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Dreidimensionale Rekonstruktion aus rasterelektronischen Stereobildern

Schematische Darstellung der Epipolargeometrie
Verschiebungskarte der Stereobilder
Projektive Rekonstruktion der Szenerie

Rasterlektronsiche Aufnahmen ermöglichen die Visualisierung von Objekten, die mit herkömmlichen Lichtmikroskopen nicht ausreichend vergrößert dargestellt werden können. Moderne Geräte erlauben unter Verwendung einer kalten Feldemissionskathoden Auflösungen bis in den Sub-Nanometer-Bereich und überzeugen durch eine sehr hohe Tiefenschärfe und Bildqualität. Ein Nachteil ist jedoch, dass die generierten Bilder keine direkte Analyse der dreidimensionalen Probenbeschaffenheit erlauben. Gerade bei der Untersuchung von Partikeln und deren Morphologie sind die Tiefeninformationen unabdingbar, um ein dreidimensionales Modell des betrachteten Objekts zu generieren.

Im Rahmen dieses am Institut für Mess- und Reglungstechnik bearbeiteten Projekts soll daher eine Methode entwickelt werden, die es erlaubt verschiedene Arten von Partikeln anhand von zweidimensionalen rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen euklidisch zu rekonstruieren. Die Grundlage des Vorgehens basiert dabei auf der Verwendung der Epipolargeometrie. Mit Hilfe eines euzentrisch kippbaren Probentisches werden Stereobildpaare erzeugt, die zunächst rektifiziert werden, damit anschließend durch lokale und globale Verfahren zur dichten Bestimmung von Punktekorrespondenzen eine Verschiebungskarte erstellt werden kann. Durch die Informationen über die Verschiebung der einzelnen Pixel zwischen den Stereobildern kann durch geeigneteTriangulationsverfahren eine zunächst projektive Rekonstruktion des betrachteten Objekts vorgenommen werden. Auf Grund des unkalibrierten Szenarios bestehen bei dieser Rekonstruktion jedoch noch Freiheitsgrade. Das Ergebnis unterscheidet sich daher von einer euklidischen Rekonstruktion um eine unbekannte projektive Transformation, die jedoch mit Hilfe verschiedener Methoden abschließend bestimmt werden kann. Somit lässt sich eine quantitative dreidimensionale Messung des betrachteten Objekts realisieren.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Stefan Töberg

HyMon - Handhygiene-Monitoring im Krankenhaus

Ziel ist es, dem Benutzer in Echtzeit bei der Händedesinfektion zu unterstützen und auf eventuelle Benutzerlücken aufmerksam zu machen.

Schon seit Mitte des 19. Jahrhunderts zeigen zahlreiche Studien, dass die Einhaltung der Handhygiene eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Krankheiten im Gesundheitswesen spielt. Trotz dieser Erkenntnisse und der daraus entstandenen weltweit anerkannten Richtlinien zur Handhygiene sind heutige Infektionsraten in Krankenhäusern immer noch zu hoch. Alleine in Deutschland liegt die Anzahl der Todesfälle durch Infektionen in Verbindung mit multiresistenten Erregern bei 15.000 Personen pro Jahr. Studien für deutsche Krankenhäuser zeigen, dass Handhygiene-Richtlinien nur zu 41,2% - 55,2% eingehalten werden. Vorgesehene Händedesinfektionschritte werden dabei teilweise vernachlässigt und stark verkürzt. So liegt die Desinfektionszeit für die hygienische Händedesinfektion oft unter 15 Sekunden, obwohl nach der Norm EN 1500 30 Sekunden gefordert sind.

Am Institut für Mess-und Regelungstechnik wird ein System entwickelt, welches mittels eines optischen Sensors und Bildverarbeitung die Quantität und die Qualität der Händedesinfektion beurteilt. Der Ablauf der Händedesinfektion lässt sich in einzelne Gesten unterteilen. Das System lernt in einer Trainingsphase, die sich sehr ähnelnden Gesten zu unterscheiden, was als Maschinenlernen bezeichnet wird. Dabei werden Merkmale wie beispielsweise die Gestendauer, -art, -anzahl und -reihenfolge erkannt und ausgewertet. Das Ziel ist es, den Benutzer in Echtzeit bei der Händedesinfektion zu unterstützen und auf eventuelle Benetzungslücken aufmerksam zu machen.

