Das Gedächtnis speichert nicht nur Informationen, sondern mitunter auch die Umstände, in denen diese Informationen erworben wurden, sogenannte Kontextinformationen. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, anhand von Laboraufgaben und anhand einer komplexen sporttechnischen Fertigkeit den Einblick in die Wirkweise von Kontextinformationen im motorischen Bereich zu vertiefen und theoretische Modelle zu prüfen. In zwei Experimenten wurde zunächst der Frage nachgegangen, ob in-zidentelle Kontextinformation eine diskriminative Funktion einnehmen und den Abruf zweier ähnlicher Sequenzen erleichtern kann. Es wurde ein Ausbleiben der Interferenz-Effekte aufgrund der inzidentellen Kontextinformationen vermutet. Beide Experimente erfolgten im Labor im Design des Interferenzparadigmas. In Laborexperiment 1 (N = 30) lernten die Probanden der Experimentalgruppen an zwei aufeinanderfolgenden Tagen je eine dynamische Bewegungssequenz. Die Probanden der Kontrollgruppen lernten entweder nur die erste Sequenz (KG1) oder nur die zweite (KG2). Für alle Probanden waren die Sequenzen jeweils mit einer Kontextinformation verknüpft. An Tag 3 wurden Retentions- und Transfertests durchgeführt. Durch inzidentelle Kontextinformation alleine konnte keine Kontextabhängigkeit erzielt und retroaktive Interferenzeffekte nicht verhindert werden. In Laborexperiment II (N = 20) stellte sich für die zweite Bewegungssequenz durch zusätzlich erzeugte Intention eine höhere Wiedererkennungsleistung sowie Kontextabhängigkeit ein, dennoch wiesen die Probanden retroaktive Interferenzeffekte auf. Zusätzlich trat proaktive Interferenz auf (Experiment II). Zum anderen ermöglichte es eine umfangreiche Regeländerung im Basketball, eine mögliche Kontextabhängigkeit in einer komplexen sporttech-nischen Fertigkeit zu untersuchen. Im daraus entwickelten Feldexperiment mit N = 20 Basketballern mit hoher Expertise zum 3-Punkte-Wurf konnte gezeigt werden, dass Bodenmarkierungen als inzidentelle Kontextinformationen zu begreifen sind und Einfluss auf die Leistung haben. Die Ergebnisse der Arbeit werden in Beziehung zu aktuellen Ergebnissen der Literatur sowie in Bezug auf das perception-control-Modell von Glover (2004) und dem MOSAIC-Modell von Wolpert und Kawato (1998) diskutiert. Praktische Ableitungen werden dargestellt. / Our memory not only stores information that seem important to us but also circumstances, surroundings where information are gathered – so called contextual information. The present work therefore aims to sharpen the understanding of the mechanisms underpinning this phenomenon in the field of motor learning and to investigate different theoretical models by two experiments with sequence learning tasks and additionally by a complex sports skill. Two experiments were conducted to investigate any discriminative character of incidental context information which would facilitate the recall of two similar movement sequences. An absence of interference-effects was hypothesized. Both experiments took place in accordance with a pro-/retroactive interference design. In experiment 1 (N = 30) subjects of the experimental group (EG) learned two dynamic sequences (S1 and S2) on two successive days while members of the control groups only learned either S1 or S2. Incidental Context information was provided by different background colors. On day 3 retention and transfertests were conducted for all groups. Results showed that incidental Context information alone could not avoid retroactive interference effect (Experiment 1). Directing participants’ attention towards the incidental contexts (Experiment 2) resulted in higher recognition performance and context dependency. Nevertheless, retroactive interference effects were found. Surprisingly, participants of the EG additionally showed proactive interference effects. A substantial change in Basketball rules provided the chance to systematically study the influence of visual context information on complex motor skill. In the first step of this experiment twenty Basketball players took 3-point-shots from the old distance. In a second step these experts took 3-points shots from the new, greater distance with either the old floor-markings or the new floor-markings. Results of this experiment show that floor markings do serve as incidental context information and do influence athlete’s performance. The Results of the present work are discussed in reference to other studies and two models, namely Glover’s perception-control-model (2004) and the MOSAIC-modell from Wolpert and Kawato (1998).

