The purpose of this diploma thesis is to analyze possibilities of non-photorealistic rendering focused on area of image transformation and afterwards design algorithm for video postprocessing to it's cartoon representation. The thesis describes problem analysis, design of the algorithm and it's implementation.

<p>Uppsatsen är en reflekterande och behandlar ett verk som har skapats inom ramen för examensarbete i medier vid Högskolan i Skövde. Verket består av en datoranimerad sekvens med rytmisk sportgymnastik. Texten inleds med idén bakom verket och de mål som har satts upp för arbetet.</p><p>Efter det ges en kort introduktion till rotoscoping och varför de vanliga metoderna inte fungerar i just detta fall. Därefter följer hur jag anpassat den traditionella rotoscoping-metoden till 3D-verktyget Maya och utvunnet rörelsedata för att vidare förädla rörelsen med hjälp av några av Disneys 12 animationsprinciper.</p><p>Sedan tillkommer en redovisning av de estetiska moment som har ingått i framställandet av min animation och klarlägger den tekniska och kreativa processen bakom verket. Den centrala slutsatsen som presenteras i rapporten är att en utvecklad form av traditionell rotoscoping kombinerad med ett par av Disneys 12 animationsprinciper har använts och fungerat för att avbilda rytmisk sportgymnastik med band med hjälp av tekniskt låg kvalitativ referensmaterial.</p>

Uppsatsen är en reflekterande och behandlar ett verk som har skapats inom ramen för examensarbete i medier vid Högskolan i Skövde. Verket består av en datoranimerad sekvens med rytmisk sportgymnastik. Texten inleds med idén bakom verket och de mål som har satts upp för arbetet. Efter det ges en kort introduktion till rotoscoping och varför de vanliga metoderna inte fungerar i just detta fall. Därefter följer hur jag anpassat den traditionella rotoscoping-metoden till 3D-verktyget Maya och utvunnet rörelsedata för att vidare förädla rörelsen med hjälp av några av Disneys 12 animationsprinciper. Sedan tillkommer en redovisning av de estetiska moment som har ingått i framställandet av min animation och klarlägger den tekniska och kreativa processen bakom verket. Den centrala slutsatsen som presenteras i rapporten är att en utvecklad form av traditionell rotoscoping kombinerad med ett par av Disneys 12 animationsprinciper har använts och fungerat för att avbilda rytmisk sportgymnastik med band med hjälp av tekniskt låg kvalitativ referensmaterial.

Video segmentation is an application of computer vision aimed at automating the extraction of an object from a series of video frames. However, it is a difficult problem, especially to compute at real-time, interactive rates. Although general application to video is difficult because of the wide range of image scenarios, user interaction can help to reduce the problem space and speed up the computation. This thesis presents a fast object-tracking tool that selects an object from a series of frames based on minimal user input. Our Intelligent Rotoscoping tool aims for increased speed and accuracy over other video segmentation tools, while maintaining reproducibility of results. For speed, the tool stays ahead of the user in selecting frames and responding to feedback. For accuracy, it interprets user input such that the user does not have to edit in every frame. For reproducibility, it maintains results for multiple iterations. Realization of these goals comes from the following process. After selecting a single frame, the user watches a speedy propagation of the initial selection with minor nudges where the selection misses its mark. This allows the user to “mold” the selection in certain frames while the tool is propagating the fixes to neighboring frames. It has a simple interface, minimal preprocessing, and minimal user input. It takes in any sort of film and exploits the spatial-temporal coherence of the object to be segmented. The tool allows artistic freedom without demanding intensive sequential processing. This thesis includes three specific extensions to Intelligent Scissors for application to video: 1. Leapfrogging, a robust method to propagate a user's single-frame selection over multiple frames by snapping each selection to its neighboring frame. 2. Histogram snapping, a method for training each frame's cost map based on previous user selections by measuring proximity to pixels in a training set and snapping to the most similar pixel's cost. 3. A real-time feedback and correction loop that provides an intuitive interface for a user to watch and control the selection propagation, with which input the algorithm updates the training data.

