Presentations of the Institute of Photonics and Robotics - University of Applied Sciences of the Grisons

Abstract: Stereoskopische Bildverarbeitungsmodule haben aufgrund der benötigten Hardware (Bildaufnahme, 3D-Brille) nur begrenzten Erfolg in der Technik- und Konsumwelt. In den letzten Jahren hat vor allem der Spielesektor von spezialisierten VR-Brillen profitiert. Viele andere industrielle und biomedizinische Anwendungen, wie z.B. Tomografieverfahren oder CAD-Konstruktion, haben die erhöhten 3D-Renderingfähigkeiten heutiger Computerhardware bisher nicht voll ausgenutzt. Wir verwenden Standardhardware (Monitor und Webcam), um benutzerpositionsabhängige Projektionen von 3D-Daten ohne zusätzliche Spezialbrillen anzuzeigen. Der Ansatz bietet viele Anwendungsmöglichkeiten von der medizinischen Bildgebung über Konstruktion und CAD-Design, Architektur bis hin zu Kunst und Performances. Abhängig von dem Ort des Nutzers, werden die 3D-Daten für den jeweiligen Benutzersichtwinkel (Zoom) und die Blickrichtung unterschiedlich gerendert. Wenn sich der Benutzer vor dem Monitor bewegt, werden verschiedene Bereiche des gerenderten Objekts sichtbar. Wenn der Benutzer sich dem Bildschirm nähert, verringert sich der Ansichtswinkel, was durch eine vergrößerte Version des gerenderten Objekts visualisiert wird.

Abstract: Der Einsatz photonischer Technologien setzt sich in den kommenden Jahren verstärkt fort. Bildverarbeitung spielt bei diesen Entwicklungen eine zentrale Rolle. Mit Beiträgen aus der Industrie wurde ein Bachelor-Curriculum mit Schwerpunkt «Bildverarbeitung» für Studierende der Ingenieurwissenschaften konzipiert. Ein wichtiges Ziel des Kurses war es, theoretische und praktische Erfahrungen in Automatisierungstechnologien zu vermitteln, die für zukünftige Ingenieure von größter Bedeutung sein werden. In diesem Beitrag werden wichtige Konzepte unseres Bildverarbeitungskurses vorgestellt, und praktische Geräte und Laborausstattung beschrieben, die für diesen Kurs bereitgestellt wurden. Der dreigeteilte Kurs besteht aus Präsenzsequenzen, aus Übungssequenzen mit Programmieraufgaben, sowie aus einer Phase Problemorientierten Lernens (POL), in welcher die Studierenden ihre eigenen Bildverarbeitungsprojekte realisieren. Es werden einige Beispielprojekte aus dem Frühjahrs- bzw. Herbstsemester 2018 vorgestellt. Kursinhalt und -materialien wurden hinsichtlich des technischen Gehalts und der Lerneffektivität bewertet. Die Ergebnisse dieser Bewertung werden in diesem Beitrag vorgestellt.

Abstract: Die Unterscheidung zwischen Echtholz und Nachbildungen ist wichtig für die Bewertung von Möbeln und Wohnraum. Moderne Oberflächenfertigungsverfahren machen es dem menschlichen Auge praktisch unmöglich, die verwendeten Baumaterialien richtig zu identifizieren, ohne das Objekt zu beschädigen. Wir präsentieren eine rein optische Technik zur Klassifizierung verschiedener Eichenparkettmaterialien anhand eines Beleuchtungsschemas mit acht verschiedenen Spektren von UV bis IR. Das System diente der Unterscheidung zwischen Vinyl-Replik und fünf verschiedenen Echtholz-Eichendekors, wobei eine Klassifizierungsgenauigkeit von 97% erreicht wurde. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind die Suche nach passenden Ersatzdekors beim Austausch schadhafter Panelen, z.B. nach Reparaturen.

