Robuste Handkonturerkennung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Die Hand wird in der Informatik als Interaktionsinstrument zunehmend wichtiger. Schon heute gibt es einige Systeme bei denen der Benutzer seine Eingaben nicht mehr mit Maus und Tastatur, sondern mit Hilfe seiner Hände vornimmt. Der große Vorteil hiervon ist, dass man Objekte wie in der realen Welt manipulieren kann. Z.B. ist es nicht ganz klar, wie man ein 3D-Objekt wie eine Tasse mit Maus und Tastatur greift. Mit der Hand ist diese Aufgabe ganz natürlich ausführbar und muss nicht extra erlernt werden. Um eine solche Interaktion zu unterstützen ist ein Handtracking notwendig.
Man unterscheidet hierbei zwischen einem System zur Erkennung vorher festgelegter Gesten und einem Tracking aller möglichen Handstellungen. Bei der Gestenerkennung können nur solche Gebärden erkannt werden, die dem auch System bekannt sind. Diese Menge ist beschränkt und muss vor dem Tracking festgelegt werden. Das Verfahren kann man daher auch als eine Klassifizierungsaufgabe betrachten.
Hier wird ausschließlich das vollständige Handtracking betrachtet, da es flexibler einsetzbar ist, und keinen Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl der verschiedenen zu erkennenden Handstellungen unterliegt.
Problemstellung: Hier wird ein Verfahren präsentiert, welches die Handkontur ohne Vorkenntnis erkennen kann. Das Verfahren soll in der Lage sein die Hand auch unter schwierigen Bedingungen wie Verdeckung, schlechten Lichtverhältnissen oder verrauschten Bildern zu erkennen. Hierdurch wird die Initialisierung eines Handtrackingvorgangs erheblich vereinfacht.
Durch ein Verfahren zur Erkennung der Handkontur ohne Vorkenntnisse entfällt die Notwendigkeit, zu Beginn des Handtrackings ein manuelles matching durchzuführen. Der Benutzer muss lediglich seine Hand zu Beginn des Trackings in einer vorgeschriebenen Geste zeigen, und die Konturerkennung führt die Initialisierung durch. Eine auf diese Weise korrekt erkannte Hand bietet eine sehr viel bessere Initialposition, als bei der manuellen Initialisierung. Der Startzustand des Handtrackingalgorithmus wird demnach optimal bestimmt. Beim anschließenden ersten Durchgang des Trackings der Hand startet das Optimierungsverfahren dann aus einer ähnlichen Startposition, wie im weiteren Verlauf auch. Dient während des Trackings der zuletzt erkannte Handzustand als Schätzung des aktuellen, bietet die erkannte Handkontur am Anfang eine (mindestens) ebenso gute Annahme.
Durch die Erkennung der Handkontur erhält man auch eine [...]

1;Robuste Handkonturerkennung - Initialisierung eines Handtrackingverfahrens;1 2;Inhaltsverzeichnis;3 3;1. Einleitung;5 3.1;1.1. Überblick über verschiedene Handtrackingverfahren;6 3.2;1.2. Das Handtrackingsystem der Uni Bonn;8 3.3;1.3. Zielsetzung dieser Arbeit;12 4;2. Instrumente für die Segmentierung von Bildern;15 4.1;2.1. Snakes;17 4.2;2.2. Diffusion Snakes;20 4.3;2.3. Simplified Diffusion Snakes;21 4.4;2.4. (Simplified) Diffusion Snakes mit Vorabinformationen;22 5;3. Der Minimierungsprozess;24 5.1;3.1. Aktualisierung der Approximationsfunktion;26 5.1.1;3.1.1. Diffusion Snake;26 5.1.2;3.1.2. Cartoon Limit;30 5.2;3.2. Aktualisierung der Kontur;31 5.2.1;3.2.1. Diffusion Snake;31 5.2.2;3.2.2. Cartoon Limit;34 6;4. Erstellung der Trainingsdaten;35 6.1;4.1. Hautfarbesegmentierung;37 6.1.1;4.1.1. Konvertierung von RGB nach HSV;38 6.1.2;4.1.2. Trainieren der Hautfarbesegmentierung;39 6.2;4.2. Erkennung von Handfeatures in Binärbildern;41 6.3;4.3. Ausrichtung der B-Splines;44 6.4;4.4. Berechnung der Kovarianzmatrix für das Trainingsset;47 7;5. Die Priorenergie;49 7.1;5.1. Zentrierung der Kontrollpunkvektoren;50 7.2;5.2. Ausrichtung mit Hilfe der Frobenius Norm;52 7.3;5.3. Berechnung der Priorenergie;54 8;6. Ergebnisse;55 8.1;6.1. Ellipse;55 8.1.1;6.1.1. Cartoon Limit;57 8.1.2;6.1.2. Diffusion Snake;60 8.2;6.2. Hand;63 8.2.1;6.2.1. Cartoon Limit;65 8.2.2;6.2.2. Diffusion Snake;69 9;7. Fazit & Ausblick;72 9.1;7.1. Fazit;72 9.2;7.2. Ausblick;74 10;8. Appendix A: Bestimmung des optimalen Winkels bei der Ausrichtung zweier Konturen;75 11;9. Appendix B: Ableitung des zweiten Terms der Priorenergie;77 12;10. Appendix C: Die Euler-Lagrange Gleichung im Zweidimensionalen;78 13;11. Appendix D: Die Frobenius Norm;81 14;12. Literaturverzeichnis;82 15;13. Abbildungsverzeichnis;84