Die dreidimensionale Erfassung der Form und Lage eines beliebigen Objekts durch die flexiblen Methoden und Verfahren der Photogrammetrie spielt für ein breites Spektrum technisch-industrieller und naturwissenschaftlicher Einsatzgebiete eine große Rolle. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Messaufgaben im Automobil-, Maschinen- und Schiffbau über die Erstellung komplexer 3D-Modelle in Architektur, Archäologie und Denkmalpflege bis hin zu Bewegungsanalysen in Bereichen der Strömungsmesstechnik, Ballistik oder Medizin. In der Nahbereichsphotogrammetrie werden dabei verschiedene optische 3D-Messsysteme verwendet. Neben flächenhaften Halbleiterkameras im Einzel- oder Mehrbildverband kommen aktive Triangulationsverfahren zur Oberflächenmessung mit z.B. strukturiertem Licht oder Laserscanner-Systeme zum Einsatz. 3D-Kameras auf der Basis von Photomischdetektoren oder vergleichbaren Prinzipien erzeugen durch die Anwendung von Modulationstechniken zusätzlich zu einem Grauwertbild simultan ein Entfernungsbild. Als Einzelbildsensoren liefern sie ohne die Notwendigkeit einer stereoskopischen Zuordnung räumlich aufgelöste Oberflächendaten in Videorate. In der 3D-Bewegungsanalyse ergeben sich bezüglich der Komplexität und des Rechenaufwands erhebliche Erleichterungen. 3D-Kameras verbinden die Handlichkeit einer Digitalkamera mit dem Potential der dreidimensionalen Datenakquisition etablierter Oberflächenmesssysteme. Sie stellen trotz der noch vergleichsweise geringen räumlichen Auflösung als monosensorielles System zur Echtzeit-Tiefenbildakquisition eine interessante Alternative für Aufgabenstellungen der 3D-Bewegungsanalyse dar. Der Einsatz einer 3D-Kamera als Messinstrument verlangt die Modellierung von Abweichungen zum idealen Abbildungsmodell; die Verarbeitung der erzeugten 3D-Kameradaten bedingt die zielgerichtete Adaption, Weiter- und Neuentwicklung von Verfahren der Computer Vision und Photogrammetrie. Am Beispiel der Untersuchung des zwischenmenschlichen Bewegungsverhaltens sind folglich die Entwicklung von Verfahren zur Sensorkalibrierung und zur 3D-Bewegungsanalyse die Schwerpunkte der Dissertation. Eine 3D-Kamera stellt aufgrund ihres inhärenten Designs und Messprinzips gleichzeitig Amplituden- und Entfernungsinformationen zur Verfügung, welche aus einem Messsignal rekonstruiert werden. Die simultane Einbeziehung aller 3D-Kamerainformationen in jeweils einen integrierten Ansatz ist eine logische Konsequenz und steht im Vordergrund der Verfahrensentwicklungen. Zum einen stützen sich die komplementären Eigenschaften der Beobachtungen durch die Herstellung des funktionalen Zusammenhangs der Messkanäle gegenseitig, wodurch Genauigkeits- und Zuverlässigkeitssteigerungen zu erwarten sind. Zum anderen gewährleistet das um eine Varianzkomponentenschätzung erweiterte stochastische Modell eine vollständige Ausnutzung des heterogenen Informationshaushalts. Die entwickelte integrierte Bündelblockausgleichung ermöglicht die Bestimmung der exakten 3D-Kamerageometrie sowie die Schätzung der distanzmessspezifischen Korrekturparameter zur Modellierung linearer, zyklischer und signalwegeffektbedingter Fehleranteile einer 3D-Kamerastreckenmessung. Die integrierte Kalibrierroutine gleicht in beiden Informationskanälen gemessene Größen gemeinsam, unter der automatischen Schätzung optimaler Beobachtungsgewichte, aus. Die Methode basiert auf dem flexiblen Prinzip einer Selbstkalibrierung und benötigt keine Objektrauminformation, wodurch insbesondere die aufwendige Ermittlung von Referenzstrecken übergeordneter Genauigkeit entfällt. Die durchgeführten Genauigkeitsuntersuchungen bestätigen die Richtigkeit der aufgestellten funktionalen Zusammenhänge, zeigen aber auch Schwächen aufgrund noch nicht parametrisierter distanzmessspezifischer Fehler. Die Adaptivität und die modulare Implementierung des entwickelten mathematischen Modells gewährleisten aber eine zukünftige Erweiterung. Die Qualität der 3D-Neupunktkoordinaten kann nach einer Kalibrierung mit 5 mm angegeben werden. Für die durch eine Vielzahl von meist simultan auftretenden Rauschquellen beeinflusste Tiefenbildtechnologie ist diese Genauigkeitsangabe sehr vielversprechend, vor allem im Hinblick auf die Entwicklung von auf korrigierten 3D-Kameradaten aufbauenden Auswertealgorithmen. 2,5D Least Squares Tracking (LST) ist eine im Rahmen der Dissertation entwickelte integrierte spatiale und temporale Zuordnungsmethode zur Auswertung von 3D-Kamerabildsequenzen. Der Algorithmus basiert auf der in der Photogrammetrie bekannten Bildzuordnung nach der Methode der kleinsten Quadrate und bildet kleine Oberflächensegmente konsekutiver 3D-Kameradatensätze aufeinander ab. Die Abbildungsvorschrift wurde, aufbauend auf einer 2D-Affintransformation, an die Datenstruktur einer 3D-Kamera angepasst. Die geschlossen formulierte Parametrisierung verknüpft sowohl Grau- als auch Entfernungswerte in einem integrierten Modell. Neben den affinen Parametern zur Erfassung von Translations- und Rotationseffekten, modellieren die Maßstabs- sowie Neigungsparameter perspektivbedingte Größenänderungen des Bildausschnitts, verursacht durch Distanzänderungen in Aufnahmerichtung. Die Eingabedaten sind in einem Vorverarbeitungsschritt mit Hilfe der entwickelten Kalibrierroutine um ihre opto- und distanzmessspezifischen Fehler korrigiert sowie die gemessenen Schrägstrecken auf Horizontaldistanzen reduziert worden. 2,5D-LST liefert als integrierter Ansatz vollständige 3D-Verschiebungsvektoren. Weiterhin können die aus der Fehlerrechnung resultierenden Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsangaben als Entscheidungskriterien für die Integration in einer anwendungsspezifischen Verarbeitungskette Verwendung finden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass die Einführung komplementärer Informationen eine genauere und zuverlässigere Lösung des Korrespondenzproblems bringt, vor allem bei schwierigen Kontrastverhältnissen in einem Kanal. Die Genauigkeit der direkt mit den Distanzkorrekturtermen verknüpften Maßstabs- und Neigungsparameter verbesserte sich deutlich. Darüber hinaus brachte die Erweiterung des geometrischen Modells insbesondere bei der Zuordnung natürlicher, nicht gänzlich ebener Oberflächensegmente signifikante Vorteile. Die entwickelte flächenbasierte Methode zur Objektzuordnung und Objektverfolgung arbeitet auf der Grundlage berührungslos aufgenommener 3D-Kameradaten. Sie ist somit besonders für Aufgabenstellungen der 3D-Bewegungsanalyse geeignet, die den Mehraufwand einer multiokularen Experimentalanordnung und die Notwendigkeit einer Objektsignalisierung mit Zielmarken vermeiden möchten. Das Potential des 3D-Kamerazuordnungsansatzes wurde an zwei Anwendungsszenarien der menschlichen Verhaltensforschung demonstriert. 