Superpixels are the results of an image oversegmentation. They are an established intermediate level image representation and used for various applications including object detection, 3d reconstruction and semantic segmentation. While there are various approaches to create such segmentations, there is a lack of knowledge about their properties. In particular, there are contradicting results published in the literature. This thesis identifies segmentation quality, stability, compactness and runtime to be important properties of superpixel segmentation algorithms. While for some of these properties there are established evaluation methodologies available, this is not the case for segmentation stability and compactness. Therefore, this thesis presents two novel metrics for their evaluation based on ground truth optical flow. These two metrics are used together with other novel and existing measures to create a standardized benchmark for superpixel algorithms. This benchmark is used for extensive comparison of available algorithms. The evaluation results motivate two novel segmentation algorithms that better balance trade-offs of existing algorithms: The proposed Preemptive SLIC algorithm incorporates a local preemption criterion in the established SLIC algorithm and saves about 80 % of the runtime. The proposed Compact Watershed algorithm combines Seeded Watershed segmentation with compactness constraints to create regularly shaped, compact superpixels at the even higher speed of the plain watershed transformation. Operating autonomous systems over the course of days, weeks or months, based on visual navigation, requires repeated recognition of places despite severe appearance changes as they are for example induced by illumination changes, day-night cycles, changing weather or seasons - a severe problem for existing methods. Therefore, the second part of this thesis presents two novel approaches that incorporate superpixel segmentations in place recognition in changing environments. The first novel approach is the learning of systematic appearance changes. Instead of matching images between, for example, summer and winter directly, an additional prediction step is proposed. Based on superpixel vocabularies, a predicted image is generated that shows, how the summer scene could look like in winter or vice versa. The presented results show that, if certain assumptions on the appearance changes and the available training data are met, existing holistic place recognition approaches can benefit from this additional prediction step. Holistic approaches to place recognition are known to fail in presence of viewpoint changes. Therefore, this thesis presents a new place recognition system based on local landmarks and Star-Hough. Star-Hough is a novel approach to incorporate the spatial arrangement of local image features in the computation of image similarities. It is based on star graph models and Hough voting and particularly suited for local features with low spatial precision and high outlier rates as they are expected in the presence of appearance changes. The novel landmarks are a combination of local region detectors and descriptors based on convolutional neural networks. This thesis presents and evaluates several new approaches to incorporate superpixel segmentations in local region detection. While the proposed system can be used with different types of local regions, in particular the combination with regions obtained from the novel multiscale superpixel grid shows to perform superior to the state of the art methods - a promising basis for practical applications.

Das Gedächtnis speichert nicht nur Informationen, sondern mitunter auch die Umstände, in denen diese Informationen erworben wurden, sogenannte Kontextinformationen. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, anhand von Laboraufgaben und anhand einer komplexen sporttechnischen Fertigkeit den Einblick in die Wirkweise von Kontextinformationen im motorischen Bereich zu vertiefen und theoretische Modelle zu prüfen. In zwei Experimenten wurde zunächst der Frage nachgegangen, ob in-zidentelle Kontextinformation eine diskriminative Funktion einnehmen und den Abruf zweier ähnlicher Sequenzen erleichtern kann. Es wurde ein Ausbleiben der Interferenz-Effekte aufgrund der inzidentellen Kontextinformationen vermutet. Beide Experimente erfolgten im Labor im Design des Interferenzparadigmas. In Laborexperiment 1 (N = 30) lernten die Probanden der Experimentalgruppen an zwei aufeinanderfolgenden Tagen je eine dynamische Bewegungssequenz. Die Probanden der Kontrollgruppen lernten entweder nur die erste Sequenz (KG1) oder nur die zweite (KG2). Für alle Probanden waren die Sequenzen jeweils mit einer Kontextinformation verknüpft. An Tag 3 wurden Retentions- und Transfertests durchgeführt. Durch inzidentelle Kontextinformation alleine konnte keine Kontextabhängigkeit erzielt und retroaktive Interferenzeffekte nicht verhindert werden. In Laborexperiment II (N = 20) stellte sich für die zweite Bewegungssequenz durch zusätzlich erzeugte Intention eine höhere Wiedererkennungsleistung sowie Kontextabhängigkeit ein, dennoch wiesen die Probanden retroaktive Interferenzeffekte auf. Zusätzlich trat proaktive Interferenz auf (Experiment II). Zum anderen ermöglichte es eine umfangreiche Regeländerung im Basketball, eine mögliche Kontextabhängigkeit in einer komplexen sporttech-nischen Fertigkeit zu untersuchen. Im daraus entwickelten Feldexperiment mit N = 20 Basketballern mit hoher Expertise zum 3-Punkte-Wurf konnte gezeigt werden, dass Bodenmarkierungen als inzidentelle Kontextinformationen zu begreifen sind und Einfluss auf die Leistung haben. Die Ergebnisse der Arbeit werden in Beziehung zu aktuellen Ergebnissen der Literatur sowie in Bezug auf das perception-control-Modell von Glover (2004) und dem MOSAIC-Modell von Wolpert und Kawato (1998) diskutiert. Praktische Ableitungen werden dargestellt.:Bibliographische Beschreibung und Referat Danksagung 1 KENNZEICHNUNG DES PROBLEMFELDES 1.1 Einleitung 2 KONTEXTABHÄNGIGKEIT VON LERNINHALTEN 2.1 Definition von Kontext 2.1.1 Unterschiede zum Paradigma des Contextual Interference 2.2 Kontextabhängigkeit im verbalen Lernen 2.3 Kontextabhängigkeit im motorischen Lernen 2.4 Modelle zu Wirkmechanismen des Kontextes 2.4.1 Das MOSAIC-Modell von Wolpert und Kawato 2.4.2 Das Planing-Control-Modell von Glover 2.4.3 Vergleich beider Modelle und Ableitung für die Untersuchungen 2.5 Forschungsfragen 3 LABOREXPERIMENT I 3.1 Hypothesen Laborexperiment I 3.2 Methode 3.2.1 Apparatur 3.2.2 Prozedur / Ablauf 3.2.3 Teilnehmer 3.3 Ergebnisse Laborexperiment I 3.3.1 Aneignung 3.3.2 Ergebnisse hinsichtlich der Retentions- und Transfertests 3.3.2.1 Kontexteffekte 3.3.2.2 Retro- und Proaktive Interferenzeffekte 3.3.2.3 Post-experimentelles Interview 3.4 Diskussion Laborexperiment I 3.5 Folgerungen aus Laborexperiment I 4 LABOREXPERIMENT II 4.1 Stärkung der Assoziation zwischen inzidentellem Kontextreiz und Bewegungsaufgabe 4.2 Reproduktion versus Wiedererkennen 4.3 Hypothesen Laborexperiment II 4.4 Methode 4.4.1 Apparatur 4.4.2 Prozedur / Ablauf 4.4.3 Teilnehmer 4.5 Ergebnisse Laborexperiment II 4.5.1 Aneignung 4.5.2 Ergebnisse hinsichtlich Retentions- und Transfertests 4.5.2.1 Kontext-/ Intentionseffekte 4.5.3 Retro- und Proaktive Interferenzeffekte 4.5.4 Einfluss auf Wiedererkennungsleistung 4.6 Diskussion Laborexperiment II 4.7 Übergreifende Diskussion der Laborexperimente 4.8 Diskussion der Modelle PCM und MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse aus den Laborexperimenten I und II 4.8.1 Einschätzung des MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse aus den Laborexperimenten I und II 4.8.2 Einschätzung des MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse aus den Laborexperimenten I und II 4.9 Zusammenfassung der Laborexperimente und Ausblick 5 FELDEXPERIMENT 5.1 Ausgangs-Situation 5.1.1 3-Punkte-Wurf sowie Einflussfaktoren der Leistung 5.2 Hypothese 5.3 Methodik 5.4 Teilnehmer 5.4.1 Experimenteller Aufbau und Design 5.4.2 Ablauf 5.4.3 Datenerfassung und statistische Analysen 5.5 Ergebnisse Feldexperiment 5.5.1 Trefferquote 5.5.2 Wurftendenz 5.5.3 Wurftendenz im Verlauf 5.6 Diskussion Feldexperiment 5.7 Diskussion der Ergebnisse des Feldexperiments im Hinblick auf die Modelle PCM und MOSAIC 5.7.1 Einschätzung des PCM aufgrund des Feldexperiments 5.7.2 Einschätzung des MOSAIC-Modells aufgrund des Feldexperiments 6 ÜBERGREIFENDE DISKUSSION DER EIGENEN UNTERSUCHUNGEN 6.1 Generelle Diskussion der Ergebnisse der Arbeit und Ausblick 