Algorithms for building high-accurate optical tracking systems [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Holger Handel

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INAUGURAL - DISSERTATIONzurErlangung der Doktorwurde¨derNaturwissenschaftlich-Mathematischen Gesamtfakultat¨derRuprecht - Karls - Universitat¨Heidelbergvorgelegt vonDipl.-Inf. Holger Handelaus MannheimTag der mundlichen¨ Prufung:¨ 6. November 2009Algorithms for BuildingHigh-Accurate Optical TrackingSystemsGutachter: Professor Dr. Reinhard Manner¨ , Universitat¨ HeidelbergKoreferent: Dr. Peter Fischer, Universitat¨ HeidelbergFur¨ meine Eltern, Karin und Hugo HandelAbstractThis thesis presents an analysis of some factors influencing the accuracy of an opticaltracking system used for high-precise coordinate measurements like they are requiredin computer assisted surgery. The major influencing factors comprise the modeling ofthe imaging geometry, the marker segmentation algorithms used both for system cal-ibration as well as the actual tracking process, and at last, thermal influences. Whilethe modeling of the imaging geometry is a well-studied issue both in photogramme-try as well as machine vision, a thorough comparison of different marker types andtheir segmentation algorithms regarding the measurement accuracy is not available. Afurther subject which is rarely investigated are thermal influences on the imaging ge-ometry. This thesis concentrates on these two issues. Several algorithms for markersegmentation are presented and compared. Another central issue is the analysis ofthermal influences on cameras.

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Published 01 January 2009
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INAUGURAL - DISSERTATION
zur
Erlangung der Doktorwurde¨
der
Naturwissenschaftlich-Mathematischen Gesamtfakultat¨
der
Ruprecht - Karls - Universitat¨
Heidelberg
vorgelegt von
Dipl.-Inf. Holger Handel
aus Mannheim
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 6. November 2009Algorithms for Building
High-Accurate Optical Tracking
Systems
Gutachter: Professor Dr. Reinhard Manner¨ , Universitat¨ Heidelberg
Koreferent: Dr. Peter Fischer, Universitat¨ HeidelbergFur¨ meine Eltern, Karin und Hugo HandelAbstract
This thesis presents an analysis of some factors influencing the accuracy of an optical
tracking system used for high-precise coordinate measurements like they are required
in computer assisted surgery. The major influencing factors comprise the modeling of
the imaging geometry, the marker segmentation algorithms used both for system cal-
ibration as well as the actual tracking process, and at last, thermal influences. While
the modeling of the imaging geometry is a well-studied issue both in photogramme-
try as well as machine vision, a thorough comparison of different marker types and
their segmentation algorithms regarding the measurement accuracy is not available. A
further subject which is rarely investigated are thermal influences on the imaging ge-
ometry. This thesis concentrates on these two issues. Several algorithms for marker
segmentation are presented and compared. Another central issue is the analysis of
thermal influences on cameras. A method is developed to model the impact of tem-
perature changes and thus to compensate measurement errors. The results of this work
are incorporated in the development of an optical tracking system used in orthopedic
surgery.
Die vorliegende Arbeit prasentiert¨ eine Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Ge-
nauigkeit eines optischen Trackingsystems zur hoch prazisen¨ Koordinatenmessung,
wie sie beispielsweise im Bereich der Computer-unterstutzten¨ Chirurgie benotigt¨ wird.
Zu den Haupteinflussfaktoren gehoren¨ die Modellierung der Aufnahmegeometrie, die
verwendeten Bildverarbeitungsalgorithmen zur Markensegmentierung, welche sowohl
wahrend¨ der Systemkalibrierung als auch wahrend¨ des eigentlichen Messvorgangs ver-
wendet werden, und nicht zuletzt thermische Einflusse.¨ Wahrend¨ die Modellierung der
Kamerageometrie ein gut erforschter Gegenstand sowohl im Bereich der Photogram-
metrie als auch des Maschinellen Sehens darstellt, existieren fur¨ den Vergleich von
verschiedenen Markentypen und deren Segmentierungsalgorithmen in bezug auf die
Messgenauigkeit noch keine umfassenden Ergebnisse. Einen weiteren Bereich, der na-
hezu nicht untersucht ist, bilden thermische Einflusse¨ auf die zugrundeliegende Auf-
nahmegeometrie. Die vorliegende Arbeit legt ihren Schwerpunkt auf diese zwei Berei-
che. Zum einen werden verschiedene Algorithmen zur Segmentierung von Messmar-
ken vorgestellt und miteinander verglichen. Den zweiten großen Schwerpunkt bildet
eine Analyse von thermischen Einflussen¨ auf Kameras. Es wird ein Verfahren entwi-
ckelt, welches den Einfluss von Temperaturanderungen¨ modelliert und so Messfehler
kompensieren kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit finden Anwendung in der Entwick-
lung eines optischen Trackingsystems fur¨ den Einsatz in der orthopadischen¨ Chirurgie.
IIIDanksagung
Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr. Reinhard Manner¨ fur¨ die Betreuung meiner Disserta-
tion und den Freiraum, den er mir gewahrt¨ hat. Außerdem bedanke ich mich fur¨ die
Moglichk¨ eit, an vielen internationalen Konferenzen teilgenommen zu haben.
Ich bedanke mich außerdem bei Herrn Prof. Dr. Peter Fischer fur¨ die Bereitschaft, als
Zweitgutachter zur Verfugung¨ zu stehen.
Ich danke Florian Beier, Stephan Diederich, Oliver Schuppe, Clemens Wagner sowie
Caroline Eichberger fur¨ das Korrekturlesen meiner Arbeit und die wertvollen Anmer-
kungen, die sie mir gegeben haben.
Den Mitgliedern der ViPA-Arbeitsgruppe, Florian Beier, Stephan Diederich, Ole Jaku-
bik, Andreas Kopfle,¨ Oliver Schuppe und Kathrin Weber, danke ich fur¨ die angenehme
Arbeitsathmosphare.¨
Ich danke Christiane Glasbrenner, Andrea Seeger und Dina Geppert fur¨ ihre Hilfe bei
¨zahlreichen administrativen Problemen, die der Universitatsalltag mit sich bringt.
Caroline Eichberger danke ich besonders fur¨ die abwechslungsreiche Zeit wahrend¨
zahlreicher Mittags- und Kaffeepausen.
Besonderer Dank gilt meiner Familie fur¨ die fortwahrende¨ Unterstutzung,¨ ohne die das
Entstehen dieser Arbeit nicht moglich¨ gewesen ware.¨
IIIIV