2,5D-LST kam zur Bestimmung der interpersonalen Distanz und Körperorientierung im erziehungswissenschaftlichen Untersuchungsgebiet der Konfliktregulation befreundeter Kindespaare ebenso zum Einsatz wie zur Markierung und anschließenden Klassifizierung von Bewegungseinheiten sprachbegleitender Handgesten. Die Implementierung von 2,5D-LST in die vorgeschlagenen Verfahren ermöglichte eine automatische, effektive, objektive sowie zeitlich und räumlich hochaufgelöste Erhebung und Auswertung verhaltensrelevanter Daten. Die vorliegende Dissertation schlägt die Verwendung einer neuartigen 3D-Tiefenbildkamera zur Erhebung menschlicher Verhaltensdaten vor. Sie präsentiert sowohl ein zur Datenaufbereitung entwickeltes Kalibrierwerkzeug als auch eine Methode zur berührungslosen Bestimmung dichter 3D-Bewegungsvektorfelder. Die Arbeit zeigt, dass die Methoden der Photogrammetrie auch für bewegungsanalytische Aufgabenstellungen auf dem bisher noch wenig erschlossenen Gebiet der Verhaltensforschung wertvolle Ergebnisse liefern können. Damit leistet sie einen Beitrag für die derzeitigen Bestrebungen in der automatisierten videographischen Erhebung von Körperbewegungen in dyadischen Interaktionen. / The three-dimensional documentation of the form and location of any type of object using flexible photogrammetric methods and procedures plays a key role in a wide range of technical-industrial and scientific areas of application. Potential applications include measurement tasks in the automotive, machine building and ship building sectors, the compilation of complex 3D models in the fields of architecture, archaeology and monumental preservation and motion analyses in the fields of flow measurement technology, ballistics and medicine. In the case of close-range photogrammetry a variety of optical 3D measurement systems are used. Area sensor cameras arranged in single or multi-image configurations are used besides active triangulation procedures for surface measurement (e.g. using structured light or laser scanner systems). The use of modulation techniques enables 3D cameras based on photomix detectors or similar principles to simultaneously produce both a grey value image and a range image. Functioning as single image sensors, they deliver spatially resolved surface data at video rate without the need for stereoscopic image matching. In the case of 3D motion analyses in particular, this leads to considerable reductions in complexity and computing time. 3D cameras combine the practicality of a digital camera with the 3D data acquisition potential of conventional surface measurement systems. Despite the relatively low spatial resolution currently achievable, as a monosensory real-time depth image acquisition system they represent an interesting alternative in the field of 3D motion analysis. The use of 3D cameras as measuring instruments requires the modelling of deviations from the ideal projection model, and indeed the processing of the 3D camera data generated requires the targeted adaptation, development and further development of procedures in the fields of computer graphics and photogrammetry. This Ph.D. thesis therefore focuses on the development of methods of sensor calibration and 3D motion analysis in the context of investigations into inter-human motion behaviour. As a result of its intrinsic design and measurement principle, a 3D camera simultaneously provides amplitude and range data reconstructed from a measurement signal. The simultaneous integration of all data obtained using a 3D camera into an integrated approach is a logical consequence and represents the focus of current procedural development. On the one hand, the complementary characteristics of the observations made support each other due to the creation of a functional context for the measurement channels, with is to be expected to lead to increases in accuracy and reliability. On the other, the expansion of the stochastic model to include variance component estimation ensures that the heterogeneous information pool is fully exploited. The integrated bundle adjustment developed facilitates the definition of precise 3D camera geometry and the estimation of range-measurement-specific correction parameters required for the modelling of the linear, cyclical and latency defectives of a distance measurement made using a 3D camera. The integrated calibration routine jointly adjusts appropriate dimensions across both information channels, and also automatically estimates optimum observation weights. The method is based on the same flexible principle used in self-calibration, does not require spatial object data and therefore foregoes the time-consuming determination of reference distances with superior accuracy. The accuracy analyses carried out confirm the correctness of the proposed functional contexts, but nevertheless exhibit weaknesses in the form of non-parameterized range-measurement-specific errors. This notwithstanding, the future expansion of the mathematical model developed is guaranteed due to its adaptivity and modular implementation. The accuracy of a new 3D point coordinate can be set at 5 mm further to calibration. In the case of depth imaging technology – which is influenced by a range of usually simultaneously occurring noise sources – this level of accuracy is very promising, especially in terms of the development of evaluation algorithms based on corrected 3D camera data. 2.5D Least Squares Tracking (LST) is an integrated spatial and temporal matching method developed within the framework of this Ph.D. thesis for the purpose of evaluating 3D camera image sequences. The algorithm is based on the least squares image matching method already established in photogrammetry, and maps small surface segments of consecutive 3D camera data sets on top of one another. The mapping rule has been adapted to the data structure of a 3D camera on the basis of a 2D affine transformation. The closed parameterization combines both grey values and range values in an integrated model. In addition to the affine parameters used to include translation and rotation effects, the scale and inclination parameters model perspective-related deviations caused by distance changes in the line of sight. A pre-processing phase sees the calibration routine developed used to correct optical and distance-related measurement specific errors in input data and measured slope distances reduced to horizontal distances. 2.5D LST is an integrated approach, and therefore delivers fully three-dimensional displacement vectors. In addition, the accuracy and reliability data generated by error calculation can be used as decision criteria for integration into an application-specific processing chain. Process validation showed that the integration of complementary data leads to a more accurate, reliable solution to the correspondence problem, especially in the case of difficult contrast ratios within a channel. The accuracy of scale and inclination parameters directly linked to distance correction terms improved dramatically. In addition, the expansion of the geometric model led to significant benefits, and in particular for the matching of natural, not entirely planar surface segments. The area-based object matching and object tracking method developed functions on the basis of 3D camera data gathered without object contact. It is therefore particularly suited to 3D motion analysis tasks in which the extra effort involved in multi-ocular experimental settings and the necessity of object signalling using target marks are to be avoided. The potential of the 3D camera matching approach has been demonstrated in two application scenarios in the field of research into human behaviour. As in the case of the use of 2.5D LST to mark and then classify hand gestures accompanying verbal communication, the implementation of 2.5D LST in the proposed procedures for the determination of interpersonal distance and body orientation within the framework of pedagogical research into conflict regulation between pairs of child-age friends facilitates the automatic, effective, objective and high-resolution (from both a temporal and spatial perspective) acquisition and evaluation of data with relevance to behaviour. This Ph.D. thesis proposes the use of a novel 3D range imaging camera to gather data on human behaviour, and presents both a calibration tool developed for data processing purposes and a method for the contact-free determination of dense 3D motion vector fields. It therefore makes a contribution to current efforts in the field of the automated videographic documentation of bodily motion within the framework of dyadic interaction, and shows that photogrammetric methods can also deliver valuable results within the framework of motion evaluation tasks in the as-yet relatively untapped field of behavioural research.