6 Zusammenfassung Sabrina Thomeczek Fluoreszenzkinematographische Untersuchungen des Einflusses verschiedener Beschlagmodifikationen auf die Ausrichtung der Zehengelenke des Ponys in Bewegung Veterinär-Anatomisches Institut, Veterinärmedizinischen Fakultät, Universität Leipzig Eingereicht im Oktober 2019 (113 Seiten, 19 Abbildungen, 61 Tabellen, 205 Literaturangaben, 97 Seiten Anhang) Schlüsselwörter: Beschlagmodifikationen, biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie, Scientific Rotoscoping, Zehenknochenausrichtung, Pferd, Böden Einleitung: Die häufigsten Erkrankungen des Sportpferdes, die zu aufwendigen Behandlungen und zum Ausscheiden aus dem Sport führen, betreffen den Bewegungsapparat und hier besonders die distale Gliedmaße des Pferdes. Die Hufgesundheit spielt dementsprechend eine eminente Rolle für das Wohlbefinden des Pferdes. Die Hufbearbeitung und der Hufbeschlag haben einen großen Einfluss auf die Lahmfreiheit. Die Hufschmiede ist ein traditionelles Handwerk, das sich enorm weiterentwickelt hat, sodass heutzutage eine Vielzahl von Beschlagmodifikationen auf dem Markt ist. Allerdings mangelt es an wissenschaftlicher Evidenz für den gezielten und erfolgreichen Einsatz dieser Beschläge. Bisherige Studien führten Röntgenuntersuchungen oder kinematische Untersuchungen mithilfe optoelektronischer Systeme und Infrarot-Markern durch. Die biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie ermöglicht die Erstellung von Röntgenvideos, anhand derer die Zehenknochenausrichtung über einen gewissen Zeitraum auswertbar ist. Durch die Rekonstruktion der Bewegung mittels Scientific Rotoscoping ist dieses Verfahren nicht-invasiv und hat eine hohe Genauigkeit. Vorhandene Erkenntnisse über Hufbeschläge beziehen sich meist auf statische Daten, sind aufgrund der Verschieblichkeit von Hautmarkern ungenau oder durch Implantation von Knochenmarkern invasiv. Außerdem wurde meist ein einziger Beschlag ausgewertet und der gleichzeitige Einfluss verschiedener Bodenbeschaffenheiten vernachlässigt. Ziele der Untersuchung: Diese Studie widmete sich der Evaluierung einer Auswahl von Beschlagmodifikationen auf festem und weichem Boden. Mithilfe der biplanaren Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie konnte der Einfluss der Beschlagmodifikationen auf die Pferdegliedmaße in Bewegung über den Verlauf eines Schrittes dargestellt und ausgewertet werden. Tiere, Material und Methoden: Für die Erstellung der biplanaren Röntgenvideos wurden zwei dreijährige Stuten der Rasse Deutsches Classic Pony und ein sechsjähriger Wallach der Rasse Welsh Pony über eine erhöhte Laufbahn geführt. Jedes Tier machte zwei standardisierte geführte Schritte durch den Untersuchungsbereich, während der jeweilige Beschlag an der rechten Vordergliedmaße angebracht war. Von jedem Pony wurde ein Schritt barhuf, mit Standardhufeisen, mit Eiereisen und mit zehenoffenem Eisen sowohl auf festem, als auch auf weichem Boden ausgewertet. Das Trachten- und das Seitenkeileisen wurden lediglich auf festem, das Eisen mit verbreiterter Zehe und das Breitschenkeleisen lediglich auf weichem Boden ausgewertet. Der feste Boden wurde mittels eines Holzbrettes, der weiche Boden durch eine mit Einstreu-Späne gefüllte Cast-Wanne simuliert. Beide Bodensimulationen schlossen plan mit der übrigen Laufbahn ab, sodass keine Stufen entstanden. Die dreidimensionale Rekonstruktion jedes Schrittes am Computer erfolgte per Scientific Rotoscoping mithilfe von Knochenmodellen, welche für jedes Pony aus computertomographischen Daten erstellt wurden. Der ausgewertete Bereich der Schritte begann beim Initialkontakt und endete beim Abheben der Trachten. Der Schritt wurde weiterhin prozentual in das Auffußen (0 20%), die Hauptstützbeinphase (20-80%), die Mitte der Hauptstützbeinphase (Mittelpunkt der Hauptstützbeinphase ± 10%) und das Abfußen (80-100%) unterteilt. Der Mittelpunkt der Hauptstützbeinphase stellte den Zeitpunkt dar, zu welchem die kontralaterale Gliedmaße durchschwingt und sich beide Gliedmaßen maximal überlagerten. Für die Auswertung der Daten diente der erste animierte Frame jeder Barhuf-Aufnahme auf festem Boden als Referenzposition für das jeweilige Pony. Die ausgewerteten Winkel der Zehengelenke wurden