Ansprechpartner: M. Sc. Armin Dietz

Früherkennungssystem zur Detektion von Haltungsschäden bei professionellen Musikern

Schäden am menschlichen Körper, die durch unphysiologische Körperhaltungen entstehen, sind ein hoch relevantes Thema in unserer Gesellschaft. Gefährdet sind sowohl Facharbeiter der Baubranche sowie Büroangestellte, die entweder durch das Heben schwerer Baustoffe oder durch das Sitzen ihren Körper belasten.

Für die Gruppe der Berufsmusiker stellen durch unphysiologische Haltungen oder auch Bewegungen hervorgerufene Schäden eine besondere Herausforderung dar. Bei Instrumentalisten sind die Grenzbereiche der Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers gefordert. Beispielsweise werden in Franz Liszts 6. Paganini-Etüden 1800 Noten innerhalb einer Minute gespielt, die in etwa 30 Noten je Sekunde entsprechen. Durch unphysiologische Haltungen induzierte Schäden können nicht nur eine Berufsbeeinträchtigung zur Folge haben, sondern im schlimmsten Fall zur dauerhaften Berufsunfähigkeit führen.

Daher wird am Institut für Mess- und Regelungstechnik mit Hilfe von optischen und akustischen Sensoren ein Programm zur Früherkennung solcher Haltungsdefizite entwickelt. Basierend auf maschinellem Lernen sollen zunächst Instrumentalist, Instrument und deren relative Beziehung zueinander mittels Objekterkennung und markerloser Haltungs- und Bewegungserfassung (besser bekannt als Pose Estimation und Motion Capturing) direkt während des Musizierens identifiziert werden. Bei Erkennung einer unphysiologischen Haltung kann dem Instrumentalisten ein direktes Feedback inklusive Haltungskorrektur gegeben werden.

Ansprechpartner: M. Sc. Benjamin Fehlandt

Der intelligente Operationssaal

Laborumgebung: Operationstisch und Beleuchtung

Der heutige OP-Saal ist ein hochtechnologischer Bereich, in dem sich durch den Einsatz therapeutischer und diagnostischer Geräte eine Vielzahl an Behandlungsmöglichkeiten ergibt. Die hieraus steigenden Anforderungen an das Personal, sollen durch intelligente Funktionen des OP-Saals aufgenommen werden und eine Entlastung bewirken. Die Optimierung und sichere Gestaltung von Prozessen innerhalb dieser Umgebung, soll eine bessere Patientenversorgung ermöglichen.

In der gezeigten Laborumgebung werden neue Ansätze im Bereich der HMI (Human Maschine Interface), Patientenlagerung und Objektkollision erforscht. Hierbei wird mit Hilfe von aktiven 3D- Bildsensoren der Observierungsbereich erfasst und mit Algorithmen aus der Bildverarbeitung ausgewertet. Auf Grund dieser Datensätze, soll der OP-Saal notwendige Informationen über die aktuelle OP-Situation erhalten und in Interaktion zu Mensch und Maschine treten. Neben Assistenzfunktionen, soll auch die aktive Manipulation von Geräten möglich sein.

Ein besonderer technologischer Schwerpunkt besteht in der Implementierung und Verwendung von Sensor- Array-Systemen. Die OP-Umgebung gestaltet sich durch die Vielzahl von Geräten und Personen auf engstem Raum, als sehr komplex und soll daher aus verschiedenen Blickrichtungen erfasst werden. Es wird dadurch eine vollständige Segmentierung der Objekte möglich. Dies birgt besondere Herausforderungen im Bereich der Echtzeitanwendbarkeit, Datenfusionsmöglichkeit und Berücksichtigung komplexer Bildfehler wie z.B. Grenzflächeneffekte, Reflexionen und Abschattungen.