Les chutes chez les personnes âgées représentent un problème important de santé publique. Des études montrent qu’environ 30 % des personnes âgées de 65 ans et plus chutent chaque année au Canada, entraînant des conséquences néfastes sur les plans individuel, familiale et sociale. Face à une telle situation la vidéosurveillance est une solution efficace assurant la sécurité de ces personnes. À ce jour de nombreux systèmes d’assistance de services à la personne existent. Ces dispositifs permettent à la personne âgée de vivre chez elle tout en assurant sa sécurité par le port d'un capteur. Cependant le port du capteur en permanence par le sujet est peu confortable et contraignant. C'est pourquoi la recherche s’est récemment intéressée à l’utilisation de caméras au lieu de capteurs portables. Le but de ce projet est de démontrer que l'utilisation d'un dispositif de vidéosurveillance peut contribuer à la réduction de ce fléau. Dans ce document nous présentons une approche de détection automatique de chute, basée sur une méthode de suivi 3D du sujet en utilisant une caméra de profondeur (Kinect de Microsoft) positionnée à la verticale du sol. Ce suivi est réalisé en utilisant la silhouette extraite en temps réel avec une approche robuste d’extraction de fond 3D basée sur la variation de profondeur des pixels dans la scène. Cette méthode se fondera sur une initialisation par une capture de la scène sans aucun sujet. Une fois la silhouette extraite, les 10% de la silhouette correspondant à la zone la plus haute de la silhouette (la plus proche de l'objectif de la Kinect) sera analysée en temps réel selon la vitesse et la position de son centre de gravité. Ces critères permettront donc après analyse de détecter la chute, puis d'émettre un signal (courrier ou texto) vers l'individu ou à l’autorité en charge de la personne âgée. Cette méthode a été validée à l’aide de plusieurs vidéos de chutes simulées par un cascadeur. La position de la caméra et son information de profondeur réduisent de façon considérable les risques de fausses alarmes de chute. Positionnée verticalement au sol, la caméra permet donc d'analyser la scène et surtout de procéder au suivi de la silhouette sans occultation majeure, qui conduisent dans certains cas à des fausses alertes. En outre les différents critères de détection de chute, sont des caractéristiques fiables pour différencier la chute d'une personne, d'un accroupissement ou d'une position assise. Néanmoins l'angle de vue de la caméra demeure un problème car il n'est pas assez grand pour couvrir une surface conséquente. Une solution à ce dilemme serait de fixer une lentille sur l'objectif de la Kinect permettant l’élargissement de la zone surveillée. / Elderly falls are a major public health problem. Studies show that about 30% of people aged 65 and older fall each year in Canada, with negative consequences on individuals, their families and our society. Faced with such a situation a video surveillance system is an effective solution to ensure the safety of these people. To this day many systems support services to the elderly. These devices allow the elderly to live at home while ensuring their safety by wearing a sensor. However the sensor must be worn at all times by the subject which is uncomfortable and restrictive. This is why research has recently been interested in the use of cameras instead of wearable sensors. The goal of this project is to demonstrate that the use of a video surveillance system can help to reduce this problem. In this thesis we present an approach for automatic detection of falls based on a method for tracking 3D subject using a depth camera (Kinect from Microsoft) positioned vertically to the ground. This monitoring is done using the silhouette extracted in real time with a robust approach for extracting 3D depth based on the depth variation of the pixels in the scene. This method is based on an initial capture the scene without any body. Once extracted, 10% of the silhouette corresponding to the uppermost region (nearest to the Kinect) will be analyzed in real time depending on the speed and the position of its center of gravity . These criteria will be analysed to detect the fall, then a signal (email or SMS) will be transmitted to an individual or to the authority in charge of the elderly. This method was validated using several videos of a stunt simulating falls. The camera position and depth information reduce so considerably the risk of false alarms. Positioned vertically above the ground, the camera makes it possible to analyze the scene especially for tracking the silhouette without major occlusion, which in some cases lead to false alarms. In addition, the various criteria for fall detection, are reliable characteristics for distinguishing the fall of a person, from squatting or sitting. Nevertheless, the angle of the camera remains a problem because it is not large enough to cover a large surface. A solution to this dilemma would be to fix a lens on the objective of the Kinect for the enlargement of the field of view and monitored area.