Abstract: Die Grenzen der konventionellen Lichtmikroskopie („Abbe-Limit“) hängen entscheidend von der numerischen Apertur (NA) der Objektivlinse ab. Die Bildgebung bei großen Arbeitsabständen oder einem großen Sichtfeld erfordert typischerweise Objektive mit niedriger NA, wodurch die optische Auflösung auf den Bereich von mehreren Mikrometern reduziert wird. Basierend auf numerischen Simulationen der Intensitätsfeldverteilung stellen wir ein Beleuchtungssystem für ein hochauflösendes Mikroskop vor, das eine dreidimensionale (3D) optische Auflösung um 150 nm für Arbeitsabstände bis zum Zentimeterbereich ermöglicht. Grundsätzlich erlaubt das System eine große Flexibilität, da das Beleuchtungskonzept zur Annäherung an die Punktspreizfunktion herkömmlicher Mikroskopoptiken mit dem zusätzlichen Vorteil einer anpassbaren Pupillenfunktion verwendet werden kann. Verglichen mit dem Abbe-Limit unter Verwendung einer Objektivlinse mit einem so großen Arbeitsabstand wird ein Volumenauflösungspotenzial in der Größenordnung von 104 geschätzt.

Abstract: Recent advancements in microscopic image analysis have made use of the tremendous progress that artificial intelligence has seen in the evaluation of digital images. The application of deep learning techniques to microscopic image analysis ranges from image restoration and denoising to automated cellular and subcellular profiling to generation of augmented reconstructed image data, encompassing e.g. super-resolution images from single molecule localization microscopy data, virtual refocussing, content aware neuronal reconstructions and many more. However, deep learning methods are generally based on the availability of large amounts of reliable ground truth data. In the talk I will highlight some of the recent advances in deep learning applied to microscopic data with a focus on applications for super-resolution microscopy.

Abstract: Door Area Monitoring is an important focus of automated door manufacturers. Presently available door area analytics can not only detect a person wishing to pass through the door, but also discriminate the speed and direction of travel. We use a miniaturized door automation system to study such systems far beyond the conventional detection capabilities required for opening and closing the door: Doors are only partially opened where needed, and at a higher level, the results of image and ranging sensor data evaluation such as gender, age, customer identification etc. can be fed into smart building surveillance.

Abstract: Spatially Modulated Illumination Microscopy (SMI) in combination with reference objects of known size to reconstruct the Point Spread Function (PSF) is applied to determine the size of individual fluorescent objects. SMI employs a structured illumination to obtain information about the specimen far beyond the conventional resolution limit. Size determination is based on small perturbations of the intensity modulation by the fluorescent objects. The SMI-PSF is used to derive the object size from these perturbations. Reference objects with known dye distribution are added to the sample to reconstruct the PSF. We present data from measurements on fluorescent microspheres with diameters between 40 and 200 nm using an excitation wavelength of 488 nm. Applications of gene expression analysis, transcription factories analysis, protein cluster analysis, and gene compaction analysis prepared on conventional microscope slides are shown. The size values obtained are about two orders of magnitude smaller compared to the extension of the illumination or observation volume, respectively, in a confocal laser scanning microscope using a high numerical aperture objective lens.

Abstract: Wie verstehen Suchmaschinen und Chatbots Benutzeranfragen? Prof. Corsin Capol gibt Schülerinnen und Schülern einen Überblick, welche Schritte durch eine Maschine notwendig sind, damit Maschinen Menschen verstehen.

Abstract: With the rise of alternative accommodations such as rental holiday homes, the need for a service to manage such accommodations is growing. The planning of human resources is still a major challenge. This is especially true for the management of multiple holiday homes where distances between properties vary and demand is flexible. The goal is therefore to develop a software that predicts the number of people departing for each day of the next four weeks. Within this context, the forecast supports the management in mid-term human ressource planning. The authors offer a research prototype, predicting a flexible demand and translating this demand into a staff requirement. The time series exhibits several interesting characteristics. It consists of strictly positive integer values, of which many are zeros, it shows multiple seasonalities with different cycles and numerous anomalies due to Covid-19. Multiple state-of-the-art models and methods were tuned and tested until Facebook Prophet was chosen as forecasting technique. The addition of context specific regressors to the model is essential for generating valuable forecasts. The prototype software allows the training of the model once new data becomes available. Furthermore, its integration into the staff assignment planning and time recording software of the tourism property management company ensures its ease of use.

