German Title: Algorithmen für hochpräzise optische Trackingsysteme

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Abstract

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Genauigkeit eines optischen Trackingsystems zur hoch präzisen Koordinatenmessung, wie sie beispielsweise im Bereich der Computer-unterstützten Chirurgie benötigt wird. Zu den Haupteinflussfaktoren gehören die Modellierung der Aufnahmegeometrie, die verwendeten Bildverarbeitungsalgorithmen zur Markensegmentierung, welche sowohl während der Systemkalibrierung als auch während des eigentlichen Messvorgangs verwendet werden, und nicht zuletzt thermische Einflüsse.Wahrend die Modellierung der Kamerageometrie ein gut erforschter Gegenstand sowohl im Bereich der Photogrammetrie 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 nahezu nicht untersucht ist, bilden thermische Einflüsse auf die zugrundeliegende Aufnahmegeometrie. Die vorliegende Arbeit legt ihren Schwerpunkt auf diese zwei Bereiche. Zum einen werden verschiedene Algorithmen zur Segmentierung von Messmarken vorgestellt und miteinander verglichen. Den zweiten großen Schwerpunkt bildet eine Analyse von thermischen Einflussen auf Kameras. Es wird ein Verfahren entwickelt, welches den Einfluss von Temperaturänderungen modelliert und so Messfehler kompensieren kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit finden Anwendung in der Entwicklung eines optischen Trackingsystems fur den Einsatz in der orthopädischen Chirurgie.

Translation of abstract (English)

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 calibration 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 photogrammetry 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 geometry. 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 temperature 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.