Dokument: Three-dimensional facial measurement by portrait holography and texture-based focus detection

Titel:	Three-dimensional facial measurement by portrait holography and texture-based focus detection
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3166
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20050715-001166-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Frey, Susanne [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,46 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter]
Stichwörter:	gepulste Holografie, Gesichtsvermessung, Textur, Fokusdetektion, holografische Abbildungsfehlerpulsed holography, facial measurement, texture, focus detection, hologram aberrations
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die vorliegende Arbeit behandelt das Problem der automatischen dreidimensionalen Gesichtsvermessung unter Verwendung des reellen Bildes eines analogen Hologramms durch die Detektion des Bildkontrastes, der durch die natürliche Struktur der Hautoberfläche entsteht. Damit ist es zum ersten Mal möglich, digitale Modelle von Gesichtsoberflächen aus Portraithologrammen zu erstellen, die eine hochauflösende Textur beinhalten, die pixelgenau der Oberfläche zugeordnet werden kann. Die vorgestellten Verbesserungen des Systems ermöglichen zudem augensichere Aufnahmen des Gesichts. Diese beiden Aspekte sind von entscheidender Bedeutung für das Hauptanwendungsgebiet der holografischen Gesichtsvermessung, nämlich die Planung und Bewertung von Operationen in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Die Aufnahmen von Portraithologrammen werden mit einer holografischen Kamera durchgeführt, die mit einem gepulsten Laser arbeitet. Das reelle Bild der Objektwelle wird optisch rekonstruiert. Schnittbilder des dreidimensionalen reellen Bildes des Portraithologramms werden digital aufgezeichnet und numerisch ausgewertet. Das optische Auslesen des Hologramms wird im Rahmen dieser Arbeit durch die Kompensation von Abbildungsfehlern verbessert. Durch die so erreichte laterale Auflösung im reellen Bild (<100µm) ist es möglich, einzelne Hautporen der Gesichtsoberfläche kontrastreich darzustellen. Damit kann die bisher notwendige Musterprojektion zur Kontrastverstärkung vermieden werden. Das hat den entscheidenden Vorteil, dass Streuscheiben zur Beleuchtung des Gesichts verwendet werden können, wodurch Augensicherheit bei der Aufnahme der Hologramme erreicht wird. Die Aufnahme der Schnittbilder des reellen Bildes wird verbessert, indem die bisherige Abbildung der Schnittbilder mittels einer Streuscheibe durch ein direktes Einlesen der Schnittbilder mit einem CMOS Dokumentenscanner ersetzt wird. Weiterhin wird ein komplementäres Schema zur Bestimmung der Objektoberfläche aus dem Hologramm untersucht, das auf Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem virtuellen Bild des Referenzstrahls beruht. Zur Gewinnung der Objektoberfläche aus einer Schnittbildserie des reellen Bildes wird digitale Bildverarbeitung angewendet. Ein Standardverfahren zur Fokusdetektion ist Kontrastmaximierung in einer lokalen lateralen Pixelumgebung. Ein solches Verfahren wird in Verbindung mit räumlicher Filterung zur Reduzierung von unscharfen Überlagerungen und Bildrauschen auf die holografischen Daten angewendet. Die Ergebnisse werden mit denen eines neu entwickelten Ansatzes verglichen, der auf der Detektion axialer Fokuseigenschaften beruht. Kontrastmaximierung liefert aufgrund der guten Robustheit gegenüber Bildrauschen eine gute Annäherung an die gesuchte Oberfläche. Das Ergebnis kann dann durch axiale Fokusdetektion deutlich verfeinert werden. Als Ergebnis der beschrieben Prozedur werden texturierte Computermodelle der Gesichtsoberfläche gewonnen. Als Textur, die den Modellen zugeordnet wird, dient die Helligkeitsinformation aus dem reellen Bild an der Stelle der detektierten Oberfläche. Zudem ist es nun auch möglich, Computermodelle aus Spiegelbildern zu erstellen, die im Hologramm aufgenommen werden. So können beispielsweise drei Ansichten eines Gesichts in einem einzigen Hologramm zeitgleich aufgezeichnet und anschließend drei Computermodelle der Teilansichten gewonnen werden. Grundsätzlich lassen sich so auch Panorama-Aufnahmen eines Gegenstandes in einem einzigen Hologramm erfassen, wie anhand eines Testobjekts gezeigt wird. Schließlich werden Anwendungsbeispiele präsentiert. Als typische medizinische Anwendung wird eine Epithesenanpassung