folglich relativ zu dieser angegeben. Nachfolgend wurden die Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke und die Durchschnittswinkel in den einzelnen Schrittphasen für jede Achse bestimmt. Ergebnisse: Die Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke zeigten starke individuelle Variabilität. Hufeisen mit modifizierter lastaufnehmender Oberfläche innerhalb der Hufsilhouette haben sowohl auf festem, als auch auf weichem Boden einen Einfluss auf die Bewegungsumfänge der Zehengelenke. In der Situation barhuf sind die Interphalangealgelenke des Pferdes auf weichem Boden durch Einsinken des Hufes während der Stützbeinphase mehr gebeugt, als auf festem Boden. Der Beschlag mit einem Standardhufeisen führt weder zu einer vermehrten Flexion im Hufgelenk, noch zu einer vermehrten Extension im Krongelenk. Allerdings wurde mit dem Standardhufeisen im Hufgelenk deutlich weniger, im Krongelenk deutlich mehr Rotation beobachtet. Aufgrund sehr uneinheitlicher Ergebnisse kann keine eindeutige Aussage über den Einfluss des Eiereisens getroffen werden. Das Eiereisen führte weder zu einer ausgeprägteren Extension des Hufgelenks auf festem, noch zu einer verstärkten Flexion der Zehengelenke auf weichem Boden. Auch während des Abfußens war das Hufgelenk auf weichem Boden nicht vermehrt gebeugt. Das zehenoffene Eisen führt sowohl auf festem, als auch auf weichem Boden zu einem früher einsetzenden Abrollen des Hufes. Trotzdem zeigte sich keine geringere Extension des Hufgelenks während des Abfußens. In der Mitte der Hauptstützbeinphase war das Hufgelenk unter Einfluss des zehenoffenen Eisens auf weichem Boden mehr gebeugt, als mit dem Standardbeschlag. Das Trachtenkeileisen bedingte keine vermehrte Beugung der Interphalangealgelenke während der Hauptstützbeinphase. Das Eisen mit verbreiterter Zehe führte auf weichem Boden lediglich während des Abfußens zu einer vermehrten Extension im Hufgelenk. Das Seitenkeileisen bedingte eine verstärkte Abduktion und Flexion im Krongelenk, während es im Hufgelenk zu keinen Unterschieden kam. Beim Auffußen konnte mit dem Seitenkeileisen keine vermehrte Instabilität beobachtet werden. Mit dem Breitschenkeleisen kam es nur im Krongelenk zu einer ausgeprägteren Abduktion auf weichem Boden. Schlussfolgerungen: Die biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie ermöglicht erstmals eine präzise und nicht-invasive Evaluierung von Knochenbewegungen an der distalen Gliedmaße des Pferdes und erlaubt eine Visualisierung der Einflüsse von Hufbeschlägen in Bewegung. Sämtliche Beschlagmodifikationen wirken sich auf die Zehengelenke des Pferdes aus, obwohl einige bisherige Annahmen nicht bestätigt werden konnten. Außerdem spielt die Bodenbeschaffenheit eine große Rolle für den Nutzen dieser Beschlagmodifikationen. Die Individualität der Tiere und ihr Einfluss auf die Ergebnisse stellten sich in jeder Beschlagsituation eindrucksvoll dar. Viele Beschlagmodifikationen zeigten ihre Auswirkungen besonders im Krongelenk. Daraus wird geschlossen, dass das Krongelenk eine sehr viel wichtigere Rolle bei der Kompensation veränderter Fußung spielt, als bisher angenommen. Gleichzeitig scheint die Hufkapsel durch ihre Flexibilität enorme kompensatorische Eigenschaften innezuhaben. Es sind dringend mehr Studien über die Biomechanik der Pferdegliedmaße, den Einfluss von Beschlagmodifikationen und deren Nutzen auf unterschiedlichen Böden von Nöten.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Die distale Gliedmaße des Pferdes 3 2.1.1 Anatomische Grundlagen 3 2.1.2 Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 9 2.2 Der Hufbeschlag 12 2.2.1 Grundlagen 12 2.2.2 Anwendung von Beschlagmodifikationen zur Behandlung von orthopädischen Erkrankungen der distalen Pferdegliedmaße und wissenschaftliche Evidenz dafür 15 2.2.3 Anwendung und wissenschaftliche Evidenz für die Effekte ausgewählter Beschlagmodifikationen 18 2.3 Untersuchungsverfahren und Bewegungsanalysen zur Evaluierung von Beschlägen bei Pferden 25 2.3.1 Röntgenologische Darstellung der distalen Pferdegliedmaße 25 2.3.2 Kinematische Messungen 27 2.3.