@phdthesis{Bleier2023,
  author    = {Bleier, Michael},
  title     = {Underwater Laser Scanning - Refractive Calibration, Self-calibration and Mapping for 3D Reconstruction},
  isbn      = {978-3-945459-45-4},
  doi       = {10.25972/OPUS-32269},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-322693},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {There is great interest in affordable, precise and reliable metrology underwater: Archaeologists want to document artifacts in situ with high detail. In marine research, biologists require the tools to monitor coral growth and geologists need recordings to model sediment transport. Furthermore, for offshore construction projects, maintenance and inspection millimeter-accurate measurements of defects and offshore structures are essential. While the process of digitizing individual objects and complete sites on land is well understood and standard methods, such as Structure from Motion or terrestrial laser scanning, are regularly applied, precise underwater surveying with high resolution is still a complex and difficult task. Applying optical scanning techniques in water is challenging due to reduced visibility caused by turbidity and light absorption. However, optical underwater scanners provide significant advantages in terms of achievable resolution and accuracy compared to acoustic systems. This thesis proposes an underwater laser scanning system and the algorithms for creating dense and accurate 3D scans in water. It is based on laser triangulation and the main optical components are an underwater camera and a cross-line laser projector. The prototype is configured with a motorized yaw axis for capturing scans from a tripod. Alternatively, it is mounted to a moving platform for mobile mapping. The main focus lies on the refractive calibration of the underwater camera and laser projector, the image processing and 3D reconstruction. For highest accuracy, the refraction at the individual media interfaces must be taken into account. This is addressed by an optimization-based calibration framework using a physical-geometric camera model derived from an analytical formulation of a ray-tracing projection model. In addition to scanning underwater structures, this work presents the 3D acquisition of semi-submerged structures and the correction of refraction effects. As in-situ calibration in water is complex and time-consuming, the challenge of transferring an in-air scanner calibration to water without re-calibration is investigated, as well as self-calibration techniques for structured light. The system was successfully deployed in various configurations for both static scanning and mobile mapping. An evaluation of the calibration and 3D reconstruction using reference objects and a comparison of free-form surfaces in clear water demonstrate the high accuracy potential in the range of one millimeter to less than one centimeter, depending on the measurement distance. Mobile underwater mapping and motion compensation based on visual-inertial odometry is demonstrated using a new optical underwater scanner based on fringe projection. Continuous registration of individual scans allows the acquisition of 3D models from an underwater vehicle. RGB images captured in parallel are used to create 3D point clouds of underwater scenes in full color. 3D maps are useful to the operator during the remote control of underwater vehicles and provide the building blocks to enable offshore inspection and surveying tasks. The advancing automation of the measurement technology will allow non-experts to use it, significantly reduce acquisition time and increase accuracy, making underwater metrology more cost-effective.},
  subject      = {Selbstkalibrierung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Ilgen2023,
  author    = {Ilgen, Lukas},
