Kapitel 3

Ausarbeitung/03points.tex

 \chapter{3D Aufnahmen mit Punktwolken}
 \label{chapter:03points}
 Damit ein Experte assistierend zugeschaltet werden kann, benötigt dieser Informationen zu dem problematischen Objekt.
-Diese Daten sollen dem Experten anschließend in einer VR Umgebung  präsentiert werden. Deshalb sollte die Aufnahme ein 3D Scan sein.
+Diese Daten sollen dem Experten in einer VR Umgebung  präsentiert werden. Deshalb sollte die Aufnahme ein 3D Scan sein.
 Ziel der Arbeit war es, eine Lösung für das Aufnehmen der benötigten 3D Daten zu finden, die einfach bedienbar ist und ohne aufwendige Nachbearbeitung oder Berechnungen auskommt.
 Die Entscheidung fiel auf die Aufnahme und Visualisierung von 3D Punktwolken.
 
 Als Sensor wurde die Kinect ausgewählt. Diese ist günstig, portabel und wird in der Forschung häufig als 3D Sensor eingesetzt.
-Die Kinect als Sensor bietet die Möglichkeit, aus einzelnen Aufnahmen, bestehend aus einem Farbbild und einem Tiefeinbild, eine Punktwolke aus der Perspektive der Kinect zu errechnen.
-Eine Aufnahme (ein Frame) beinhaltet aber nur alle Informationen, die aus der Perspektive der Kamera sichtbar sind. 
+Die Kinect als Sensor bietet die Möglichkeit, aus einzelnen Aufnahmen, bestehend aus einem Farbbild und einem Tiefenbild, eine Punktwolke aus der Perspektive der Kinect zu errechnen.
+Eine Aufnahme (ein Frame) beinhaltet aber nur die Informationen, die aus der Perspektive der Kamera sichtbar sind. 
 Das beinhaltet zum einen die Flächen der nächsten Oberfläche. % @@@ zum anderen fehlt
-Dahinterliegende Geometrie wird verdeckt und ist aus einer Perspektive nicht sichtbar(siehe \ref{img:KinectSides} (a)).
+Dahinterliegende Geometrie wird verdeckt und ist aus einer Perspektive nicht sichtbar (siehe \ref{img:KinectSides} (a)).
 Außerdem sind an Kanten meist nicht genügend Informationen in der Aufnahme enthalten, sodass seitliche Flächen richtig in Punkte konvertiert werden können. %@@@ statt ``sodass'' muss des doch ``damit'' heißen, oder? 
 In vielen Fällen führt das zu falschen und nicht existierenden Flächen der errechneten Punktwolke (siehe \ref{img:KinectSides} (b)).
 Diese Informationen aus einer Aufnahme reichen für die Visualisierung in VR für den Experten nicht aus.
@@ -17,7 +17,7 @@ Das Objekt sollte von allen Seiten gescannt werden, damit der Experte frei entsc
 
 Um eine Punktwolke zu erhalten, die das gesamte Objekt abdeckt, werden mehrere Aufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven gemacht.
 Diese Aufnahmen müssen aber anschließend richtig zu einer großen Punktwolke zusammengefügt werden.
-Eine Möglichkeit 2 Aufnahmen zusammenzufügen, ist über die Transformation zwischen den Kamerapositionen.
+Eine Möglichkeit, 2 Aufnahmen zusammenzufügen, ist über die Transformation zwischen den Kamerapositionen.
 Mit dieser Transformation lässt sich eine Punktwolke aus einem Frame in das Koordinatensystem einer anderen Aufnahme transformieren.
 Um diese Transformation zu errechnen, gibt es einige Ansätze, die aber meist rechenaufwändig und fehleranfällig sind.\todo{ref realted work}
 In dieser Arbeit wurde die Kinect mit dem Lighthouse Tracking der HTC Vive verbunden.
@@ -37,34 +37,34 @@ Das spart Zeit und Rechenleistung und bietet somit eine einfache und schnelle MÃ
 \section{Frames aufnehmen und bereinigen}
 Im ersten Schritt wird ein Frame mit der Kinect aufgenommen.
 Die Rohdaten der Kinect sind verrauscht und deshalb wird das Tiefenbild geglättet.
-Anschließend wird das Tiefen- und Farbbild in 3D Punkte umgewandelt und unerwünschte Punkte verworfen.
+Anschließend wird das Tiefen- und Farbbild in 3D Punkte umgewandelt und unerwünschte Punkte verworfen. 
 