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 28 2.4 Hypothesen 34 3 Tiere, Material und Methoden 35 3.1 Tiere 35 3.1.1 Pferde 35 3.2 Untersuchungsmaterial 36 3.2.1 Hufeisen 36 3.2.2 Hufzubereitung und Beschlag 36 3.3 Untersuchungsaufbau und Erstellung der Aufnahmen 37 3.3.1 Computertomographie 37 3.3.2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 37 3.4 Auswertung der Aufnahmen 40 3.4.1 Erstellung von Knochenmodellen anhand computertomographischer Aufnahmen 40 3.4.2 Videobearbeitung 40 3.4.3 Bildbearbeitung 40 3.4.4 Entzerrung der Aufnahmen 41 3.4.5 Kalibration der Kameraanordnung 42 3.4.6 Animation der Knochenmodelle anhand der Röntgenaufnahmen 42 3.4.7 Achsen- und Winkelberechnung 46 3.5 Analysierte Parameter 48 4 Untersuchungsergebnisse 49 4.1 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographische Aufnahmen 49 4.2 Bewegungsumfang (Range of Motion, ROM) und Winkel der Zehengelenke barhuf 51 4.2.1 Fester Boden 51 4.2.2 Weicher Boden 53 4.2.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 55 4.3 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke mit Standardhufeisen im Vergleich zu den Barhufaufnahmen 58 4.3.1 Fester Boden 58 4.3.2 Weicher Boden 60 4.3.3 Vergleich der Bewegung mit einem Standardbeschlag zwischen festem und weichem Boden 61 4.4 Bewegungsspielraum und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Eiereisen im Vergleich zum Standardhufeisen 64 4.4.1 Fester Boden 64 4.4.2 Weicher Boden 65 4.4.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 67 4.5 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke beschlagen mit dem zehenoffenen Eisen im Vergleich zum Standardhufeisen 70 4.5.1 Fester Boden 70 4.5.2 Weicher Boden 71 4.5.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 73 4.6 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Trachtenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 76 4.6.1 Fester Boden 76 4.7 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Seitenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 77 4.7.1 Fester Boden 77 4.8 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit dem Eisen mit verbreiterter Zehe im Vergleich zum Standardhufeisen 81 4.8.1 Weicher Boden 81 4.9 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Breitschenkeleisen im Vergleich zum Standardhufeisen 83 4.9.1 Weicher Boden 83 5 Diskussion 86 5.1 Methoden 86 5.1.1 Tiermaterial 86 5.1.2 Hufzubereitung und Beschlag 86 5.1.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 87 5.1.4 Simulation verschiedener Bodenbeschaffenheiten 88 5.1.5 Erstellung von Knochenmodellen 88 5.1.6 Bildbearbeitung 88 5.1.7 Animation der Knochenmodelle 89 5.1.8 Koordinatensysteme 90 5.2 Diskussion der Untersuchungsergebnisse 91 5.2.1 Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke 91 5.2.2 Bewegungsmuster der Interphalangealgelenke im Schritt 92 5.2.3 Einfluss des Standardbeschlags auf die Interphalangealgelenke 96 5.2.4 Einfluss spezifischer Beschlagmodifikationen auf die Interphalangealgelenke 97 5.3 Ausblick 109 6 Zusammenfassung 110 7 Summary 112 8 Literaturverzeichnis 114 9 Anhang 124 Danksagung 221 / 7 Summary Sabrina Thomeczek Investigation of the influence of different horseshoe modifications on the interphalangeal joint alignment in the moving pony using fluoroscopic kinematography Institute of Anatomy, Histology and Embryology, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Submitted in October 2019 (113 pages, 19 figures, 61 tables, 205 references, 97 appendices) Keywords: horseshoe-modifications, biplanar high-speed fluoroscopic kinematography, scientific rotoscoping, phalangeal alignment, horse, ground conditions Introduction: The most common diseases which lead to expansive treatment and often early retirement of a sport horse, affect the musculoskeletal system and herein especially the distal limb. Accordingly, hoof health plays an eminent role in equine well-being. Hoof trimming and horseshoeing have great influence on the soundness of the horse. Farriery is a traditional craft, which has undergone tremendous evolution leading to myriad horseshoe modifications on the market today, however there is a lack of scientific evidence for the targeted and successful use of these horseshoe modifications. Existing studies perform X-Ray- or kinematic examinations using optoelectronic systems and infrared-markers. The biplanar high-speed