  title     = {Ermittlung cochle{\"a}rer L{\"a}ngen- und Winkelmaße mittels Flachdetektor-Volumen-Computertomographie - Evaluation der Anwendung sekund{\"a}rer Rekonstruktionen},
  doi       = {10.25972/OPUS-32794},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-327945},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {F{\"u}r die Cochlea-Implantat-Versorgung ist die Kenntnis der individuellen Anatomie der H{\"o}rschnecke im perioperativen Kontext essenziell, um ein suffizientes audiologisches Resultat sicherzustellen. Ein akkurates Verfahren hierf{\"u}r stellt die 3D multiplanare Rekonstruktion (3D-curved MPR) in Schnittbildgebung dar. Notwendige Voraussetzung ist jedoch eine hinreichende Bildqualit{\"a}t. In dieser Arbeit wurde das Augenmerk auf die sekund{\"a}re Rekonstruktion von Prim{\"a}rdatens{\"a}tzen der Flachdetektor-Volumen-Computertomographie (fpVCTSECO) gerichtet. Diese bietet n{\"a}mlich die M{\"o}glichkeit, die Bildqualit{\"a}t zu steigern, ohne jedoch eine als kritisch einzusch{\"a}tzende Dosissteigerung in Kauf nehmen zu m{\"u}ssen. Es konnte gezeigt werden, dass es f{\"u}r die Messung der L{\"a}nge von 2 Schneckenwindungen (2TL), der gesamten cochle{\"a}ren L{\"a}nge (CDL) und dem Winkelmaß (AL) mittels 3D-curved MPR in der fpVCT keinen signifikanten Unterschied gegen{\"u}ber der Mehrschicht-CT gibt. In beiden Modalit{\"a}ten wurden alle drei Parameter gegen{\"u}ber der Referenzbildgebung micro-CT deutlich untersch{\"a}tzt. Durch die fpVCTSECO war es m{\"o}glich, die Genauigkeit der Messungen zu steigern und den Werten der Referenz anzun{\"a}hern. Lediglich f{\"u}r AL muss eine geringf{\"u}gige systematische Untersch{\"a}tzung beachtet werden. Postoperativ zeigte sich mit einliegendem Elektrodentr{\"a}ger f{\"u}r 2TL eine ebenso pr{\"a}zise Messung wie pr{\"a}operativ ohne. Jedoch wurde die CDL um circa 0,5 - 0,7 mm untersch{\"a}tzt. Urs{\"a}chlich hierf{\"u}r d{\"u}rften vor allem Metallartefakte gewesen sein. Auch wenn die 3D-curved MPR in Kombination mit der fpVCTSECO postoperativ zur Visualisierung der r{\"a}umlichen Beziehung von Elektrodentr{\"a}ger, Modiolus und oss{\"a}rer lateraler Wand sehr gut geeignet war, so muss sich der Einfluss dieser Diskrepanz f{\"u}r die audiologische Anpassung in Zukunft erst noch zeigen.},
  subject      = {Cochlea},
  language  = {de}
}
@phdthesis{GraetzgebDittmann2022,
  author    = {Graetz [geb. Dittmann], Jonas},
  title     = {X-Ray Dark-Field Tensor Tomography : a Hitchhiker's Guide to Tomographic Reconstruction and Talbot Imaging},
  doi       = {10.25972/OPUS-28143},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-281437},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {X-ray dark-field imaging allows to resolve the conflict between the demand for centimeter scaled fields of view and the spatial resolution required for the characterization of fibrous materials structured on the micrometer scale. It draws on the ability of X-ray Talbot interferometers to provide full field images of a sample's ultra small angle scattering properties, bridging a gap of multiple orders of magnitude between the imaging resolution and the contrasted structure scale. The correspondence between shape anisotropy and oriented scattering thereby allows to infer orientations within a sample's microstructure below the imaging resolution. First demonstrations have shown the general feasibility of doing so in a tomographic fashion, based on various heuristic signal models and reconstruction approaches. Here, both a verified model of the signal anisotropy and a reconstruction technique practicable for general imaging geometries and large tensor valued volumes is developed based on in-depth reviews of dark-field imaging and tomographic reconstruction techniques. To this end, a wide interdisciplinary field of imaging and reconstruction methodologies is revisited. To begin with, a novel introduction to the mathematical