A constantly growing corpus of interdisciplinary studies support the idea that music is a complex multimodal medium that is experienced not only by means of sounds but also through body movement. From this perspective, musical instruments can be seen as technological objects coupled with a repertoire of performance gestures. This repertoire is part of an ecological knowledge shared by musicians and listeners alike. It is part of the engine that guides musical experience and has a considerable expressive potential. This thesis explores technical and conceptual issues related to the analysis and creative use of music-related body movements in instrumental music performance. The complexity of this subject required an interdisciplinary approach, which includes the review of multiple theoretical accounts, quantitative and qualitative analysis of data collected in motion capture laboratories, the development and implementation of technologies for the interpretation and interactive use of motion data, and the creation of short musical pieces that actively employ the movement of the performers as an expressive musical feature. The theoretical framework is informed by embodied and enactive accounts of music cognition as well as by systematic studies of music-related movement and expressive music performance. The assumption that the movements of a musician are part of a shared knowledge is empirically explored through an experiment aimed at analysing the motion capture data of a violinist performing a selection of short musical excerpts. A group of subjects with no prior experience playing the violin is then asked to mime a performance following the audio excerpts recorded by the violinist. Motion data is recorded, analysed, and compared with the expert’s data. This is done both quantitatively through data analysis xii as well as qualitatively by relating the motion data to other high-level features and structures of the musical excerpts. Solutions to issues regarding capturing and storing movement data and its use in real-time scenarios are proposed. For the interactive use of motion-sensing technologies in music performance, various wearable sensors have been employed, along with different approaches for mapping control data to sound synthesis and signal processing parameters. In particular, novel approaches for the extraction of meaningful features from raw sensor data and the use of machine learning techniques for mapping movement to live electronics are described. To complete the framework, an essential element of this research project is the com- position and performance of études that explore the creative use of body movement in instrumental music from a Practice-as-Research perspective. This works as a test bed for the proposed concepts and techniques. Mapping concepts and technologies are challenged in a scenario constrained by the use of musical instruments, and different mapping ap- proaches are implemented and compared. In addition, techniques for notating movement in the score, and the impact of interactive motion sensor systems in instrumental music practice from the performer’s perspective are discussed. Finally, the chapter concluding the part of the thesis dedicated to practical implementations describes a novel method for mapping movement data to sound synthesis. This technique is based on the analysis of multimodal motion data collected from multiple subjects and its design draws from the theoretical, analytical, and practical works described throughout the dissertation. Overall, the parts and the diverse approaches that constitute this thesis work in synergy, contributing to the ongoing discourses on the study of musical gestures and the design of interactive music systems from multiple angles.

This thesis addresses three problems related to image registration, prediction and tracking, applied to Angiography and Oncology. For image analysis, various probabilistic models have been employed to characterize the image deformations, target motions and state estimations. (i) In Digital Subtraction Angiography (DSA), having a high quality visualization of the blood motion in the vessels is essential both in diagnostic and interventional applications. In order to reduce the inherent movement artifacts in DSA, non-rigid image registration is used before subtracting the mask from the contrast image. DSA image registration is a challenging problem, as it requires non-rigid matching across spatially non-uniform control points, at high speed. We model the problem of sub-pixel matching, as a labeling problem on a non-uniform Markov Random Field (MRF). We use quad-trees in a novel way to generate the non uniform grid structure and optimize the registration cost using graph-cuts technique. The MRF formulation produces a smooth displacement field which results in better artifact reduction than with the conventional approach of independently registering the control points. The above approach is further improved using two models. First, we introduce the concept of pivotal and non-pivotal control points. `Pivotal control points' are nodes in the Markov network that are close to the edges in the mask image, while 'non-pivotal control points' are identified in soft tissue regions. This model leads to a novel MRF framework and energy formulation. Next, we propose a Gaussian MRF model and solve the energy minimization problem for sub-pixel DSA registration using Random Walker (RW). An incremental registration approach is developed using quad-tree based MRF structure and RW, wherein the density of control points is hierarchically increased at each level M depending of the features to be used and the required accuracy. A novel numbering scheme of the control points allows us to reuse the computations done at level M in M + 1. Both the models result in an accelerated performance without compromising on the artifact reduction. We have also provided a CUDA based design of the algorithm, and shown performance acceleration on a GPU. We have tested the approach using 25 clinical data sets, and have presented the results of quantitative analysis and clinical assessment. (ii) In External Beam Radiation Therapy (EBRT), in order to monitor the intra fraction motion of thoracic and abdominal tumors, the lung diaphragm apex can be used as an internal marker. However, tracking the position of the apex from image based observations is a challenging problem, as it undergoes both position and shape variation. We propose a novel approach for tracking the ipsilateral hemidiaphragm apex (IHDA) position on CBCT projection images. We model the diaphragm state as a spatiotemporal MRF, and obtain the trace of the apex by solving an energy minimization problem through graph-cuts. We have tested the approach using 15 clinical data sets and found that this approach outperforms the conventional full search method in terms of accuracy. We have provided a GPU based heterogeneous implementation of the algorithm using CUDA to increase the viability of the approach for clinical use. (iii) In an adaptive radiotherapy system, irrespective of the methods used for target observations there is an inherent latency in the beam control as they involve mechanical movement and processing delays. Hence predicting the target position during `beam on target' is essential to increase the control precision. We propose a novel prediction model (called o set sine model) for the breathing pattern. We use IHDA positions (from CBCT images) as measurements and an Unscented Kalman Filter (UKF) for state estimation. The results based on 15 clinical datasets show that, o set sine model outperforms the state of the art LCM model in terms of prediction accuracy.