fluoroscopic kinematography used in this study facilitates the generation of X-Ray-videos, by means of which the interphalangeal joint alignment can be evaluated over a period of time. Due to reconstruction of the movement using Scientific Rotoscoping, this technology is non-invasive and highly accurate. Existing findings on horseshoe modifications mostly refer to static data, are inaccurate due to the mobility of skin markers or are invasive due to implantation of bone markers. Additionally, most studies evaluated only one type of horseshoe and neglected the simultanous influence of different ground conditions altogether. Aims of the study: This study was dedicated to the evaluation of a range of horseshoe modifications on both, firm and soft ground. Using biplanar high-speed fluoroscopic kinematography, the influence of the horseshoe modifications on the moving equine limb during one step were visualized and evaluated. Animals, Material and Methods: For the generation of the biplanar X-Ray-videos, two two-year-old German Classic Pony mares and one six-year-old Welsh Pony gelding were led across a an elevated runway. Each Pony made two standardized guided steps through the examination area, while wearing the respective horseshoe on the right forelimb. For each pony one stride barefoot, wearing the standard horseshoe, the eggbar horseshoe and the open-toe horseshoe were evaluated both on firm and soft ground. Heel- and side-wedges were evaluated only on firm ground, while the wide-toe horseshoe and the wide branch horseshoe were only evaluated on soft ground. The firm ground was represented by a wooden board, the soft ground was simulated by a cast-tub filled with litter shavings. Both ground simulations connected flush with the rest of the runway, so that no steps were created. The three-dimensional digital reconstruction of every stride was performed using Scientific Rotoscoping and bone models, which were created from computed tomographic data for each of the ponies. The evaluated part of the stride began at initial contact (0%) and ended with heel-off (100%). Furthermore, the strides were subdivided into landing of the hoof (0-20%), main bearing phase (20-80%), centre of the bearing phase (middle point of the bearing phase ± 10%) and breakover (80-100%). The middle point of the bearing phase was defined as the point in time at which the contralateral limb swung through and the two limbs superimposed maximally. For data evaluation the first animated frame of every barefoot recording on firm ground served as the reference position for the respective pony. Accordingly, the interphalangeal joint angles were stated relative to the reference position. Subsequently, the ranges of motion of the interphalangeal joint and the mean angles during each stride phase were determined. Results: The ranges of motion of the interphalangeal joints showed strong individual variability. Horseshoes with a modified load-bearing surface within in the hoof silhouette have an impact on the ranges of motion on both firm and soft ground. In the barefoot situation the interphalangeal joint are flexed more during stance phase than on firm ground, because of the hoof’s ability to sink into the ground. The standard horseshoe led neither to an increased flexion on the coffin joint, nor to an increased extension in the pastern joint. However, with the standard horseshoe distinctly less rotation could be observed in the coffin joint, while more rotation was seen in the pastern joint. Due to inconsistent results, no explicit statement can be made about the eggbar shoe. On firm ground the eggbar shoe did not lead to a more pronounced extension of the coffin joint and on soft ground no increased flexion of the interphalangeal joints could be noticed. Additionally, the coffin joint showed no increased flexion during breakover on soft ground. The open-toe shoe led to an earlier onset of breakover on both firm and soft ground. Nonetheless there was no decreased extension in the coffin joint during breakover. With the open-toe shoe the coffin joint was more flexed in the centre of the bearing phase on soft ground, than with the standard horseshoe. Heel-wedges did not lead to more flexion in both