Dokument: Optimized surface extraction from holographic data

Titel:	Optimized surface extraction from holographic data
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3430
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20060627-001430-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Thelen, Andrea [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 15,44 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Schierbaum, Klaus [Gutachter]
Stichwörter:	Holographie, Gesichtsvermessung, Fokusdetektion, Kontrastmaximierung, Oberflächenextraktion, Fokusserie, 3D- Vermessung, Digitalisierung, Rauschreduktion, Mund- Kiefer- Gesichtschirurgieholography, facial measurement, focus detection, contrast measurement, surface extraction, depth from focus, shape from focus, neighborhood size, noise reduction, maxillofacial surgery
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Für die Planung, Simulation und Dokumentation von Eingriffen in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie wird hochaufgelöste, dreidimensionale Information über die Gesichtsoberfläche des Patienten benötigt. Diese kann mittels holographischer Methoden mit extrem kurzen Aufnahmezeiten gewonnen werden, welche die Entstehung von Bewegungsartefakten verhindern. Das Hologramm wird mit einem einzigen Laserpuls von 35 ns Dauer aufgezeichnet und in einem lichtempfindlichen Material gespeichert. Nach einer automatisierten nass-chemischen Entwicklung wird das Hologramm mit Hilfe eines cw-Lasers optisch rekonstruiert. Das während der Rekonstruktion entstehende Lichtfeld, welches eine eins-zu-eins Abbildung des aufgezeichneten Gesichts darstellt, wird schnittbildweise digitalisiert. Digitale Bildverarbeitung überführt eine solche Schnittbildserie in ein dreidimensionales Computermodell. Neben der topometrischen Information wird ebenfalls eine hochaufgelöste, punktgenaue Textur erzeugt, welche zur Texturierung der Computermodelle verwendet wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kontrastbasierten Methoden zur Extraktion der dreidimensionalen Information aus den oben beschriebenen Schnittbildserien, ein Prozess der Oberflächenextraktion genannt wird. Es werden zwölf verschiedene mathematische Operatoren zur Kontrastmessung auf ihre Tauglichkeit für die holographische Gesichtsvermessung hin untersucht, unter anderem der neu entwickelte XSML-Operator, welcher die besten Ergebnisse erzielt. Neben der Wahl des Fokuskriteriums wird auch die Wahl der Größe der lokalen Pixelumgebung, welche für die Kontrastmessung verwendet wird, diskutiert. Wählt man eine feste Umgebungsgröße, stellt dies immer einen Kompromiss zwischen lateraler Auflösung und Robustheit gegenüber Rauschen dar. Ein adaptiver Ansatz, basierend auf einem neu entwickeltem Entscheidungskriterium, passt automatisch die Umgebungsgröße lokal an die Beschaffenheit der Daten an und ermöglicht somit eine optimale laterale Auflösung bei minimaler Benutzerinteraktion. Die Evaluierung der neu entwickelten Methoden wird qualitativ durch die Begutachtung der Resultate im Hinblick auf die holographische Rekonstruktion aufgezeichneter Gesichtsmodelle und quantitativ mit Hilfe simulierter Datensätze durchgeführt. Da Standardsimulationsmethoden aufgrund der nichtkonstanten Punktabbildungsfunktion der Holographie für diese nicht anwendbar sind, wird eine angepasste Simulationsstrategie entwickelt, welche bemerkenswerte Übereinstimmung mit realen Daten zeigt. Diese hat den zusätzlichen Vorteil, dass eine systematische Untersuchung der beeinflussenden Faktoren ermöglicht wird. Prinzipiell funktioniert der Prozess der Oberflächenextraktion durch axiales maximieren der Kontrastwerte. Vier weiterführende Methoden werden präsentiert, welche separat aber auch kombiniert anwendbar sind. Indem eine Gaußkurve an die zu maximierenden Punkte angepasst wird, können Artefakte eliminiert, Rauschen reduziert und vor allem kontinuierliche Oberflächenpunkte gefunden werden, die nicht auf die diskreten Digitalisierungspositionen beschränkt sind. Erstmalig wird eine Auflösung erreicht, die unter der Digitalisierungsschrittweite liegt, welches den gesamten Prozess effektiver macht. Typische Auflösungen für Gesichtesmodelle sind 0,25 mm bei einer Digitalisierungschrittweite von 0,5 mm. Eine andere Methode extrahiert die Oberfläche mit Hilfe eines speziellen Symmetriekriteriums and reduziert damit Artefakte ähnlich wie dies die Gaußanpassung tut, erzeugt jedoch nur diskrete Werte. Sie ist wertvoll, wenn eine schnelle, erste Schätzung der Oberfläche vonnöten ist. Die beiden folgenden Methoden arbeiten mit solch einer ersten Schätzung und verfeinern die Oberfläche in einem zweiten Schritt mittels unterschiedlicher Ansätze. Alle vier Methoden verbessern deutlich die Qualität der extrahierten Oberfläche. Kombiniert kann eine Qualität erreicht werden, welche weitgehend unabhängig vom Rauschanteil in den Daten ist, welches holographische Gesichtsvermessung in einem weiteren Spektrum von Anwendungen ermöglicht. Die präsentierten Weiterentwicklungen erhöhen enorm die Qualität der erzeugten Computermodelle. Einzelne Haare und Hautfalten, bislang nur sichtbar in der Textur, sind das erste Mal in den Modellen selbst ausgeprägt erkennbar. Es wird gezeigt, dass die erhöhte Robustheit gegen Rauschen hochqualitative Modelle ermöglicht, selbst wenn das Signal-zu-Rausch Verhältnis niedrig ist, wie beispielsweise bei Gesichtsmodellen von Personen mit dunkler Hautfarbe. Exemplarische Anwendungen holographischer Gesichtsmodelle werden diskutiert. Im medizinischen Bereich bietet die hohe Auflösung die Möglichkeit zur quantitativen