Due to the continuous ageing of our society, both the care and the health sector will encounter challenges in maintaining the quality of human care and health standards. While the number of people with diseases such as dementia and physical illness will be rising, we are simultaneously recording a lack of medical personnel such as caregivers and therapists. One possible approach that tackles the described problem is the employment of technical assistance systems that support both medical personnel and elderly living alone at home. This thesis presents approaches to provide assistance for these target groups. In this work, algorithms that are integrated in prototypical assistance systems for vision-based human daily activity, mobility and motion analysis have been developed. The developed algorithms process 3-D point clouds as well as skeleton joint positions to generate meta information concerning activities and the mobility of elderly persons living alone at home. Such type of information was not accessible so far and is now available for monitoring. By generating this meta information, a basis for the detection of long-term and short-term health changes has been created. Besides monitoring meta information, mobilisation for maintaining physical capabilities, either ambulatory or at home, is a further focus of this thesis. Algorithms for the qualitative assessment of physical exercises were therefore investigated. Thereby, motion sequences in the form of skeleton joint trajectories as well as the heat development in active muscles were considered. These algorithms enable an autonomous physical training under the supervision of a virtual therapist even at home. / Aufgrund der voranschreitenden Überalterung unserer Gesellschaft werden sowohl der Pflege- als auch der Gesundheitssektor vor enorme Herausforderungen gestellt. Während die Zahl an vorrangig altersbedingten Erkrankungen, wie Demenz oder physische Erkrankungen des Bewegungsapparates, weiterhin zunehmen wird, stagniert die Zahl an medizinischem Fachpersonal, wie Therapeuten und Pflegekräften. An dieser Stelle besteht das Ziel, die Qualität medizinischer Leistungen auf hohem Niveau zu halten und dabei die Einhaltung von Pflege- und Gesundheitsstandards sicherzustellen. Ein möglicher Ansatz hierfür ist der Einsatz technischer Assistenzsysteme, welche sowohl das medizinische Personal und Angehörige entlasten als auch ältere, insbesondere allein lebende Menschen zu Hause unterstützen können. Die vorliegende Arbeit stellt Ansätze zur Unterstützung der genannten Zielgruppen vor, die prototypisch in Assistenzsystemen zur visuellen, kamerabasierten Analyse von täglichen Aktivitäten, von Mobilität und von Bewegungen bei Trainingsübungen integriert sind. Die entwickelten Algorithmen verarbeiten dreidimensionale Punktwolken und Gelenkpositionen des menschlichen Skeletts, um sogenannte Meta-Daten über tägliche Aktivitäten und die Mobilität einer allein lebenden Person zu erhalten. Diese Informationen waren bis jetzt nicht verfügbar, können allerdings für den Patienten selbst, für medizinisches Personal und Angehörige aufschlussreich sein, denn diese Meta-Daten liefern die Grundlage für die Detektion kurz- und langfristiger Veränderungen im Verhalten oder in der Mobilität, die ansonsten wahrscheinlich unbemerkt geblieben wären. Neben der Erfassung solcher Meta-Informationen liegt ein weiterer Fokus der Arbeit in der Mobilisierung von Patienten durch angeleitetes Training, um ihre Mobilität und körperliche Verfassung zu stärken. Dabei wurden Algorithmen zur qualitativen Bewertung und Vermittlung von Korrekturhinweisen bei physischen Trainingsübungen entwickelt, die auf Trajektorien von Gelenkpositionen und der Wärmeentwicklung in Muskeln beruhen. Diese Algorithmen ermöglichen aufgrund der Nachahmung eines durch den Therapeuten gegebenen Feedbacks ein autonomes Training.

Die dreidimensionale Erfassung der Form und Lage eines beliebigen Objekts durch die flexiblen Methoden und Verfahren der Photogrammetrie spielt für ein breites Spektrum technisch-industrieller und naturwissenschaftlicher Einsatzgebiete eine große Rolle. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Messaufgaben im Automobil-, Maschinen- und Schiffbau über die Erstellung komplexer 3D-Modelle in Architektur, Archäologie und Denkmalpflege bis hin zu Bewegungsanalysen in Bereichen der Strömungsmesstechnik, Ballistik oder Medizin. In der Nahbereichsphotogrammetrie werden dabei verschiedene optische 3D-Messsysteme verwendet. Neben flächenhaften Halbleiterkameras im Einzel- oder Mehrbildverband kommen aktive Triangulationsverfahren zur Oberflächenmessung mit z.B. strukturiertem Licht oder Laserscanner-Systeme zum Einsatz. 3D-Kameras auf der Basis von Photomischdetektoren oder vergleichbaren Prinzipien erzeugen durch die Anwendung von Modulationstechniken zusätzlich zu einem Grauwertbild simultan ein Entfernungsbild. Als Einzelbildsensoren liefern sie ohne die Notwendigkeit einer stereoskopischen Zuordnung räumlich aufgelöste Oberflächendaten in Videorate. In der 3D-Bewegungsanalyse ergeben sich bezüglich der Komplexität und des Rechenaufwands erhebliche Erleichterungen. 3D-Kameras verbinden die Handlichkeit einer Digitalkamera mit dem Potential der dreidimensionalen Datenakquisition etablierter Oberflächenmesssysteme. Sie stellen trotz der noch vergleichsweise geringen räumlichen Auflösung als monosensorielles System zur Echtzeit-Tiefenbildakquisition eine interessante Alternative für Aufgabenstellungen der 3D-Bewegungsanalyse dar. Der Einsatz einer 3D-Kamera als Messinstrument verlangt die Modellierung von Abweichungen zum idealen Abbildungsmodell; die Verarbeitung der erzeugten 3D-Kameradaten bedingt die zielgerichtete Adaption, Weiter- und Neuentwicklung von Verfahren der Computer Vision und Photogrammetrie. Am Beispiel der Untersuchung des zwischenmenschlichen Bewegungsverhaltens sind folglich die Entwicklung von Verfahren zur Sensorkalibrierung und zur 3D-Bewegungsanalyse die Schwerpunkte der Dissertation. Eine 3D-Kamera stellt aufgrund ihres inhärenten Designs und Messprinzips gleichzeitig Amplituden- und Entfernungsinformationen zur Verfügung, welche aus einem Messsignal rekonstruiert werden. Die simultane Einbeziehung aller 3D-Kamerainformationen in jeweils einen integrierten Ansatz ist eine logische Konsequenz und steht im Vordergrund der Verfahrensentwicklungen. Zum einen stützen sich die komplementären Eigenschaften der Beobachtungen durch die Herstellung des funktionalen Zusammenhangs der Messkanäle gegenseitig, wodurch Genauigkeits- und Zuverlässigkeitssteigerungen zu erwarten sind. Zum anderen gewährleistet das um eine Varianzkomponentenschätzung erweiterte stochastische Modell eine vollständige Ausnutzung des heterogenen Informationshaushalts. Die entwickelte integrierte Bündelblockausgleichung