interphalangeal joints during the stance phase on firm ground. The wide-toe shoe led to an increased extension in the coffin joint only during landing on soft ground. The side-wedge induced an increased abduction and flexion in the pastern joint, while the coffin joint showed no difference compared with the standard horseshoe. During landing no instability could be observed with the side-wedge shoe. With the wide-branch shoe only the pastern joint showed more abduction. Conclusions: Biplanar high-speed fluoroscopic kinematography facilitates precise and non-invasive evaluation of bone movements and allows visualization of the effects of horseshoe modifications on the moving distal limb of the horse. All horseshoe modifications affect the interphalangeal joints, although several previous assumptions could not be confirmed. Additionally, ground conditions play a major role in the applicability of those modifications. The individuality of the ponies influenced the results significantly in every examined situation. Many horseshoe modifications showed their influence especially in the pastern joint. It is assumed that the pastern joint plays a much more important role in the compensation of altered footing than previously believed. Simultaneously, the hoof capsule seems to have enormous compensatory capabilities due to its flexibility. There is a need for more studies on the biomechanics of the equine distal limb, the influence of horseshoe modifications and their applicability on different ground conditions.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Die distale Gliedmaße des Pferdes 3 2.1.1 Anatomische Grundlagen 3 2.1.2 Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 9 2.2 Der Hufbeschlag 12 2.2.1 Grundlagen 12 2.2.2 Anwendung von Beschlagmodifikationen zur Behandlung von orthopädischen Erkrankungen der distalen Pferdegliedmaße und wissenschaftliche Evidenz dafür 15 2.2.3 Anwendung und wissenschaftliche Evidenz für die Effekte ausgewählter Beschlagmodifikationen 18 2.3 Untersuchungsverfahren und Bewegungsanalysen zur Evaluierung von Beschlägen bei Pferden 25 2.3.1 Röntgenologische Darstellung der distalen Pferdegliedmaße 25 2.3.2 Kinematische Messungen 27 2.3.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 28 2.4 Hypothesen 34 3 Tiere, Material und Methoden 35 3.1 Tiere 35 3.1.1 Pferde 35 3.2 Untersuchungsmaterial 36 3.2.1 Hufeisen 36 3.2.2 Hufzubereitung und Beschlag 36 3.3 Untersuchungsaufbau und Erstellung der Aufnahmen 37 3.3.1 Computertomographie 37 3.3.2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 37 3.4 Auswertung der Aufnahmen 40 3.4.1 Erstellung von Knochenmodellen anhand computertomographischer Aufnahmen 40 3.4.2 Videobearbeitung 40 3.4.3 Bildbearbeitung 40 3.4.4 Entzerrung der Aufnahmen 41 3.4.5 Kalibration der Kameraanordnung 42 3.4.6 Animation der Knochenmodelle anhand der Röntgenaufnahmen 42 3.4.7 Achsen- und Winkelberechnung 46 3.5 Analysierte Parameter 48 4 Untersuchungsergebnisse 49 4.1 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographische Aufnahmen 49 4.2 Bewegungsumfang (Range of Motion, ROM) und Winkel der Zehengelenke barhuf 51 4.2.1 Fester Boden 51 4.2.2 Weicher Boden 53 4.2.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 55 4.3 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke mit Standardhufeisen im Vergleich zu den Barhufaufnahmen 58 4.3.1 Fester Boden 58 4.3.2 Weicher Boden 60 4.3.3 Vergleich der Bewegung mit einem Standardbeschlag zwischen festem und weichem Boden 61 4.4 Bewegungsspielraum und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Eiereisen im Vergleich zum Standardhufeisen 64 4.4.1 Fester Boden 64 4.4.2 Weicher Boden 65 4.4.