Three-dimensional facial measurement by portrait holography and texture based focus detection

Die vorliegende Arbeit behandelt das Problem der automatischen dreidimensionalen Gesichtsvermessung unter Verwendung des reellen Bildes eines analogen Hologramms durch die Detektion des Bildkontrastes, der durch die naturliche Struktur der Hautoberflache entsteht. Damit ist es zum ersten Mal moglich, digitale Modelle von Gesichtsoberflachen aus Portraithologrammen zu erstellen, die eine hochauflosende Textur beinhalten, die pixelgenau der Oberflache zugeordnet werden kann. Die vorgestellten Verbesserungen des Systems ermoglichen zudem augensichere Aufnahmen des Gesichts. Diese beiden Aspekte sind von entscheidender Bedeutung fur das Hauptanwendungsgebiet der holografischen Gesichtsvermessung, namlich die Planung und Bewertung von Operationen in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Die Aufnahmen von Portraithologrammen werden mit einer holografischen Kamera durchgefuhrt, die mit einem gepulsten Laser arbeitet. Das reelle Bild der Objektwelle wird optisch rekonstruiert. Schnittbilder des dreidimensionalen reellen Bildes des Portraithologramms werden digital aufgezeichnet und numerisch ausgewertet. Das optische Auslesen des Hologramms wird im Rahmen dieser Arbeit durch die Kompensation von Abbildungsfehlern verbessert. Durch die so erreichte laterale Auflosung im reellen Bild (<100µm) ist es moglich, einzelne Hautporen der Gesichtsoberflache kontrastreich darzustellen. Damit kann die bisher notwendige Musterprojektion zur Kontrastverstarkung vermieden werden. Das hat den entscheidenden Vorteil, dass Streuscheiben zur Beleuchtung des Gesichts verwendet werden konnen, wodurch Augensicherheit bei der Aufnahme der Hologramme erreicht wird. Die Aufnahme der Schnittbilder des reellen Bildes wird verbessert, indem die bisherige Abbildung der Schnittbilder mittels einer Streuscheibe durch ein direktes Einlesen der Schnittbilder mit einem CMOS Dokumentenscanner ersetzt wird. Weiterhin wird ein komplementares Schema zur Bestimmung der Objektoberflache aus dem Hologramm untersucht, das auf Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem virtuellen Bild des Referenzstrahls beruht. Zur Gewinnung der Objektoberflache aus einer Schnittbildserie des reellen Bildes wird digitale Bildverarbeitung angewendet. Ein Standardverfahren zur Fokusdetektion ist Kontrastmaximierung in einer lokalen lateralen Pixelumgebung. Ein solches Verfahren wird in Verbindung mit raumlicher Filterung zur Reduzierung von unscharfen Uberlagerungen und Bildrauschen auf die holografischen Daten angewendet. Die Ergebnisse werden mit denen eines neu entwickelten Ansatzes verglichen, der auf der Detektion axialer Fokuseigenschaften beruht. Kontrastmaximierung liefert aufgrund der guten Robustheit gegenuber Bildrauschen eine gute Annaherung an die gesuchte Oberflache. Das Ergebnis kann dann durch axiale Fokusdetektion deutlich verfeinert werden. Als Ergebnis der beschrieben Prozedur werden texturierte Computermodelle der Gesichtsoberflache gewonnen. Als Textur, die den Modellen zugeordnet wird, dient die Helligkeitsinformation aus dem reellen Bild an der Stelle der detektierten Oberflache. Zudem ist es nun auch moglich, Computermodelle aus Spiegelbildern zu erstellen, die im Hologramm aufgenommen werden. So konnen beispielsweise drei Ansichten eines Gesichts in einem einzigen Hologramm zeitgleich aufgezeichnet und anschliesend drei Computermodelle der Teilansichten gewonnen werden. Grundsatzlich lassen sich so auch Panorama-Aufnahmen eines Gegenstandes in einem einzigen Hologramm erfassen, wie anhand eines Testobjekts gezeigt wird. Schlieslich werden Anwendungsbeispiele prasentiert. Als typische medizinische Anwendung wird eine Epithesenanpassung vorgestellt. Die holografische Technologie kann kunftig unter Verwendung einer mobilen Holografiekamera in groserem Masstab in Kliniken eingesetzt werden. Eine Anwendung aus dem Bereich der Archaologie wird prasentiert. Auserdem wird anhand eines konkreten Falls gezeigt, dass Weichgewebedaten aus holografischer Gesichtsvermessung zur Bewertung verschiedener Verfahren der forensischen Gesichtsrekonstruktion verwendet werden konnen.