ermöglicht die Bestimmung der exakten 3D-Kamerageometrie sowie die Schätzung der distanzmessspezifischen Korrekturparameter zur Modellierung linearer, zyklischer und signalwegeffektbedingter Fehleranteile einer 3D-Kamerastreckenmessung. Die integrierte Kalibrierroutine gleicht in beiden Informationskanälen gemessene Größen gemeinsam, unter der automatischen Schätzung optimaler Beobachtungsgewichte, aus. Die Methode basiert auf dem flexiblen Prinzip einer Selbstkalibrierung und benötigt keine Objektrauminformation, wodurch insbesondere die aufwendige Ermittlung von Referenzstrecken übergeordneter Genauigkeit entfällt. Die durchgeführten Genauigkeitsuntersuchungen bestätigen die Richtigkeit der aufgestellten funktionalen Zusammenhänge, zeigen aber auch Schwächen aufgrund noch nicht parametrisierter distanzmessspezifischer Fehler. Die Adaptivität und die modulare Implementierung des entwickelten mathematischen Modells gewährleisten aber eine zukünftige Erweiterung. Die Qualität der 3D-Neupunktkoordinaten kann nach einer Kalibrierung mit 5 mm angegeben werden. Für die durch eine Vielzahl von meist simultan auftretenden Rauschquellen beeinflusste Tiefenbildtechnologie ist diese Genauigkeitsangabe sehr vielversprechend, vor allem im Hinblick auf die Entwicklung von auf korrigierten 3D-Kameradaten aufbauenden Auswertealgorithmen. 2,5D Least Squares Tracking (LST) ist eine im Rahmen der Dissertation entwickelte integrierte spatiale und temporale Zuordnungsmethode zur Auswertung von 3D-Kamerabildsequenzen. Der Algorithmus basiert auf der in der Photogrammetrie bekannten Bildzuordnung nach der Methode der kleinsten Quadrate und bildet kleine Oberflächensegmente konsekutiver 3D-Kameradatensätze aufeinander ab. Die Abbildungsvorschrift wurde, aufbauend auf einer 2D-Affintransformation, an die Datenstruktur einer 3D-Kamera angepasst. Die geschlossen formulierte Parametrisierung verknüpft sowohl Grau- als auch Entfernungswerte in einem integrierten Modell. Neben den affinen Parametern zur Erfassung von Translations- und Rotationseffekten, modellieren die Maßstabs- sowie Neigungsparameter perspektivbedingte Größenänderungen des Bildausschnitts, verursacht durch Distanzänderungen in Aufnahmerichtung. Die Eingabedaten sind in einem Vorverarbeitungsschritt mit Hilfe der entwickelten Kalibrierroutine um ihre opto- und distanzmessspezifischen Fehler korrigiert sowie die gemessenen Schrägstrecken auf Horizontaldistanzen reduziert worden. 2,5D-LST liefert als integrierter Ansatz vollständige 3D-Verschiebungsvektoren. Weiterhin können die aus der Fehlerrechnung resultierenden Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsangaben als Entscheidungskriterien für die Integration in einer anwendungsspezifischen Verarbeitungskette Verwendung finden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass die Einführung komplementärer Informationen eine genauere und zuverlässigere Lösung des Korrespondenzproblems bringt, vor allem bei schwierigen Kontrastverhältnissen in einem Kanal. Die Genauigkeit der direkt mit den Distanzkorrekturtermen verknüpften Maßstabs- und Neigungsparameter verbesserte sich deutlich. Darüber hinaus brachte die Erweiterung des geometrischen Modells insbesondere bei der Zuordnung natürlicher, nicht gänzlich ebener Oberflächensegmente signifikante Vorteile. Die entwickelte flächenbasierte Methode zur Objektzuordnung und Objektverfolgung arbeitet auf der Grundlage berührungslos aufgenommener 3D-Kameradaten. Sie ist somit besonders für Aufgabenstellungen der 3D-Bewegungsanalyse geeignet, die den Mehraufwand einer multiokularen Experimentalanordnung und die Notwendigkeit einer Objektsignalisierung mit Zielmarken vermeiden möchten. Das Potential des 3D-Kamerazuordnungsansatzes wurde an zwei Anwendungsszenarien der menschlichen Verhaltensforschung demonstriert. 2,5D-LST kam zur Bestimmung der interpersonalen Distanz und Körperorientierung im erziehungswissenschaftlichen Untersuchungsgebiet der Konfliktregulation befreundeter Kindespaare ebenso zum Einsatz wie zur Markierung und anschließenden Klassifizierung von Bewegungseinheiten sprachbegleitender Handgesten. Die Implementierung von 2,5D-LST in die vorgeschlagenen Verfahren ermöglichte eine automatische, effektive, objektive sowie zeitlich und räumlich hochaufgelöste Erhebung und Auswertung verhaltensrelevanter Daten. Die vorliegende Dissertation schlägt die Verwendung einer neuartigen 3D-Tiefenbildkamera zur Erhebung menschlicher Verhaltensdaten vor. Sie präsentiert sowohl ein zur Datenaufbereitung entwickeltes Kalibrierwerkzeug als auch eine Methode zur berührungslosen Bestimmung dichter 3D-Bewegungsvektorfelder. Die Arbeit zeigt, dass die Methoden der Photogrammetrie auch für bewegungsanalytische Aufgabenstellungen auf dem bisher noch wenig erschlossenen Gebiet der Verhaltensforschung wertvolle Ergebnisse liefern können. Damit leistet sie einen Beitrag für die derzeitigen Bestrebungen in der automatisierten videographischen Erhebung von Körperbewegungen in dyadischen Interaktionen. / The three-dimensional documentation of the form and location of any type of object using flexible photogrammetric methods and procedures plays a key role in a wide range of technical-industrial and scientific areas of application. Potential applications include measurement tasks in the automotive, machine building and ship building sectors, the compilation of complex 3D models in the fields of architecture, archaeology and monumental preservation and motion analyses in the fields of flow measurement technology, ballistics and medicine. In the case of close-range photogrammetry a variety of optical 3D measurement systems are used. Area sensor cameras arranged in single or multi-image configurations are used besides active triangulation procedures for surface measurement (e.g. using structured light or laser scanner systems). The use of modulation techniques enables 3D cameras based on photomix detectors or similar principles to simultaneously produce both a grey value image and a range image. Functioning as single image sensors, they deliver spatially resolved surface data at video rate without the need for stereoscopic image matching. In the case of 3D motion analyses in particular, this leads to considerable reductions in complexity and computing time. 3D cameras combine the practicality of a digital camera with the 3D data acquisition potential of conventional surface measurement systems. Despite the relatively low spatial resolution currently achievable, as a monosensory real-time depth image acquisition system they represent an interesting alternative in the field of 3D motion analysis. The use of 3D cameras as measuring instruments requires the modelling of deviations from the ideal projection model, and indeed the processing of the 3D camera data generated requires