlagworte:Time-of-Flight Camera, PMD, Calibration, Dynamic Scene Reconstruction, Mixed Reality
Laufzeit- Kamera, PMD, Kalibrierung, Rekonstruktion dyn. Szenen, Gemischte Realität
 
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