description of perspective projections provides essential insights into the relations between the tangible real space properties of cone beam imaging geometries and their technically relevant description in terms of homogeneous coordinates and projection matrices. Based on these fundamentals, a novel auto-calibration approach is developed, facilitating the practical determination of perspective imaging geometries with minimal experimental constraints. A corresponding generalized formulation of the widely employed Feldkamp algorithm is given, allowing fast and flexible volume reconstructions from arbitrary tomographic imaging geometries. Iterative reconstruction techniques are likewise introduced for general projection geometries, with a particular focus on the efficient evaluation of the forward problem associated with tomographic imaging. A highly performant 3D generalization of Joseph's classic linearly interpolating ray casting algorithm is developed to this end and compared to typical alternatives. With regard to the anisotropic imaging modality required for tensor tomography, X-ray dark-field contrast is extensively reviewed. Previous literature is brought into a joint context and nomenclature and supplemented by original work completing a consistent picture of the theory of dark-field origination. Key results are explicitly validated by experimental data with a special focus on tomography as well as the properties of anisotropic fibrous scatterers. In order to address the pronounced susceptibility of interferometric images to subtle mechanical imprecisions, an efficient optimization based evaluation strategy for the raw data provided by Talbot interferometers is developed. Finally, the fitness of linear tensor models with respect to the derived anisotropy properties of dark-field contrast is evaluated, and an iterative scheme for the reconstruction of tensor valued volumes from projection images is proposed. The derived methods are efficiently implemented and applied to fiber reinforced plastic samples, imaged at the ID19 imaging beamline of the European Synchrotron Radiation Facility. The results represent unprecedented demonstrations of X-ray dark-field tensor tomography at a field of view of 3-4cm, revealing local fiber orientations of both complex shaped and low-contrast samples at a spatial resolution of 0.1mm in 3D. The results are confirmed by an independent micro CT based fiber analysis.},
  subject      = {Dreidimensionale Rekonstruktion},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Dremel2018,
  author    = {Dremel, Kilian},
  title     = {Modellbildung des Messprozesses und Umsetzung eines modellbasierten iterativen L{\"o}sungsverfahrens der Schnittbild-Rekonstruktion f{\"u}r die R{\"o}ntgen-Computertomographie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-157718},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {In der computertomographischen Schnittbildgebung treten Artefakte, also Anteile des Ergebnisses auf, die nicht Teil des gemessenen Objekts sind und die somit die Auswertbarkeit der Ergebnisse beeinflussen. Viele dieser Artefakte sind auf die Inkonsistenz des Modells der Rekonstruktion zur Messung zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. Gerade im Hinblick auf Artefakte durch die Energieabh{\"a}ngigkeit der rekonstruierten Schw{\"a}chungskoeffizienten und Abweichungen der Geometrieinformation des Rekonstruktionsmodells wird h{\"a}ufig der Weg einer Nachbearbeitung der Messdaten beschritten, um Rekonstruktionsartefakte zu vermeiden. Im Zuge dieser Arbeit wird ein Modell der computertomographischen Aufnahme mit Konzentration auf industrielle und materialwissenschaftliche Systeme erstellt, das nicht genutzt wird um die Messdaten zu ver{\"a}ndern, sondern um das Rekonstruktionsmodell der Aufnahmerealit{\"a}t anzupassen. Zun{\"a}chst werden iterative Rekonstruktionsverfahren