the targeted adaptation, development and further development of procedures in the fields of computer graphics and photogrammetry. This Ph.D. thesis therefore focuses on the development of methods of sensor calibration and 3D motion analysis in the context of investigations into inter-human motion behaviour. As a result of its intrinsic design and measurement principle, a 3D camera simultaneously provides amplitude and range data reconstructed from a measurement signal. The simultaneous integration of all data obtained using a 3D camera into an integrated approach is a logical consequence and represents the focus of current procedural development. On the one hand, the complementary characteristics of the observations made support each other due to the creation of a functional context for the measurement channels, with is to be expected to lead to increases in accuracy and reliability. On the other, the expansion of the stochastic model to include variance component estimation ensures that the heterogeneous information pool is fully exploited. The integrated bundle adjustment developed facilitates the definition of precise 3D camera geometry and the estimation of range-measurement-specific correction parameters required for the modelling of the linear, cyclical and latency defectives of a distance measurement made using a 3D camera. The integrated calibration routine jointly adjusts appropriate dimensions across both information channels, and also automatically estimates optimum observation weights. The method is based on the same flexible principle used in self-calibration, does not require spatial object data and therefore foregoes the time-consuming determination of reference distances with superior accuracy. The accuracy analyses carried out confirm the correctness of the proposed functional contexts, but nevertheless exhibit weaknesses in the form of non-parameterized range-measurement-specific errors. This notwithstanding, the future expansion of the mathematical model developed is guaranteed due to its adaptivity and modular implementation. The accuracy of a new 3D point coordinate can be set at 5 mm further to calibration. In the case of depth imaging technology – which is influenced by a range of usually simultaneously occurring noise sources – this level of accuracy is very promising, especially in terms of the development of evaluation algorithms based on corrected 3D camera data. 2.5D Least Squares Tracking (LST) is an integrated spatial and temporal matching method developed within the framework of this Ph.D. thesis for the purpose of evaluating 3D camera image sequences. The algorithm is based on the least squares image matching method already established in photogrammetry, and maps small surface segments of consecutive 3D camera data sets on top of one another. The mapping rule has been adapted to the data structure of a 3D camera on the basis of a 2D affine transformation. The closed parameterization combines both grey values and range values in an integrated model. In addition to the affine parameters used to include translation and rotation effects, the scale and inclination parameters model perspective-related deviations caused by distance changes in the line of sight. A pre-processing phase sees the calibration routine developed used to correct optical and distance-related measurement specific errors in input data and measured slope distances reduced to horizontal distances. 2.5D LST is an integrated approach, and therefore delivers fully three-dimensional displacement vectors. In addition, the accuracy and reliability data generated by error calculation can be used as decision criteria for integration into an application-specific processing chain. Process validation showed that the integration of complementary data leads to a more accurate, reliable solution to the correspondence problem, especially in the case of difficult contrast ratios within a channel. The accuracy of scale and inclination parameters directly linked to distance correction terms improved dramatically. In addition, the expansion of the geometric model led to significant benefits, and in particular for the matching of natural, not entirely planar surface segments. The area-based object matching and object tracking method developed functions on the basis of 3D camera data gathered without object contact. It is therefore particularly suited to 3D motion analysis tasks in which the extra effort involved in multi-ocular experimental settings and the necessity of object signalling using target marks are to be avoided. The potential of the 3D camera matching approach has been demonstrated in two application scenarios in the field of research into human behaviour. As in the case of the use of 2.5D LST to mark and then classify hand gestures accompanying verbal communication, the implementation of 2.5D LST in the proposed procedures for the determination of interpersonal distance and body orientation within the framework of pedagogical research into conflict regulation between pairs of child-age friends facilitates the automatic, effective, objective and high-resolution (from both a temporal and spatial perspective) acquisition and evaluation of data with relevance to behaviour. This Ph.D. thesis proposes the use of a novel 3D range imaging camera to gather data on human behaviour, and presents both a calibration tool developed for data processing purposes and a method for the contact-free determination of dense 3D motion vector fields. It therefore makes a contribution to current efforts in the field of the automated videographic documentation of bodily motion within the framework of dyadic interaction, and shows that photogrammetric methods can also deliver valuable results within the framework of motion evaluation tasks in the as-yet relatively untapped field of behavioural research.

This thesis addresses the problem where we want to apply machine learning over a small data set of multivariate time series. A challenge when classifying data is when the data set is small and overfitting is at risk. Augmentation of small data sets might avoid overfitting. The multivariate time series used in this project represent motion data of people with reconstructed ACLs and a control group. The approach was pairing motion data from the training set and using Euclidean Barycentric Averaging to create a new set of synthetic motion data so as to increase the size of the training set. The classifiers used were Dynamic Time Warping -One Nearest neighbour and Time Series Forest. In our example we found this way of increasing the training set a less productive strategy. We also found Time Series Forest to generally perform with higher accuracy on the chosen data sets, but there may be more effective augmentation strategies to avoid overfitting.

