COMPUTER VISION

Vorwort									xiii
Symbole									xv

1	Einführung							1
1.1	Gestaltsrekonstruktion						2
1.1.1	Aufgabenstellung und Mittel zur Lösung				2
1.1.2	Die Grundaufgabe: Formal gesehen				6
1.1.3	Drei naheliegende Grenzen der Gestaltsrekonstruktion		7
1.1.3	Nutzung von zusätzlichem Wissen					10
1.2	Grauwert- und Farbbilder					11
1.2.1	Bildparameter und zwei Farbmodelle				12
1.2.2	Konversion zwischen den Farbmodellen				15
1.3	Kantenerkennung							19
1.3.1	Kanten in Grauwertbildern					20
1.3.2	Ein Kantenoperator: Laplacian-of-Gaussian			24
1.4	Ein Einführungsbeispiel - Statische Stereobildanalyse		28
1.4.1	Komplanare Stereobildgeometrie					29
1.4.2	Shirai-Algorithmus						32
1.5 	Literaturhinweise						37
1.6	Übungsaufgaben							38

2	Bildaufnahme							41
2.1	Geometrisches Kameramodell					41
2.1.1	Zentral- und Parallelprojektion					42
2.1.2	Einfaches Kameramodell mit Zentralprojektion			46
2.1.3	Kalibrierung durch direkte lineare Transformation		50
2.1.4	Kameramodell mit radialer Linsenverzerrung			53
2.1.5	Kalibrierung nach Tsai						58
2.2	Sensormodell							64
2.2.1	Kameratechnik für die Farbbildgenerierung			65
2.2.2 	Photometrisches Sensormodell					67
2.2.3 	Dämpfung, Kappung und Auseinanderlaufen heller Stellen		68
2.3	Photometrische und farbmetrische Kalibrierung			71
2.3.1	Nichtlinearitäten im Kameraverhalten				71
2.3.2	Messung der Kameralinearität					73
2.3.3	Weißabgleich und Schwarzwertbestimmung				75
2.3.4	Additive Farbmischung und Normfarbwerte				76
2.3.5	Kalibrierung in den Normfarbenraum				80
2.4	Literaturhinweise						83
2.5 	Übungsaufgaben							85

3	Geometrie von Objektoberflächen					87
3.1	Funktionale Darstellungen					87
3.1.1	Facetten und differenzierbare Funktionen			87
3.1.2	Normalen und Gradienten						92
3.1.3	Taylor-Reihenentwicklung					94
3.1.4	Kugel und Raumwinkel						96
3.2	Projektion und Rekonstruktion					100
3.2.1	Tiefenkarte, Höhenkarte und Gradientenkarte			100
3.2.2	Rückprojektion							104
3.2.3	Visualisierung von Gradientenkarten				105
3.3	Tiefenkarten aus Gradienten					108
3.3.1	Einfache Propagationsverfahren					108
3.3.2	Frankot-Chellappa-Algorithmus					112
3.4	Gradientenraum							119
3.4.1	Drei Koordinatensysteme						119
3.4.2	Eigenschaften des Gradientenraumes				123
3.5	Literaturhinweise						126
3.6	Übungsaufgaben							127

4	Statische Stereoanalyse						131
4.1	Geometrie eines Stereobildaufnahmesystems			132
4.2	Annahmen und Einschränkungen					136
4.2.1	Einschränkungen aufgrund der Lage der Epipolarlinien		137
4.2.2	Eindeutigkeit, Verträglichkeit und Ähnlichkeit			139
4.2.3	Kontinuität von Disparitäten					140
4.2.4	Verträglichkeit von Merkmalen					141
4.2.5	Disparitätslimit und Disparitätsgradientenlimit			143
4.2.6	Reihenfolge der abgebildeten Punkte in den Bildern		144
4.3	Intensitätenbasierte Korrespondenzanalyse			145
4.3.1	Block-Matching-Verfahren					146
4.3.2	Block-Matching-Verfahren für die Farbstereoanalyse		151
4.4	Merkmalsbasierte Korrespondenzanalyse				156
4.4.1	Ein Verfahren zur histogrammbasierten Stereoanalyse		157
4.4.2	Merkmalsbasierte Farbstereoanalyse				161
4.5	Stereoanalyse mit mehr als zwei Kameras				165
4.5.1	Zuordnungsstrategien						166
4.5.2	Ein geometrisches Verfahren					166
4.6	Literaturhinweise						169
4.7	Übungsaufgaben							170