verglichen und ein passender Algorithmus ausgew{\"a}hlt, der die gew{\"u}nschten Modifikationen des Aufnahmemodells erlaubt. F{\"u}r diese Modifikationen werden bestehende Methoden erweitert und neue modellbasierte Ans{\"a}tze entwickelt, die in den Rekonstruktionsablauf integriert werden k{\"o}nnen. Im verwendeten Modell werden die Abh{\"a}ngigkeiten der rekonstruierten Werte vom polychromatischen R{\"o}ntgenspektrum in das Simulationsmodell des Rekonstruktionsprozesses eingebracht und die Geometrie von Brennfleck und Detektorelementen integriert. Es wird gezeigt, dass sich durch die verwendeten Methoden Artefakte vermeiden lassen, die auf der Energieabh{\"a}ngigkeit der Schw{\"a}chungskoeffizienten beruhen und die Aufl{\"o}sung des Rekonstruktionsbildes durch Geometrieannahmen gesteigert werden kann. Neben diesen Ans{\"a}tzen werden auch neue Erweiterungen der Modellierung umgesetzt und getestet. Das zur Modellierung verwendete R{\"o}ntgenspektrum der Aufnahme wird im Rekonstruktionsprozess angepasst. Damit kann die ben{\"o}tigte Genauigkeit dieses Eingangsparameters gesenkt werden. Durch die neu geschaffene M{\"o}glichkeit zur Rekonstruktion der Kombination von Datens{\"a}tzen die mit unterschiedlichen R{\"o}ntgenspektren aufgenommen wurden wird es m{\"o}glich neben dem Schw{\"a}chungskoeffizienten die Anteile der Comptonabsorption und der photoelektrischen Absorption getrennt zu bestimmen. Um Abweichungen vom verwendeten Geometriemodell zu ber{\"u}cksichtigen wird eine Methode auf der Basis von Bildkorrelation implementiert und getestet, mit deren Hilfe die angenommene Aufnahmegeometrie automatisch korrigiert wird. Zudem wird in einem neuartigen Ansatz zus{\"a}tzlich zur detektorinternen Streustrahlung die Objektstreustrahlung w{\"a}hrend des Rekonstruktionsprozesses deterministisch simuliert und so das Modell der Realit{\"a}t der Messdatenaufnahme angepasst. Die Umsetzung des daraus zusammengesetzten Rekonstruktionsmodells wird an Simulationsdatens{\"a}tzen getestet und abschließend auf Messdaten angewandt, die das Potential der Methode aufzeigen.},
  subject      = {Dreidimensionale Rekonstruktion},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Mueller2007,
  author    = {M{\"u}ller, Kerstin Anni},
  title     = {Computergest{\"u}tzte 3D-Rekonstruktionen und stereologische Untersuchungen an Thalamus und Striatum von normalen und pathologisch ver{\"a}nderten Gehirnen des Menschen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-24472},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {Es wurden insgesamt sieben Gallozyanin-gef{\"a}rbte Schnittserien durch die rechte oder linke Hemisph{\"a}re von zwei Kontrollf{\"a}llen (m{\"a}nnlich, 28 Jahre, rechte Hemisph{\"a}re, weiblich, 65 Jahre, linke Hemisph{\"a}re), einem Fall mit Megalenzephalie (m{\"a}nnlich, 48 Jahre, linke Hemisph{\"a}re), einem Fall von M. Little (65 Jahre, m{\"a}nnlich, linke Hemisph{\"a}re), einem Fall von Alzheimerscher Krankheit (85 Jahre, weiblich, linke Hemisph{\"a}re) und einem Fall mit Huntingtonscher Krankheit (m{\"a}nnlich, 49 Jahre, beide Hemisph{\"a}ren) verwendet. Die zentralen Anteile der Hemisph{\"a}ren mit den kompletten Schnittserien durch Thalami und Corpora striata wurden mit einer digitalen Kamera in Nahaufnahmetechnik aufgenommen, mit einem kommerziellen Bildbearbeitungs-programm (Adobe Photoshop 6.0®) aufbereitet und die derart aufbereiteten Bilder am Computer mit einer Computer gest{\"u}tzten 3D-Rekonstruktionssoftware (Amira®) verar-beitet. Ein wesentlicher Schritt in der Bearbeitung besteht in der Abgrenzung von Thalamus und Striatum von den benachbarten Strukturen. Die hohe Schnittdicke von 440 µm erleichterte dabei die zytoarchitektonische Abgrenzung beider Kerngebiete. Anders als erwartet unterliegen auch Serienschnitte mit einer Dicke von 440 µm Schrumpfungsartefakten, die nicht immer auf den ersten Blick