6.2 Einschätzung der Modelle PCM und MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse der eigenen Arbeit 6.2.1 Einschätzung des PCM auf Grundlage der vorgelegten Ergebnisse 6.2.2 Einschätzung des MOSAIC-Modells auf Grundlage der vorgelegten Ergebnisse 6.2.3 Fazit bezüglich beider Modelle 7 ZUSAMMENFASSUNG LITERATURVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABILDUNGSVERZEICHNIS ANHANGSVERZEICHNIS ANHANG A ANHANG B ANHANG C ANHANG D / Our memory not only stores information that seem important to us but also circumstances, surroundings where information are gathered – so called contextual information. The present work therefore aims to sharpen the understanding of the mechanisms underpinning this phenomenon in the field of motor learning and to investigate different theoretical models by two experiments with sequence learning tasks and additionally by a complex sports skill. Two experiments were conducted to investigate any discriminative character of incidental context information which would facilitate the recall of two similar movement sequences. An absence of interference-effects was hypothesized. Both experiments took place in accordance with a pro-/retroactive interference design. In experiment 1 (N = 30) subjects of the experimental group (EG) learned two dynamic sequences (S1 and S2) on two successive days while members of the control groups only learned either S1 or S2. Incidental Context information was provided by different background colors. On day 3 retention and transfertests were conducted for all groups. Results showed that incidental Context information alone could not avoid retroactive interference effect (Experiment 1). Directing participants’ attention towards the incidental contexts (Experiment 2) resulted in higher recognition performance and context dependency. Nevertheless, retroactive interference effects were found. Surprisingly, participants of the EG additionally showed proactive interference effects. A substantial change in Basketball rules provided the chance to systematically study the influence of visual context information on complex motor skill. In the first step of this experiment twenty Basketball players took 3-point-shots from the old distance. In a second step these experts took 3-points shots from the new, greater distance with either the old floor-markings or the new floor-markings. Results of this experiment show that floor markings do serve as incidental context information and do influence athlete’s performance. The Results of the present work are discussed in reference to other studies and two models, namely Glover’s perception-control-model (2004) and the MOSAIC-modell from Wolpert and Kawato (1998).:Bibliographische Beschreibung und Referat Danksagung 1 KENNZEICHNUNG DES PROBLEMFELDES 1.1 Einleitung 2 KONTEXTABHÄNGIGKEIT VON LERNINHALTEN 2.1 Definition von Kontext 2.1.1 Unterschiede zum Paradigma des Contextual Interference 2.2 Kontextabhängigkeit im verbalen Lernen 2.3 Kontextabhängigkeit im motorischen Lernen 2.4 Modelle zu Wirkmechanismen des Kontextes 2.4.1 Das MOSAIC-Modell von Wolpert und Kawato 2.4.2 Das Planing-Control-Modell von Glover 2.4.3 Vergleich beider Modelle und Ableitung für die Untersuchungen 2.5 Forschungsfragen 3 LABOREXPERIMENT I 3.1 Hypothesen Laborexperiment I 3.2 Methode 3.2.1 Apparatur 3.2.2 Prozedur / Ablauf 3.2.3 Teilnehmer 3.3 Ergebnisse Laborexperiment I 3.3.1 Aneignung 3.3.2 Ergebnisse hinsichtlich der Retentions- und Transfertests 3.3.2.1 Kontexteffekte 3.3.2.2 Retro- und Proaktive Interferenzeffekte 3.3.2.3 Post-experimentelles Interview 3.4 Diskussion Laborexperiment I 3.5 Folgerungen aus Laborexperiment I 4 LABOREXPERIMENT II 4.1 Stärkung der Assoziation zwischen inzidentellem Kontextreiz und Bewegungsaufgabe 4.2 Reproduktion versus Wiedererkennen 4.3 Hypothesen Laborexperiment II 4.4 Methode 4.4.1 Apparatur 4.4.2 Prozedur / Ablauf 4.4.3 Teilnehmer 4.5 Ergebnisse Laborexperiment II 4.5.1 Aneignung 4.5.2 Ergebnisse hinsichtlich Retentions- und Transfertests 4.5.2.1 Kontext-/ Intentionseffekte 4.5.3 Retro- und Proaktive Interferenzeffekte 4.5.4 Einfluss auf Wiedererkennungsleistung 4.6 Diskussion Laborexperiment II 4.7 Übergreifende Diskussion der Laborexperimente 4.8 Diskussion der Modelle PCM und MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse aus den Laborexperimenten I und II 4.8.1 Einschätzung des MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse aus den Laborexperimenten I und II 4.8.2 Einschätzung des MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse aus den Laborexperimenten I und II 4.9 Zusammenfassung der Laborexperimente und Ausblick 5 FELDEXPERIMENT 5.1 Ausgangs-Situation 5.1.1 3-Punkte-Wurf sowie Einflussfaktoren der Leistung 5.2 Hypothese 5.3 Methodik 5.4 Teilnehmer 5.4.1 Experimenteller Aufbau und Design 5.4.2 Ablauf 5.4.3 Datenerfassung und statistische Analysen 5.5 Ergebnisse Feldexperiment 5.5.1 Trefferquote 5.5.2 Wurftendenz 5.5.3 Wurftendenz im Verlauf 5.6 Diskussion Feldexperiment 5.7 Diskussion der Ergebnisse des Feldexperiments im Hinblick auf die Modelle PCM und MOSAIC 5.7.1 Einschätzung des PCM aufgrund des Feldexperiments 5.7.2 Einschätzung des MOSAIC-Modells aufgrund des Feldexperiments 6 ÜBERGREIFENDE DISKUSSION DER EIGENEN UNTERSUCHUNGEN 6.1 Generelle Diskussion der Ergebnisse der Arbeit und Ausblick 6.2 Einschätzung der Modelle PCM und MOSAIC auf Grundlage der Ergebnisse der eigenen Arbeit 6.2.1 Einschätzung des PCM auf Grundlage der vorgelegten Ergebnisse 6.2.2 Einschätzung des MOSAIC-Modells auf Grundlage der vorgelegten Ergebnisse 6.2.3 Fazit bezüglich beider Modelle 7 ZUSAMMENFASSUNG LITERATURVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABILDUNGSVERZEICHNIS ANHANGSVERZEICHNIS ANHANG A ANHANG B ANHANG C ANHANG D

Superpixels are the results of an image oversegmentation. They are an established intermediate level image representation and used for various applications including object detection, 3d reconstruction and semantic segmentation. While there are various approaches to create such segmentations, there is a lack of knowledge about their properties. In particular, there are contradicting results published in the literature. This thesis identifies segmentation quality, stability, compactness and runtime to be important properties of superpixel segmentation algorithms. While for some of these properties there are established evaluation methodologies available, this is not the case for segmentation stability and compactness. Therefore, this thesis presents two novel metrics for their evaluation based on ground truth optical flow. These two metrics are used together with other novel and existing measures to create a standardized benchmark for superpixel algorithms. This benchmark is used for extensive comparison of available algorithms. The evaluation results motivate two novel segmentation algorithms that better balance trade-offs of existing algorithms: The proposed Preemptive SLIC algorithm incorporates a local preemption criterion in the established SLIC algorithm and saves about 80 % of the runtime. The proposed Compact Watershed algorithm combines Seeded Watershed segmentation with compactness constraints to create regularly shaped, compact superpixels at the even higher speed of the plain watershed transformation. Operating autonomous systems over the course of days, weeks or months, based on visual navigation, requires repeated recognition of places despite severe appearance changes as they are for example induced by illumination changes, day-night cycles, changing weather or seasons - a severe problem for existing methods. Therefore, the second part of this thesis presents two novel approaches that incorporate superpixel segmentations in place recognition in changing environments. The first novel approach is the learning of systematic appearance changes. Instead of matching images between, for example, summer and winter directly, an additional prediction step is proposed. Based on superpixel vocabularies, a predicted image is generated that shows, how the summer scene could look like in winter or vice versa. The presented results show that, if certain assumptions on the appearance changes and the available training data are met, existing holistic place recognition approaches can benefit from this additional prediction step. Holistic approaches to place recognition are known to fail in presence of viewpoint changes. Therefore, this thesis presents a new place recognition system based on local landmarks and Star-Hough. Star-Hough is a novel approach to incorporate