5	Dynamische Stereoanalyse					173
5.1	Verschiebungsvektoren  und  Rekonstruktion			173
5.1.1	Lokale Verschiebungsvektoren					174
5.1.2	Objektbewegung und lokale Verschiebungen			177
5.1.3	Objektbewegung und Gradienten					178
5.1.4	Lokale Verschiebungen und Gradienten				180
5.1.5	Kamerarotation um das Projektionszentrum			185
5.2	Optischer Fluß							187
5.2.1	Lösungswege							187
5.2.2	Horn-Schunck-Verfahren						189
5.2.3	Diskussion							197
5.3	Objektrotation und Rekonstruktion				203
5.3.1	Weltkoordinaten aus Punktkorrespondenz				203
5.3.2	Eingeschränkter Suchbereich für die Korrespondenzanalyse	207
5.3.3	Diskussion							211
5.4	Literaturhinweise						213
5.5	Übungsaufgaben							214

6	Oberflächenreflexion						217
6.1	Strahlungsphysikalische Parameter und Gesetze			218
6.1.1	Raumwinkelunabhängige Größen					219
6.1.2	Raumwinkelabhängige Größen					220
6.1.3	Photometrisches Grundgesetz					221
6.1.4	Photometrisches Entfernungsgesetz				222
6.2	Allgemeine Reflexionsfunktion					223
6.2.1	Definition der BRDF						223
6.2.2	BRDF einer perfekt diffusen Oberfläche				225
6.2.3	Lambertsches Kosinusgesetz					226
6.2.4	Reflexionskonstante						226
6.2.5	Messung der BRDF						227
6.3	Reflektanzkarten						228
6.3.1	Definition und Darstellung					229
6.3.2	Lineare Reflektanzkarten					230
6.3.3	Lambertsche Reflektanzkarten					231
6.3.4	Erzeugung von Reflektanzkarten					237
6.4	Komponenten der Reflexion					239
6.4.1	Diffuse Reflexion						240
6.4.2	Spiegelnde Reflexion						242
6.4.3	Dichromatisches Reflexionsmodell				245
6.4.4	Interreflexionen						248
6.5	Bildirradianzgleichung						250
6.5.1	Bildentstehung							250
6.5.2	Allgemeine Gleichung						251
6.6	Literaturhinweise						252
6.7	Übungsaufgaben							254

7	Shape from Shading						255
7.1	Einführung							255
7.1.1	Einschränkung des SFS-Problems					256
7.1.2	Klassifikation							259
7.1.3	Direkte 3D-Interpretation von Bildirradianzen			260
7.2	Propagationsverfahren						263
7.2.1	Lineare Reflektanzkarten					264
7.2.2	Rotationssymmetrische Reflektanzkarten				266
7.2.3	Allgemeine Reflektanzkarten					267
7.2.4	Robustere Verfahren						268
7.3	Globale Minimierungsansätze					271
7.3.1	Formulierung der Einschränkungen				271
7.3.2	Kombination der Einschränkungen					275
7.3.3	SFS als Variationsproblem					276
7.4	Lokales Shape from Shading					284
7.4.1	Kugelapproximation und Bestimmung des Azimuts			284
7.4.2	Bestimmung der Deklination					286
7.5	Literaturhinweise						289
7.6	Übungsaufgaben							291

8	Photometrische Stereoanalyse					293
8.1	Grenzen von SFS-Verfahren					294
8.2	Analyse von Irradianzpaaren					299
8.2.1	Lineare Reflektanzkarten					301
8.2.2	Albedoabhängige Analyse						302
8.2.3	Eindeutigkeit durch Integrabilität				310
8.2.4	Albedounabhängige Analyse					318
8.2.5	Eindeutigkeit durch Kugelapproximation				321
8.3	Analyse von Irradianztripeln					323
8.3.1	Albedoabhängige Analyse						324
8.3.2	Albedounabhängige Analyse					329
8.3.3	Bestimmung der Beleuchtungsrichtung				334
8.4	Literaturhinweise						335
8.5	Übungsaufgaben							337

9	Strukturierte Beleuchtung					339
9.1	Projektion einfacher geometrischer Muster			339
9.1.1	Lichtpunkttechnik						340
9.1.2	Lichtpunktstereoanalyse						344
9.1.3	Lichtschnittechnik						346
9.1.4	Gleichzeitige Projektion mehrerer Lichtschnitte			352
9.2	Projektion codierter Muster					354
9.2.1	Binärcodierte Lichtschnittechnik				354
9.2.2	Auswertung von Moire-Mustern					356
9.2.3	Farbcodierte Lichtschnittechnik					360
9.2.4	Aktive Stereoanalyse mit Farbe					362
9.3	Literaturhinweise						368
9.4	Übungsaufgaben							370

Sachwortverzeichnis							373
Algorithmenverzeichnis							379
Anhang: Farbbilder							381