 \subsection{Aufnahme und Glättung}
 Zum Aufnehmen einer Punktwolke aus einem Frame wird das Kinect SDK verwendet.
 Sowohl das Tiefeinbild auch als auch das Farbbild kann man aus der API erhalten.
-Anschließend wird das Tiefenbild geglättet um glattere Oberflächen in der Punktwolke zu erhalten.
+Anschließend wird das Tiefenbild geglättet, um glattere Oberflächen in der Punktwolke zu erhalten.
 Hierfür braucht man einen Filter, der zwar die Flächen glättet, aber gleichzeitig die Objektkanten erhält.
 Ein bilateraler Filter erzielt den gewünschten Effekt ist aber relativ rechenaufwändig.
-Im Paper \cite{Martin:2014:RTH} wird hierfür ein Filter vorgestellt den auch in dieser Ausarbeitung verwendet wurde.
+Im Paper \cite{Martin:2014:RTH} wird hierfür ein Filter vorgestellt, der auch in dieser Ausarbeitung verwendet wurde.
 Hierbei wird zunächst das Bild mit einem Gauß-Filter geglättet.
 Dieser ist nicht kantenerhaltend. Deshalb wird das geglättet Bild anschließend mit dem Original verglichen. 
-Bei zu starker Abweichung vom Original wird der Wert des Pixels auf das Original zurückgesetzt.
+Bei zu starker Abweichung vom Original wird der Wert des Pixels auf das Original zurückgesetzt. %@@@ Wann ist eine Abweichung stark? Und über welches Pixel sprichst du?
 
 Nach der Glättung des Tiefenbildes wird dieses in eine Punktwolke umgewandelt.
 Hierfür wurde ebenfalls das Microsoft Kinect SDK verwendet, das alle benötigten Methoden bereitstellt.
 
 Nach der Umwandlung werden noch weitere Punkte verworfen:
-Zunächst werden alle Punkte ohne zuordnungsfähige Farbe verworfen um ein schönere Aufnahme zu erhalten.
-Der Farbsensor ist nicht an der gleichen Stelle der Kinect und deshalb kann es vorkommen, dass die Tiefeinkamera Geometrie aufnimmt, die aus Sicht der Farbkamera verdenkt ist.
-Außerdem hat der Tiefeinsensor eine andere Auflösung und ein anderes Seitenverhältnis als die Farbkamera, sodass es am oberen und unteren Rand zu nicht farbigen punkten kommt.
+Zunächst werden alle Punkte ohne zuordnungsfähige Farbe verworfen, um ein schönere Aufnahme zu erhalten.
+Der Farbsensor ist nicht an der gleichen Stelle der Kinect und deshalb kann es vorkommen, dass die Tiefenkamera Geometrie aufnimmt, die aus Sicht der Farbkamera verdenkt ist.
+Außerdem hat der Tiefeinsensor eine andere Auflösung und ein anderes Seitenverhältnis als die Farbkamera, sodass es am oberen und unteren Rand zu nicht farbigen Punkten kommt.
 Auch alle Punkte, die zu nah oder zu weit vom Sensor entfernt sind, werden nicht weiter betrachtet.
 Je weiter das Objekt entfernt ist, desto ungenauer werden die Aufnahmen.
 Im folgenden wurde ein Mindestabstand von 30cm und ein Maximalabstand von 90cm verwendet.
 