With an increased amount of connected devices and the recent surge of artificial intelligence, the two technologies need more attention to fully bloom as a useful tool for creating new and exciting products. As machine learning traditionally is implemented on computers and online servers this thesis explores the possibility to extend machine learning to an embedded environment. This evaluation of existing machine learning in embedded systems with limited processing capa-bilities has been carried out in the specific context of an application involving classification of basic human movements. Previous research and implementations indicate that it is possible with some limitations, this thesis aims to answer which hardware limitation is affecting clas-sification and what classification accuracy the system can reach on an embedded device. The tests included human motion data from an existing dataset and included four different machine learning algorithms on three devices. Support Vector Machine (SVM) are found to be performing best com-pared to CART, Random Forest and AdaBoost. It reached a classification accuracy of 84,69% between six different included motions with a clas-sification time of 16,88 ms per classification on a Cortex M4 processor. This is the same classification accuracy as the one obtained on the host computer with more computational capabilities. Other hardware and machine learning algorithm combinations had a slight decrease in clas-sification accuracy and an increase in classification time. Conclusions could be drawn that memory on the embedded device affect which al-gorithms could be run and the complexity of data that can be extracted in form of features. Processing speed is mostly affecting classification time. Additionally the performance of the machine learning system is connected to the type of data that is to be observed, which means that the performance of different setups differ depending on the use case. / Antalet uppkopplade enheter ökar och det senaste uppsvinget av ar-tificiell intelligens driver forskningen framåt till att kombinera de två teknologierna för att både förbättra existerande produkter och utveckla nya. Maskininlärning är traditionellt sett implementerat på kraftfulla system så därför undersöker den här masteruppsatsen potentialen i att utvidga maskininlärning till att köras på inbyggda system. Den här undersökningen av existerande maskinlärningsalgoritmer, implemen-terade på begränsad hårdvara, har utförts med fokus på att klassificera grundläggande mänskliga rörelser. Tidigare forskning och implemen-tation visar på att det ska vara möjligt med vissa begränsningar. Den här uppsatsen vill svara på vilken hårvarubegränsning som påverkar klassificering mest samt vilken klassificeringsgrad systemet kan nå på den begränsande hårdvaran. Testerna inkluderade mänsklig rörelsedata från ett existerande dataset och inkluderade fyra olika maskininlärningsalgoritmer på tre olika system. SVM presterade bäst i jämförelse med CART, Random Forest och AdaBoost. Den nådde en klassifikationsgrad på 84,69% på de sex inkluderade rörelsetyperna med en klassifikationstid på 16,88 ms per klassificering på en Cortex M processor. Detta är samma klassifikations-grad som en vanlig persondator når med betydligt mer beräknings-resurserresurser. Andra hårdvaru- och algoritm-kombinationer visar en liten minskning i klassificeringsgrad och ökning i klassificeringstid. Slutsatser kan dras att minnet på det inbyggda systemet påverkar vilka algoritmer som kunde köras samt komplexiteten i datan som kunde extraheras i form av attribut (features). Processeringshastighet påverkar mest klassificeringstid. Slutligen är prestandan för maskininlärningsy-stemet bunden till typen av data som ska klassificeras, vilket betyder att olika uppsättningar av algoritmer och hårdvara påverkar prestandan olika beroende på användningsområde.

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Background: Knee osteoarthritis is a degenerative disease characterized by damaged joint tissues (e.g., cartilage) that leads to joint pain, and reduced mobility and quality of life. Various factors are involved in disease progression, including biomechanical, patient-reported outcome and mobility measures. This thesis provides important longitudinal data on the role of these factors in disease progression, and the trajectory of biomechanical factors in persons with knee osteoarthritis. Objectives: (1) Determine the extent to which changes over 2.5 years in knee cartilage thickness and volume in persons with knee osteoarthritis were predicted by the knee adduction and flexion moment peaks, and knee adduction moment impulse and loading frequency. (2) Determine the extent to which changes over 2 years in walking and stair-climbing mobility in women with knee osteoarthritis were predicted by quadriceps strength and power, pain and self-efficacy. (3) Estimate the relative and absolute test-retest reliabilities of biomechanical risk factors for knee osteoarthritis progression. Methods: Data were collected at 3-month intervals during a longitudinal (3-year), observational study of persons with clinical knee osteoarthritis (n=64). Magnetic resonance imaging of the study knee was acquired at the first and last assessments, and used to determine cartilage thickness and volume. Accelerometry and dynamometry data were acquired every 3 months, and used to determine knee loading frequency and knee muscle strength and power, respectively. Walking and stair-climbing mobility, as well as pain and self-efficacy data, were also collected every 3 months. Gait analyses were performed every 6 months, and used to calculate lower-extremity kinematics and kinetics. Results: (1) The knee adduction moment peak and impulse each interacted with body mass index to predict loss of medial tibial cartilage volume over 2.5 years. These interactions suggested that larger joint loads in those with a higher body mass index were associated with greater loss of cartilage volume. (2) In women, lower baseline self-efficacy predicted decreased walking and stair ascent performances over 2 years. Higher baseline pain intensity/frequency also predicted decreased walking performance. Quadriceps strength and power each interacted with self-efficacy to predict worsening stair ascent times. These interactions suggested that the impact of lesser quadriceps strength and power on worsening stair ascent performance was more important among women with lower self-efficacy. (3) Relative reliabilities were high for the knee adduction moment peak and impulse, quadriceps strength and power, and body mass index (i.e., intraclass correlation coefficients >0.80). Absolute reliabilities were high for quadriceps strength and body mass index (standard errors of measurement <15% of the mean). Data supported the use of interventions effective in reducing the knee adduction moment and body mass index, and increasing quadriceps strength, in persons with knee osteoarthritis. Conclusion: Findings from this thesis suggest that biomechanical factors play a modest independent role in the progression of knee osteoarthritis. However, in the presence of other circumstances (e.g., obesity, low self-efficacy, high pain intensity/frequency), biomechanical factors can vastly worsen the disease. Strategies aiming to curb structural progression and improve clinical outcomes in knee osteoarthritis should target biomechanical and clinical outcomes simultaneously. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Knee osteoarthritis is a multifactorial disease whose progression involves worsening joint structure, symptoms, and mobility. Various factors are linked to the progression of this disease, including biomechanical, patient-reported outcome and mobility measures. This thesis provides important information on how these factors, separately and collectively, are involved in worsening disease over time, as well as benchmarks that are useful to clinicians and researchers in interpreting results from interventional or longitudinal research. First, we examined how different elements of knee loading were associated with changes in knee cartilage quantity over time in persons with knee osteoarthritis. Second, we examined how different elements of knee muscle capacity and patient-reported outcomes were related to changes in mobility over time in persons with knee osteoarthritis. Third, we examined the stability over time of various biomechanical risk factors for the progression of knee osteoarthritis. Novel results from this thesis showed that: (1) larger knee loads predicted cartilage loss over 2.5 years in obese individuals with knee osteoarthritis but not in persons of normal weight or overweight; (2) among women with knee osteoarthritis with lower self-efficacy (or confidence), lesser knee muscle capacity (strength, power) was an important predictor of declining stair-climbing performance over 2 years; and (3) clinical interventions that can positively alter knee biomechanics include weight loss, knee muscle strengthening, as well as specific knee surgery and alterations during walking to reduce knee loads. Interventions for knee osteoarthritis should target biomechanical and clinical outcomes simultaneously.