Mannheim, Univ., Diss., 2002.

Mannheim, Univ., Diss., 2005.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Paderborn, Universiẗat, Diss., 1995.

München, Techn. Univ., Diss., 2000.

Object six Degrees of Freedom (6DOF) pose estimation is a fundamental problem in many practical robotic applications, where the target or an obstacle with a simple or complex shape can move fast in cluttered environments. In this thesis, a 6DOF pose estimation algorithm is developed based on the fused data from a time-of-flight camera and a color camera. The algorithm is divided into two stages, an annealed particle filter based coarse pose estimation stage and a gradient decent based accurate pose optimization stage. In the first stage, each particle is evaluated with sparse representation. In this stage, the large inter-frame motion of the target can be well handled. In the second stage, the range data based conventional Iterative Closest Point is extended by incorporating the target appearance information and used for calculating the accurate pose by refining the coarse estimate from the first stage. For dealing with significant illumination variations during the tracking, spherical harmonic illumination modeling is investigated and integrated into both stages. The robustness and accuracy of the proposed algorithm are demonstrated through experiments on various objects in both indoor and outdoor environments. Moreover, real-time performance can be achieved with graphics processing unit acceleration. / Die 6DOF Posenschätzung von Objekten ist ein fundamentales Problem in vielen praktischen Robotikanwendungen, bei denen sich ein Ziel- oder Hindernisobjekt, einfacher oder komplexer Form, schnell in einer unstrukturierten schwierigen Umgebung bewegt. In dieser Forschungsarbeit wird zur Lösung des Problem ein 6DOF Posenschätzer entwickelt, der auf der Fusion von Daten einer Time-of-Flight-Kamera und einer Farbkamera beruht. Der Algorithmus ist in zwei Phasen unterteilt, ein Annealed Partikel-Filter bestimmt eine grobe Posenschätzung, welche mittels eines Gradientenverfahrens in einer zweiten Phase optimiert wird. In der ersten Phase wird jeder Partikel mittels sparse represenation ausgewertet, auf diese Weise kann eine große Inter-Frame-Bewegung des Zielobjektes gut behandelt werden. In der zweiten Phase wird die genaue Pose des Zielobjektes mittels des konventionellen, auf Entfernungsdaten beruhenden, Iterative Closest Point-Algorithmus aus der groben Schätzung der ersten Stufe berechnet. Der Algorithmus wurde dabei erweitert, so dass auch Informationen über das äußere Erscheinungsbild des Zielobjektes verwendet werden. Zur Kompensation von signifikanten Beleuchtungsschwankungen während des Trackings, wurde eine Modellierung der Ausleuchtung mittels Kugelflächenfunktionen erforscht und in beide Stufen der Posenschätzung integriert. Die Leistungsfähigkeit, Robustheit und Genauigkeit des entwickelten Algorithmus wurde in Experimenten im Innen- und Außenbereich mit verschiedenen Zielobjekten gezeigt. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Schätzung mit Hilfe von Grafikprozessoren in Echtzeit möglich ist.

Wirbeltiere sind in der Lage, die Brechkraft ihres optischen Systems dynamisch so anzupassen, dass Objekte aus verschiedenen Entfernungen fokussiert auf der Netzhaut abgebildet werden. Diese Fähigkeit bezeichnet man als Akkommodation. Je nach Lebensraum und visuellem Anspruch haben sich evolutionär sehr unterschiedliche Akkommodationsmechanismen entwickelt. Die größten Unterschiede ergeben sich aufgrund der verschiedenen Umgebungsmedien zwischen terrestrischen, aquatischen und amphibisch lebenden Wirbeltieren. Die grundlegende Funktionsweise der Mechanismen ist qualitativ bekannt, jedoch liegen detaillierte Untersuchungen, wie sich die optischen Komponenten und die Abbildungsqualität während der Akkommodation verändern, nur zum menschlichen Auge vor. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels der Methode des Optikdesigns, ein naturnahes Augenmodell eines aquatischen (Goldfisch) und amphibisch lebenden Wirbeltieres (Kappensäger) modelliert und simuliert, welches die quantitative Untersuchung des jeweiligen Akkommodationsmechanismus ermöglicht. Durch die Modelle konnten neue Erkenntnisse zum Akkommodationsvermögen aquatischer und amphibisch lebender Wirbeltiere gewonnen werden. Die bereits bestehenden Kenntnisse zur Akkommodation und Abbildungsqualität konnten auf Plausibilität geprüft werden. Weiterhin erlauben die Augenmodelle einen detaillierten Einblick, wie sich die geometrisch optischen Parameter sowie die theoretische Abbildungsqualität während der Akkommodation verändern. Zudem wird sichtbar, welchen Einfluss die einzelnen Parameter haben und wie sie voneinander abhängen.:Abkürzungsverzeichnis III 1 Einführung . . . . . . . . . 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . 2 1.2 Grundlagen zur Akkommodation . . . . . . . . . 4 1.3 Anatomische und physiologische Besonderheiten der Akkommodation bei verschiedenen Wirbeltieraugen . . . . . . . . . 7 1.4 Optikdesign . . . . . . . . . 13 1.5 Aufgaben- und Zielstellung . . . . . . . . . 17 2 Publikationsmanuskripte . . . . . . . . . 19 2.1 Comprehensive optical design model of the goldfish eye and quantitative simulation of the consequences on the accommodation mechanism . . . . . . . . . 19 2.2 Amphibious vision - Optical design model of the hooded merganser eye . . . . . . . . . 27 3 Zusammenfassung . . . . . . . . . 39 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . 50 Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . 51 Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . 53 4 Anhang . . . . . . . . . 55 4.1 Daten zum Liou-Brennan-Augenmodell . . . . . . . . . 55 Selbständigkeitserklärung . . . . . . . . . 61 Publikationen . . . . . . . . . 63 Danksagung . . . . . . . . . 65

Zugl.: Freiburg (Breisgau), Univ., Diss., 2005

Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2007

Eidgenössisch Technische Hochschule Lausanne, Diss., 2008.