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 67 4.5 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke beschlagen mit dem zehenoffenen Eisen im Vergleich zum Standardhufeisen 70 4.5.1 Fester Boden 70 4.5.2 Weicher Boden 71 4.5.3 Vergleich zwischen festem und weichem Boden 73 4.6 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Trachtenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 76 4.6.1 Fester Boden 76 4.7 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Seitenkeileisen im Vergleich zum Standardhufeisen 77 4.7.1 Fester Boden 77 4.8 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit dem Eisen mit verbreiterter Zehe im Vergleich zum Standardhufeisen 81 4.8.1 Weicher Boden 81 4.9 Bewegungsumfang und Winkel der Zehengelenke bei Beschlag mit einem Breitschenkeleisen im Vergleich zum Standardhufeisen 83 4.9.1 Weicher Boden 83 5 Diskussion 86 5.1 Methoden 86 5.1.1 Tiermaterial 86 5.1.2 Hufzubereitung und Beschlag 86 5.1.3 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie 87 5.1.4 Simulation verschiedener Bodenbeschaffenheiten 88 5.1.5 Erstellung von Knochenmodellen 88 5.1.6 Bildbearbeitung 88 5.1.7 Animation der Knochenmodelle 89 5.1.8 Koordinatensysteme 90 5.2 Diskussion der Untersuchungsergebnisse 91 5.2.1 Bewegungsumfänge der Interphalangealgelenke 91 5.2.2 Bewegungsmuster der Interphalangealgelenke im Schritt 92 5.2.3 Einfluss des Standardbeschlags auf die Interphalangealgelenke 96 5.2.4 Einfluss spezifischer Beschlagmodifikationen auf die Interphalangealgelenke 97 5.3 Ausblick 109 6 Zusammenfassung 110 7 Summary 112 8 Literaturverzeichnis 114 9 Anhang 124 Danksagung 221

Einleitung: Lahmheiten ausgehend von der distalen Gliedmaße sind die häufigste Ursache für Leistungsminderung und frühes Ausscheiden von Pferden aus ihrer Nutzung. Genaue Kenntnisse über die Orientierung der Phalangen im Raum und innerhalb der verschiedenen Bewegungsphasen sind von entscheidender Bedeutung für Prävention und Therapie orthopädischer Erkrankungen. Eine neue Möglichkeit der dreidimensionalen Bewegungsanalyse von Knochen ist die biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenzkinematographie, die die hoch präzise dreidimensionale Rekonstruktion der Knochen und ihrer Positionsveränderungen in Bewegung erlaubt. Es existiert eine invasive Variante dieser Methode, die markerbasierte Rekonstruktionstechnik. Diese Variante ist validiert und gilt als Goldstandard. Alternativ kann die Rekonstruktion ohne vorherige Markerimplantation, also nichtinvasiv, durch ein softwaregestütztes (Autoscoping (AS)) oder manuelles (Scientific Rotoscoping (SR)) Verfahren erfolgen. Die beiden zuletzt genannten Verfahren sind aufgrund der nicht vorhandenen Invasivität vorzuziehen, da sie den physiologischen Bewegungsablauf des Tieres nicht beeinflussen. Es gibt jedoch keine Angaben zu ihrer Genauigkeit für die Anwendung an der distalen Gliedmaße des Pferdes. Ziele der Untersuchungen: Diese Studie widmete sich daher der Untersuchung der Genauigkeit nichtinvasiver Rekonstruktionsverfahren von hochfrequenz-fluoreszenzkinematographischen Aufnahmen der Phalangen des Pferdes im Vergleich zum Goldstandard. Außerdem war von Interesse, ob das Filtern der Bewegungsdaten einen signifikanten Unterschied erbringt. Material und Methoden: Für die Phalanges proximales (PP), mediae (PM) und distales (PD) von fünf isolierten, distalen Gliedmaßen von Schlachtponys wurde biplanare Hochfrequenz Fluoreszenzkinematographie durchgeführt. Die fünf Beine wurden unter Simulation eines Schrittes jeweils manuell im Aufnahmefenster bewegt. Für die so entstandenen drei Animationen je Bein, jeweils basierend auf der markerbasierten und den beiden nichtinvasiven Techniken (AS, SR), wurden von jeder Phalanx die Bewegungen in sechs Freiheitsgraden (drei Translationen und drei Rotationen) bestimmt. Darüber hinaus wurden die so gewonnenen Koordinaten für alle drei Techniken zusätzlich mit einem low pass Butterworth Filter fünfter Ordnung bei 20 Hz gefiltert. Die nachfolgenden Berechnungen erfolgten analog sowohl für ungefilterte als auch für gefilterte Daten in R (Version 3.2.3, R Foundation for Statistical Computing, Wien, Österreich). Um die Genauigkeit von AS und SR im Vergleich zum Goldstandard zu bestimmen, wurden jeweils die Differenzen zwischen AS bzw. SR und markerbasierter Technik berechnet. So ergaben sich für PP 2859 auswertbare Einzelwerte pro räumlicher Kategorie (drei Translationen, drei Rotationen und zwei euklidische Werte), für PM waren es 3341 und für PD 3417. Von diesen Datensätzen wurden jeweils Mittelwert und Standardabweichung, sowie Perzentile berechnet. Die Datensätze wurden mittels Shapiro Wilk Test (p<0,05) auf Normalverteilung geprüft. Anschließend wurde mittels Wilcoxon Rangsummen Test für eine Stichprobe (p<0,05) in jeder