erkennbar sind. Aus diesem Grund beschr{\"a}nken sich die 3D-Rekonstruktionen nicht auf das manuelle Abgrenzen von Strukturen. Vielmehr m{\"u}ssen alle Schnitte sorgf{\"a}ltig den Koordinaten des Raumes angepasst, hintereinander in der z-Achse angeordnet und bei Bedarf gedreht und verschoben werden. Die Rekonstruktionssoftware bietet f{\"u}r diese Prozedur eine halbautomatische Unterst{\"u}tzung. Einzelne stark verformte Schnitte mussten aber dennoch teilweise aufw{\"a}ndig der Serie angepasst werden. Amira® bietet vielseitige M{\"o}glichkeiten in der Darstellung der r{\"a}umlich rekonstruierten Schnitte. Durch Interpolation werden die Rohdaten zum Teil stark ver{\"a}ndert und die urspr{\"u}nglich kantigen und eckigen Formen zunehmend gegl{\"a}ttet. Diese Gl{\"a}ttung ist der Erfahrung/Willk{\"u}r des Untersuchers anheim gestellt und folglich werden die Grenzen zwischen einer realistischen 3D-Rekonstruktion und einer Fiktion fließend. Neben 3D-Rekonstruktionen lassen sich mit Amira auch die Volumina von Striatum und Thalamus berechnen. Diese Daten wurden mit den stereologisch bestimmten Kernvolumina und Nervenzellzahlen verglichen. Grunds{\"a}tzlich liegen die mit Amira erhobenen Volumenwerte zwischen 1,4 und 6,65\% unter den stereologisch gesch{\"a}tzten Werten. Diese Diskrepanz ist bei der bekannten biologischen Variabilit{\"a}t des menschlichen ZNS akzeptabel und im Vergleich mit Literaturangaben und -abbildungen d{\"u}rften Form und Gr{\"o}ße der rekonstruierten Thalami und Corpora striata der Wirklichkeit weitgehend entsprechen. Die Nervenzellzahlen schwanken dabei in einem weiten Bereich zwischen rund 71 Millionen im Striatum bei Megalenzephalie und weniger als 7 Millionen bei Chorea Huntington. Im Thalamus liegt die Nervenzellzahl zwischen rund 18 Millionen (Kontrollfall) und etwas mehr als 6 Millionen bei dem untersuchten Fall mit M. Little. Ber{\"u}cksichtigt man die vielf{\"a}ltigen physiologischen Verbindungen zwischen Thalamus und Striatum, so lassen die Schwankungen in den Nervenzellzahlen auf komplexe Interaktionen und Defizite bei den untersuchten F{\"a}llen schließen. Im Ergebnis unerwartet ist die weitgehende Konstanz in Form und Aussehen von Thalamus und Striatum im Endstadium von Alzheimerscher Demenz und bei einem Fall von M. Little. Offensichtlich stehen globale Atrophie- bzw. Degenerationsprozesse bei der Alzheimerschen Krankheit im Vordergrund mit der Folge, dass Thalamus und Striatum trotz deutlicher Nervenzellausf{\"a}lle bei erh{\"o}hter Zahl von Gliazellen insgesamt nur wenig kleiner werden. Allerdings tat sich bei dem Fall mit M. Alzheimer an der Ventralseite des Thalamus eine Rinne auf, die bei den anderen untersuchten F{\"a}llen nicht gefunden und deren Ursache nicht gekl{\"a}rt werden konnte. Dramatisch erschienen die Gr{\"o}ßen- und Formver{\"a}nderung des Striatum beim Chorea-Huntington-Fall. Nervenzell- und Gliazellausf{\"a}lle im Striatum bei Chorea Huntington d{\"u}rften die ausgepr{\"a}gten makroskopischen Ver{\"a}nderungen erkl{\"a}ren. Die Kombination von Serienschnitttechnik mit hoher Schnittdicke und einer Computer gest{\"u}tzten 3D-Rekonstruktion bietet bisher nie da gewesene und faszinierende Aspekte vom Bau des menschlichen ZNS. Nach Import in spezielle Computersoftware zur Animation von 3D-Modellen er{\"o}ffnen die 3D-Rekonstruktionen auch neue Aspekte in der Pr{\"a}sentation der vermuteten Funktionsweise des ZNS. Dabei sollte aber in Anbetracht der komplexen methodischen Faktoren immer eine kritische Distanz zu vielf{\"a}ltigen Darstellungsformen am Bildschirm gewahrt bleiben.},
  subject      = {Dreidimensionale Rekonstruktion},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Hassouneh2003,
  author    = {Hassouneh, Mohammed H.},