-Als letztes werden alle Flächen deren Oberflächennormale zu weit von dem Kameravektor abweicht (siehe Abb \ref{img:KinectSides} b)
+Als letztes werden alle Flächen, deren Oberflächennormale zu weit von dem Kameravektor abweicht (siehe Abb \ref{img:KinectSides} b), %@@@ wie geht der Satz weiter?
 Diese Flächen entstehen durch die Umwandlung des 2D Tiefenbildes in eine 3D Punktwolke. 
 Die benötigten Informationen fehlen an dieser Stelle und Punkte werden auf die Fläche zwischen Oberflächenobjekt und Hintergrund gesetzt.
-Diese Ebene stimmt nicht mit der wirklichen Oberfläche überein und diese falschen Punkte müssen entfernt werden. 
+Diese Ebene stimmt nicht mit der wirklichen Oberfläche überein. Diese falschen Punkte müssen entfernt werden. 
 Hierfür wird die Oberflächennormale verwendet.
 Die Normale wird aus dem Tiefenbild geschätzt.
 \begin{equation}
@@ -106,21 +106,21 @@ Der Fehler im lokalen Koordinatensystem wird in das globale transformiert und is
   \end{center}
 \end{figure}
 
-In der offiziellen Dokumentation der Kinect ist beschrieben, dass der Ursprung von Punktwolken imTiefensensor liegt (siehe \cite{KinectDoku}).
+In der offiziellen Dokumentation der Kinect ist beschrieben, dass der Ursprung von Punktwolken im Tiefensensor liegt (siehe \cite{KinectDoku}).
 Leider fehlt die exakte Positionsangabe im Gehäuse.
 Im Bild \ref{img:KinectOrigin} aus dem chinesischen Microsoft Forum ist eine von  Benutzern vermessene schematische Darstellung der Kinect abgebildet.
 Der Tiefensensor liegt hinter der kleineren runden Öffnung.
-Die exakte Position ließ sich ohne die Kienct zu zerlegen nicht ermitteln, da auch Fertigungsungenauigkeiten die genaue Position beeinflussen können.
+Die exakte Position ließ sich nicht ermitteln, ohne die Kinect zu zerlegen, da auch Fertigungsungenauigkeiten die genaue Position beeinflussen können.
 Für die Implementation wurde angenommen, dass er sich mittig hinter der Öffnung befindet.
-Eine digitale Kalibrierung gestaltet sich schwierig, da das Lighhouse Tracking des Controllers zusätzlich einige Ungenauigkeiten mit sich bringt.
+Eine digitale Kalibrierung gestaltet sich schwierig, da das Lighthouse Tracking des Controllers zusätzlich einige Ungenauigkeiten mit sich bringt.
 Der Ursprung des Controllers lässt sich aus den Modellen von Steam VR auslesen (siehe Abb.\ref{img:KinecttoVive} (c))
-Dieser liegt geschickt für VR Anwendungen da die Z-Achse in der Hand liegt. 
-Aber das für das Tracking von Objekten liegt der Ursprung ungeschickt, da er im inneren des Controllers liegt und es keine ebene Auflagefläche parallel zu den Achsen gibt.
+Dieser liegt geschickt für VR Anwendungen, da die Z-Achse in der Hand liegt. 
+Aber für das Tracking von Objekten liegt der Ursprung ungeschickt, da er im Inneren des Controllers liegt und es keine ebene Auflagefläche parallel zu den Achsen gibt.
 Bei der Implementation stand noch kein Vive Tracker zur Verfügung.
-Die Tracker sind extra Sensoren die für das Tracken von Objekten mit dem Lighthouse System entwickelt wurden.
+Die Tracker sind zusätzliche Sensoren, die für das Tracken von Objekten mit dem Lighthouse System entwickelt wurden.
 Bei diesen ist der Ursprung in der Schraube und parallel zur Auflagefläche (siehe Abb. \ref{img:Tracker}).
 Für die Arbeit wurde der Controller so nah wie möglich an dem Tiefensensor, also direkt darüber angebracht (siehe Abb. \ref{img:KinecttoVive}).
-Als Hilfe wurde ein 3D gedruckter Zylinder verwendet der in den Ring des Controllers passt.
+Als Hilfe wurde ein 3D gedruckter Zylinder verwendet, der in den Ring des Controllers passt.
 