räumlichen Kategorie auf statistische Ähnlichkeit zwischen Animationen mit AS bzw. SR und markerbasierten Animationen getestet. Für den Abgleich von AS und SR wurden die Stichproben jeweils mit Mann Whitney U Test (p<0,05) verglichen. Abschließend wurden die korrespondierenden Stichproben aus den ungefilterten und gefilterten Datensätzen mittels Mann Whitney U Test (p<0,05) auf die Signifikanz ihrer Übereinstimmung hin untersucht. Ergebnisse: Der p Wert des Shapiro Wilk Tests aller Datensätze war 0,00, die Daten folgten also keiner Normalverteilung. Animationen aus AS und SR wichen in allen acht räumlichen Kategorien signifikant von der markerbasierten Technik ab. Der Vergleich der Mediane und Mittelwerte zeigte, dass weder AS noch SR in allen räumlichen Kategorien kleinere Abweichungen erreichte, als die jeweils andere Technik. Vielmehr ergab SR für PP und PM häufiger den kleineren Fehler, während AS für PD häufiger den geringeren Fehler erzielte. Der statistische Unterschied zwischen AS und SR war mit wenigen Ausnahmen (Translation: PP in Y ungefiltert; Rotation: PP in Y, PM in Z) signifikant. Der Vergleich gefilterter und ungefilterter Datensätze war mit sechs Ausnahmen (Translation: SR von PP in Y, Z, euklidisch und AS von PD in Y; Rotation: AS von PP und PD in Z) nicht signifikant. Schlussfolgerungen: Die Rekonstruktion der simulierten Fußungsbewegung der Phalangen der distalen Gliedmaße des Pferdes mittels nichtinvasiver biplanarer Hochfrequenz Fluoreszenzkinematographie ist möglich. Beide nichtinvasive Techniken, AS und SR, unterscheiden sich dabei aber signifikant vom Goldstandard. Dennoch sind sie, wo die Anforderungen an die Genauigkeit es zulässt, der markerbasierten, invasiven Technik vorzuziehen. Der Vergleich zwischen SR und AS erbrachte keinen eindeutigen Unterschied in Bezug auf die Genauigkeit für alle drei Phalangen. Wo dies machbar ist, sollte SR für PP und PM und AS für PD verwendet werden. Soll nur eine Technik angewandt werden, ist SR vorzuziehen. Das in der Bewegungsanalyse übliche Filtern der Daten zur Reduktion von Rauschen erbrachte in dieser Studie meist keine signifikante Verbesserung.

As we navigate the world, for example when driving a car from our home to the work place, we continuously perceive the 3D structure of our surroundings and intuitively recognise the objects we see. Such capabilities help us in our everyday lives and enable free and accurate movement even in completely unfamiliar places. We largely take these abilities for granted, but for robots, the task of understanding large outdoor scenes remains extremely challenging. In this thesis, I develop novel algorithms for (near) real-time dense 3D reconstruction and semantic segmentation of large-scale outdoor scenes from passive cameras. Motivated by "smart glasses" for partially sighted users, I show how such modeling can be integrated into an interactive augmented reality system which puts the user in the loop and allows her to physically interact with the world to learn personalized semantically segmented dense 3D models. In the next part, I show how sparse but very accurate 3D measurements can be incorporated directly into the dense depth estimation process and propose a probabilistic model for incremental dense scene reconstruction. To relax the assumption of a stereo camera, I address dense 3D reconstruction in its monocular form and show how the local model can be improved by joint optimization over depth and pose. The world around us is not stationary. However, reconstructing dynamically moving and potentially non-rigidly deforming texture-less objects typically require "contour correspondences" for shape-from-silhouettes. Hence, I propose a video segmentation model which encodes a single object instance as a closed curve, maintains correspondences across time and provide very accurate segmentation close to object boundaries. Finally, instead of evaluating the performance in an isolated setup (IoU scores) which does not measure the impact on decision-making, I show how semantic 3D reconstruction can be incorporated into standard Deep Q-learning to improve decision-making of agents navigating complex 3D environments.

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