Ansprechpartner: M. Sc. Armin Dietz

Entwicklung eines neuartigen Bildderotators

Die Analyse des dynamischen Verhaltens rotierender Objekte unter realen Betriebsbedingungen ist aufgrund der überlagerten Objektdrehung eine große Herausforderung.

Mit Hilfe des am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) neu entwickelten Bildderotators mit einer speziell konzipierten Spiegelanordnung ist die Untersuchung an schnell rotierenden Objekten einfach umzusetzen. Der Bildderotator sorgt  für die Elimination der Bilddrehung, so dass dem Betrachter das rotierende Objekt ruhend erscheint.

Der Bildderotator ermöglicht somit sowohl Messungen mittels eines Laser-Dopplervibrometers zur Schwingungsanalyse (In-plane, Out-of-plane), als auch die Anwendung digitaler Bildverarbeitung zur Deformations- und Stabilitätsanalyse.

Aufgrund der neuartigen Spiegelanordnung sind, im Gegensatz zum bisher eingesetzten Dove-Prisma, thermografische Untersuchungen an Objekten realisierbar. Zudem erzeugt die Neuentwicklung keine Bildverzeichnungen.

Ansprechpartner: M. Sc. Bettina Altmann

Derotator-Roller slippage measurment

At the Institute of Measurement and Automatic Control (IMR), Leibniz Universität Hannover, a self-developed optical image derotator is applied for the analysis of the dynamic behaviour of rotating objects under operational conditions. .If a rotating object is observed through the prism, which rotates with half of the rotational speed of the object and in the same direction, the object will appear stationary. To receive an optimally derotated image, the optical axis of the prism, the rotary axis of its drive and the rotary axis of the object should be identical. Using the combination of image derotator and a high speed camera or a laser Doppler Vibrometer in-plane and out-of-plane vibration of rotating components with a rotational speed of up to n = 10.000 min-1 can be measured. Within an EU project , the image derotator is applied to measure the dynamic slippage behaviour of roller elements in a roller bearing. Therfore , the dove prism rotates with half of the rotational speed of the bearing cage. Thus, it is possible to receive a stationary view of the cage and to observe the rotational movement of the roller elements around its own axes. Using digital image processing methods, the rotational behaviour of roller elements canl be calculated and analysed.

Contact person:  M. Sc. Bettina Altmann

Derotator-Schlupfmessung

Am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) wurde ein optomechanischer Bildderotator entwickelt. Dieser wird eingesetzt, um das dynamische Verhalten rotierender Objekte unter Betriebsbedingungen zu untersuchen. Das Kernstück des Bildderotators ist ein Bilddrehprisma nach Dove. Wird ein rotierendes Objekt durch das Prisma hindurch beobachtet, das mit der halben Winkelgeschwindigkeit in gleicher Drehrichtung mit dem Derotator rotiert, so erscheint das Objekt ruhend. Mittels Verwendung des Derotators und einer Hochgeschwindigkeitskamera oder Laser Doppler Vibrometers ist es möglich, die Schwingungen eines rotierendes Objekt im Stillstand zu betrachten. Dieses ist bislang mit keiner anderen Messmethode möglich. Voraussetzung hierfür ist, dass die optische Achse des Prismas, die Drehachse des Antriebs sowie die Objektdrehachse identisch sind. Diese Methode erlaubt Schwingungsmessungen in der Ebene und Außerhalb der Ebene bis zu Drehgeschwindigkeiten n = 10.000 min-1. Im Rahmen eines EU-Projekts wird der Derotator eingesetzt, um den Schlupf von Wälzkörpern eines Zylinderrollenlagers zu messen. Dafür dreht der Derotator mit der halben Geschwindigkeit des Käfigs des Wälzlagers. So wird  der Drehbewegung des Käfigs und der Wälzkörper um den Innenring des Lagers optisch eliminiert. Durch den Einsatz digitaler Bildverarbeitung wird das Rotationsverhalten der Wälzkörper detailliert ermittelt und ausgewertet.

Ansprechpartner:  M. Sc. Bettina Altmann