 
 \begin{figure}
@@ -137,14 +137,14 @@ Als Hilfe wurde ein 3D gedruckter Zylinder verwendet der in den Ring des Control
     \subfigure[Kinect mit Controller]{\includegraphics[width=0.32\textwidth]{Bilder/KinecController1.JPG}} 
     \subfigure[Relative Position in 3D\label{img:KinecttoVive-3D}]{\includegraphics[width=0.32\textwidth]{Bilder/KinectToVive.png}} 
 \caption{Befestigung des Controllers an der Kinect. Die Mitte des Controllers ist direkt über dem Tiefensensor.
-In Bild \ref{img:KinecttoVive-Befestigung} ist die 3D gedruckte Halterung zu sehen. Der Controller wird auf den Zylinder gesteckt. In \ref{img:KinecttoVive-3D} ist die Virtuelle Repräsentation. Koordinatenkreuze zeigen den jeweiligen Ursprung des Geräts (X-, Y- und Z-Achse in rot, grün und blau)}
+In Bild \ref{img:KinecttoVive-Befestigung} ist die 3D gedruckte Halterung zu sehen. Der Controller wird auf den Zylinder gesteckt. In \ref{img:KinecttoVive-3D} ist die virtuelle Repräsentation. Koordinatenkreuze zeigen den jeweiligen Ursprung des Geräts (X-, Y- und Z-Achse in rot, grün und blau)}
  \label{img:KinecttoVive}
 \end{figure}
 
 \begin{figure}
   \begin{center}
     \includegraphics[width=\textwidth]{Bilder/TrackerCoordinates.png}
-    \caption{Ursprung des Vive Trackers aus der offiziellen Dokumentation. Er ist in der Befestigung schraube und parallel zu der Auflagefläche.}
+    \caption{Ursprung des Vive Trackers aus der offiziellen Dokumentation. Er ist in der Befestigungsschraube und parallel zu der Auflagefläche.}
     \label{img:Tracker}
   \end{center}
 \end{figure}
@@ -156,10 +156,10 @@ Die Ungenauigkeiten des Trackings und Fehler in der Kalibrierung führen aber zu
 Zwischen 2 Aufnahmen und den daraus resultierenden Punktwolken ist ein Versatz bis zu 2--3 cm sichtbar.
 In einer 3D-Umgebung, insbesondere in VR, ist das eine zu große Ungenauigkeit.
 Durch die Ungenauigkeiten des Trackings verändert sich die Genauigkeit und damit der Versatz der Punktwolken ständig.
-Vergleicht man mit einem 2m Meterstab die reale Distanz mit der realtiven Distanz in VR, so erhält man in VR eine Länge von 1,98 bis 2 m
-Die Distanz ist hierbei abhängig von der Orientierung zu den Basisstationen und der aktuellen Kalibrierung des Lighthous Tracking Systems.
+Vergleicht man mit einem 2m Meterstab die reale Distanz mit der relativen Distanz in VR, so erhält man in VR eine Länge von 1,98 bis 2 m
+Die Distanz ist hierbei abhängig von der Orientierung zu den Basisstationen und der aktuellen Kalibrierung des Lighthouse Tracking Systems.
 Dieses Problem erschwert es, die Kalibrierung zwischen Controller und Kinect zu überprüfen.
 
-Im Gegensatz zur Translation war die Messung der Rotation sehr genau und erzeugte keine Sichtbaren Fehler beim Zusammenfügen der unterschiedlichen Punktwolken. 
+Im Gegensatz zur Translation war die Messung der Rotation sehr genau und erzeugte keine sichtbaren Fehler beim Zusammenfügen der unterschiedlichen Punktwolken.