  title     = {Interpretation of Potential Fields by Modern Data Processing and 3-dimensional gravity Modeling of the Dead Sea Pull-Apart Basin / Jordan Rift Valley (JRV)},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-4834},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {This work presents the analysis, 3D modeling and interpretation of gravity and aeromagnetic data of Jordan and Middle East. The potential field data delineate the location of the major faults, basins, swells, anticlines, synclines and domes in Jordan. The surface geology of Jordan and the immediate area east of the Rift is dominated by two large basins, the Al-Jafr basin in the south and the Al-Azraq-Wadi as Sirhan basin to the northeast. These two basins strike southeast-northwest and are separated by an anticlinal axis, the Kilwah-Bayir swell. The Karak Wadi El Fayha fault system occurs along the western flank of the swell. The Swaqa fault occurs on the southwest hinge of Al-Azraq basin and the Fuluq fault occurs on its northeast hinge. In the south west of Jordan, Wadi Utm-Quwaira and Disi-Mudawara fault zones are shown clearly in the aeromagnetic and gravity maps. The previous major faults are well correlated with the structural map of Jordan published by Bender (1968). 3D modeling of gravity data in the Dead Sea basin (DSB) was used together with existing geological and geophysical information to give a complete structural picture of the basin. The 3D models of the DSB show that the internal structure of the Dead Sea basin (DSB) is controlled by longitudinal faults and the basin is developed as a full graben bounded by sub-vertical faults along its long sides. In the northern planes of the 3D model, the accumulation of Quaternary (salt and marl) and Mesozoic (pre-rift) sediments are thinner than in the central and southern planes of the model. In the northern planes, the thickness of the Quaternary sediments is about 4 km, 5 km in the southern planes and it exceeds 8 km in the central planes of the DSR. The thickness of the pre-rift sediments reaches 10-12 km in the northern and southern planes and exceeds 15 km in the central planes of the DSR. The planes of the 3D models show that the depth to the crystalline basement under the eastern shoulders of the DSR is shallower than those beneath the western shoulders. It is about 3-5 km beneath the eastern shoulders and 7-9 km under the western shoulder of the DSR. The gravity anomaly maps of residual and first derivative gravity delineate the subsurface basins of widely varying size, shape, and depth along the Rift Valley. The basins are created by the combination of the lateral motion along a right-tending step over and normal faulting along the opposite sides. Al Bakura basin occupies the upper Jordanian River valley and extends into the southern Tiberias Lake. Bet Shean basin to the south of Al Bakura basin plunges asymmetrically toward the east. The Damia basin, comprising the central Jordan Valley and Jericho areas to the north of the Dead Sea is shallow basin (~600-800m deep). The Lisan basin is the deepest basin in the Rift. The 3D gravity models indicate a maximum of ~12 km of basin fill. Three basins are found in Wadi Araba area, Gharandal, Timna (Qa'-Taba) and Aqaba (Elat) basin. The three basins become successively wider and deeper to the south. The three regional gravity long E-W profiles (225 km) from the Mediterranean Sea crossing the Rift Valley to the east to the Saudi Arabia borders, show the positive correlation between topography and free air anomaly and strong negative Bouguer anomaly under the central part of the Dead Sea Basin (DSB) and normal regional Bouguer anomaly outside of the DSB in the transform valley. Depth to the top of the bedrock in the under ground of Jordan was calculated from potential field data. The basement crops out in the south west of Jordan and becomes deeper to northwards and eastwards to be about ~ 8 km below ground surface in the Risha area.},
  subject      = {Jordantal},
  language  = {en}
}