vorgestellt. Die holografische Technologie kann künftig unter Verwendung einer mobilen Holografiekamera in größerem Maßstab in Kliniken eingesetzt werden. Eine Anwendung aus dem Bereich der Archäologie wird präsentiert. Außerdem wird anhand eines konkreten Falls gezeigt, dass Weichgewebedaten aus holografischer Gesichtsvermessung zur Bewertung verschiedener Verfahren der forensischen Gesichtsrekonstruktion verwendet werden können. This work presents three-dimensional metrology of the facial surface by detection of the natural skin contrast that appears in the real image of an analogue portrait hologram. For the first time, a holographic surface measurement method is presented that provides facial computer models including a high resolution texture that precisely matches the object surface. Furthermore, the presented improvements allow for eye-safe recordings of faces. Both aspects are crucial for the main purpose of holographic facial measurement, which is planning and evaluation of cranio-facial surgery. A holographic camera comprising a pulsed laser system is used to record portrait holograms. The real image of a portrait hologram is reconstructed optically. The real image volume is digitized by scanning projections of the real image. Digital image processing is applied to these sectional images to retrieve the object surface. The optical reconstruction of the holographic real image is improved in this work by introducing a set-up that allows to compensate for image aberrations. High image resolution (<100µm) is achieved and hence skin pores appear in the real image and may be detected numerically. Thus pattern projection which was used in earlier work to enhance the image contrast becomes unnecessary. Consequently, it is possible to use diffusor plates to illuminate the face leading to eye-safe recordings. Digitization of the real image is improved by replacing the previous intermediate imaging step on a diffusing screen by a direct scan of the real image with a CMOS line scanner. Furthermore, a complementary focus detection scheme is investigated that uses interference between the original reference beam and the virtual image of the reference beam as focus measure. Digital image processing is applied to detect the object surface in the scanned real image volume. A standard Shape-from-Focus technique uses contrast maximization in a local lateral pixel neighborhood. Such a procedure is tested in combination with spatial filtering for image deblurring and noise reduction. The results are compared to those of a newly developed focus detection method based on axial focus features. Contrast maximization yields a good first approximation to the object surface and features a preferable robustness against image noise for large local pixel neighborhoods. It is demonstrated that a detected surface may be refined by axial focus detection for improved quality concerning surface smoothness and resolution. Three-dimensional facial models result from the described procedure. The intensity information from the real image at the position of the detected surface serves as high resolution texture information that is added to the surface models. Because this texture is taken from the real image of the hologram it matches the surface precisely without an intermediate registration step. It is also possible to gain computer models from mirror images that are recorded in the hologram. Textured computer models of a frontal view and two side views of a sitting person are presented which are recorded in a single shot hologram. In general, mirror arrangements may provide panoramic imaging in a single hologram as shown for a test object. Examples of applications of holographic facial measurement are presented. The adaption of an epithesis is given as an example of a medical application. The holographic technology may in future be used in hospitals employing a new mobile holographic camera. An example of archaeological imaging is presented. Finally it is shown that holographic facial measurement may contribute to the improvement of forensic facial reconstructions. The face of a real living person is reconstructed from medical CT data by several methods, and a holographic facial model of the person is used to evaluate the results.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	15.07.2005
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	07.07.2005
Datum der Promotion:	07.07.2005