Abstract: In recent years, time-of-flight (ToF) cameras have emerged as a reliable and cost-effective way to provide high frame-rate range imaging. Today, this technology is used to address a wealth of applications including object detection, collision prevention, or gesture recognition. Here, we describe the implementation of the technology for underwater applications. The challenge arising from this adaptation is that the near-IR regime, in which current ToF sensors typically operate, is far from ideal for this application due to the strong absorption of liquid water. We show that by operating existing ToF imaging chips in combination with LED light sources at visible wavelengths, distance sensing with ranges on the meter level can be realized. We find that the attainable performance depends on a variety of parameters, such as the wavelength dependent absorption of water, the emitted optical power and response times of the LEDs, or the spectral sensitivity of the TOF chip. An in-depth analysis of the interplay between the different parameters is given and the performance of underwater TOF imaging using different visible illumination wavelengths is analyzed.

Abstract: Makerspaces sind ein vieldiskutiertes mögliches Betätigungsfeld für Bibliotheken in der Zukunft. An der HTW Chur wurde ein LibraryLab eingerichtet, in dem sich Studierende mit dem Konzept Makerspace und mit verschiedenen Technologien vertraut machen können. Im Workshop werden dieses LibraryLab sowie die Ergebnisse eines Projektkurses mit Studierenden präsentiert und veranschaulicht. Gleichzeitig werden die Möglichkeiten und Grenzen für Bibliotheken und Bibliotheksmitarbeitende im Kontext Makerspaces diskutiert.

Abstract: Schon heute bieten die E-Books-Formate EPUB2 und EPUB3 neue Funktionen, wie z.B. die Integration multimedialer oder interaktiver Elemente. Apple verfolgt mit seinen iBooks einen eigenen Weg, der sich nicht an die offenen Standards hält. Welche Möglichkeiten haben Autorinnen und Autoren oder allenfalls auch Bibliotheken, um hochwertige E-Books zu produzieren? Wie unterscheidet sich das prinzipiell Mögliche von dem aktuellen Angebot der Verlage? Wie könnte ein multimediales, interaktives E-Book aussehen, das nach offenen Standards im Eigenverlag produziert wird? Die Referenten berichten auf der Grundlage eines an der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Chur durchgeführten Projekts und Projektkurses zum Thema E-Books. Bruno Wenk ist als Professor für Multimedia-Kommunikationssysteme für die technischen Aspekte, Rudolf Mumenthaler als Professsor für Bibliothekswissenschaft für die Fragen der Nutzung von E-Books zuständig.

Abstract: An appropriate design of the propulsion system for micro helicopters is an important task since most of the power on the helicopter is used for propulsion. While it is common to optimize the rotor aerodynamics, the drive train is mostly neglected. This is not sufficient for the rotor design, since it is not guaranteed that the electro motor can drive the rotor at its optimal point. Thus it is crucial to include the drive train in the simulation. This is done by using numerical Blade Element Momentum Theory (BEMT) for aerodynamic simulation which is extended by the drive train equation for truthful simulations. The new code is then used to investigate different rotor blade parameters on the drive train on the muFly helicopter. The results show that for the given drive train a thin blade with moderate camber, strong taper and twist performs best in turns of thrust to electrical power ratio.

Abstract: Introduction to eye safety assessments according to DIN EN 60825 and 62471. Focus on the application of these standards to various typical products containing emission and illumination from laser and LED as well as some of technical aspects regarding the measurements involved.