the spatial arrangement of local image features in the computation of image similarities. It is based on star graph models and Hough voting and particularly suited for local features with low spatial precision and high outlier rates as they are expected in the presence of appearance changes. The novel landmarks are a combination of local region detectors and descriptors based on convolutional neural networks. This thesis presents and evaluates several new approaches to incorporate superpixel segmentations in local region detection. While the proposed system can be used with different types of local regions, in particular the combination with regions obtained from the novel multiscale superpixel grid shows to perform superior to the state of the art methods - a promising basis for practical applications.

Visual place recognition is the task of finding same places in a set of database images for a given set of query images. This becomes particularly challenging for long-term applications when the environmental condition changes between or within the database and query set, e.g., from day to night. Visual place recognition in changing environments can be used if global position data like GPS is not available or very inaccurate, or for redundancy. It is required for tasks like loop closure detection in SLAM, candidate selection for global localization, or multi-robot/multi-session mapping and map merging. In contrast to pure image retrieval, visual place recognition can often build upon additional information and data for improvements in performance, runtime, or memory usage. This includes additional data-inherent knowledge about information that is contained in the image sets themselves because of the way they were recorded. Using data-inherent knowledge avoids the dependency on other sensors, which increases the generality of methods for an integration into many existing place recognition pipelines. This thesis focuses on the usage of additional data-inherent knowledge. After the discussion of basics about visual place recognition, the thesis gives a systematic overview of existing data-inherent knowledge and corresponding methods. Subsequently, the thesis concentrates on a deeper consideration and exploitation of four different types of additional data-inherent knowledge. This includes 1) sequences, i.e., the database and query set are recorded as spatio-temporal sequences so that consecutive images are also adjacent in the world, 2) knowledge of whether the environmental conditions within the database and query set are constant or continuously changing, 3) intra-database similarities between the database images, and 4) intra-query similarities between the query images. Except for sequences, all types have received only little attention in the literature so far. For the exploitation of knowledge about constant conditions within the database and query set (e.g., database: summer, query: winter), the thesis evaluates different descriptor standardization techniques. For the alternative scenario of continuous condition changes (e.g., database: sunny to rainy, query: sunny to cloudy), the thesis first investigates the qualitative and quantitative impact on the performance of image descriptors. It then proposes and evaluates four unsupervised learning methods, including our novel clustering-based descriptor standardization method K-STD and three PCA-based methods from the literature. To address the high computational effort of descriptor comparisons during place recognition, our novel method EPR for efficient place recognition is proposed. Given a query descriptor, EPR uses sequence information and intra-database similarities to identify nearly all matching descriptors in the database. For a structured combination of several sources of additional knowledge in a single graph, the thesis presents our novel graphical framework for place recognition. After the minimization of the graph's error with our proposed ICM-based optimization, the place recognition performance can be significantly improved. For an extensive experimental evaluation of all methods in this thesis and beyond, a benchmark for visual place recognition in changing environments is presented, which is composed of six datasets with thirty sequence combinations.