Dokumentation und Analyse einer Facelifting Operation. Weiterhin wird die holographische Aufnahme der Schädelkalotte des Neandertalers für wissenschaftliche und Ausstellungszwecke präsentiert. Letztlich werden die Konzepte und erste Schritte für eine forensische Gesichtsrekonstruktion mit Hilfe holographischer Gesichtsmodelle dargelegt. Diese haben den enormen Vorteil, dass sie Weichteilvermessung über den gesamten Gesichtsbereich und nicht nur an ausgewählten anatomischen Punkten ermöglichen. Selbst letztere kann durch hochaufgelöste, holographische Gesichtsmodelle verbessert werden. For planning, simulation and documentation of interventions in maxillofacial surgery high resolved soft tissue information of the human face in upright position is needed. This information can be gained by holographic methods, which allow a recording of the whole face in an extremely short time period, so that no movement artifacts occur. The hologram is recorded with a single laser pulse of 35 ns duration and stored in a photosensitive material. After automated wet-chemical processing, the hologram is optically reconstructed with a cw-laser. During the optical reconstruction, a light field, which is a one-to-one three-dimensional representation of the recorded face, emerges at its original position and is digitized into a set of two-dimensional projections. Digital image processing merges these projections into a three-dimensional computer model. Besides the topometric information, a high resolved, pixel precise texture is also extracted from the holographic reconstruction and used for the texturing of the computer models. This thesis concentrates on contrast based methods for extracting the three-dimensional information from the described set of two-dimensional projections, a process called surface extraction. Twelve different mathematical operators for contrast measurement are evaluated with regard to their suitability for holographic facial measurement, amongst others the newly developed XSML operator, which performs best. Besides the choice of the focus criterion, also the local pixel neighborhood used for contrast measurement is investigated. Choosing a fixed neighborhood size one always has to compromise between achievable lateral resolution and robustness against noise. A multi-scale approach based on a novel decision criterion automatically adapts the neighbourhood size locally to the constitution of the data and enables an optimal lateral resolution with minimal user interaction. All evaluations of new methods are done qualitatively by appraising the results with regard to holographic reconstructions of recorded faces and quantitatively with the aid of simulated data sets. Since standard simulation methods do not work in holography due to the non-constance of the holographic point spread function, an adapted simulation strategy is developed, which shows remarkable accordance with the real data. The simulation holds the additional advantage of making a systematic investigation of influencing factors possible. In principle, the process of surface extraction is done by axially maximizing the contrast values. Four advanced methods are presented, which can be applied separately or in a combined way. By fitting a Gaussian curve to the points to be maximized, the influence of noise is reduced, artifacts are eliminated and in particular continuous surface values not restricted to the digitization positions are produced. It is the first time that such an approach is reported. With this the resolution of the models is higher than the digitization step size, which makes the whole procedure most effective. A typical resolution for facial models is 0.25 mm gained with a digitization step size of 0.5 mm. A different method extracts the surface with a special symmetry criterion and diminishes artifacts like the Gaussian fit does, but produces discrete values only. It is valuable if a quick, first estimate of the surface is required. The two following methods work with such a first estimate and refine the surface in a second step using different approaches. All four methods highly improve the quality of the extracted surface. Combined they achieve results almost independent from the noise content of the images, which makes holographic facial measurement applicable for a wider range of applications. The presented advancements improve the quality of the resulting computer models tremendously. Single hairs and wrinkles, earlier only visible in the texture, are for the first time pronounced in the extracted surface itself. It is demonstrated that the improved robustness against noise makes high quality models possible even if the signal-to-noise ratio is low, as it is the case for people with a dark skin color. Exemplary applications of holographic facial models are discussed. In the medical field, their high resolution enables a quantitative documentation and analysis of face-lifting surgery. Further on the holographic recording of the skull cap of the neanderthal man for scientific and exhibition purposes is presented. Finally the concepts and first steps of forensic facial reconstruction using holographic facial models are explained. They have the tremendous advantage of making soft tissue measurement for the whole facial area possible and not restricting it to anatomical landmarks. Even the soft tissue measurement at anatomical landmarks can be improved through high resolved, holographic facial models.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	27.06.2006
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	26.06.2006
Datum der Promotion:	26.06.2006