Design of electron band pass filters for electrically biased finite superlattices

We design optimal band pass filters for electrons in semiconductor heterostructures, under a uniform applied electric field. The inner cells are chosen to provide a desired transmission window. The outer cells are then designed to transform purely incoming or outgoing waves into Bloch states of the inner cells. The transfer matrix is interpreted as a conformal mapping in the complex plane, which allows us to write constraints on the outer cell parameters, from which physically useful values can be obtained.

Investigatins on Broadband Planar Dipole Antennas

This thesis Entitled Investigations on Broadband planar Dipole Antennas. An antenna is a device ordinarily used for both transmitting and receiving electromagnetic energy. It is an integral part of the radio communication system and accounts for a good deal of progress that has been made in this field during the last few decades.The effect of flaring the dipole arms is studied in Section 4.1. It is observed that the flaring modifies the impedance characteristics of the dipole. In particular, the change in the reactive part of the impedance with frequency is controlled considerably. This improves the 2:1 VSWR bandwidth of the antenna. The effect of various other design parameters on the impedance bandwidth of the antenna are also studied. The important conclusion drawn is that, there is considerable improvement in the impedance bandwidth of the dipole when ground arm dimensions are larger than the main arm dimensions. Theoretical analysis of various cavity backed antennas are given in Chapter 6. The experimental values agree well with the computation. Also the theory gives a clear inside view and explains the reasons for bandwidth enhancement due to flaring and end-loading of the dipole arms. The percentage bandwidth is determined by calculating the Q of the antenna. Since the approach is for the analysis of microstrip antenna on thick grounded substrate, this method cannot be used to predict the impedance bandwidth of the antennas without cavity backup. Also, the structures analysed are simplified versions of the optimised ones. Specially, the arms overlapping is neglected in the analysis. Also, the antennas with symmetrical arms can only be analysed with this theory.

“Design and Development of Coplanar Strip Fed Planar Antennas”

With the recent progress and rapid increase in the field of communication, the designs of antennas for small mobile terminals with enhanced radiation characteristics are acquiring great importance. Compactness, efficiency, high data rate capacity etc. are the major criteria for the new generation antennas. The challenging task of the microwave scientists and engineers is to design a compact printed radiating structure having broadband behavior along with good efficiency and enhanced gain. Printed antenna technology has received popularity among antenna scientists after the introduction of planar transmission lines in mid-seventies. When we view the antenna through a transmission line concept, the mechanism behind any electromagnetic radiator is quite simple and interesting. Any electromagnetic system with a discontinuity is radiating electromagnetic energy. The size, shape and orientation of the discontinuities control the radiation characteristics of the system such as radiation pattern, gain, polarization etc. It can be either resonant or non-resonant. This thesis deals with antennas that are developed from a class of transmission lines known as coplanar strip-CPS, a planar analogy of parallel pair transmission line. The specialty of CPS is its symmetric structure compared to other transmission lines, which makes the antenna structures developed from CPS quite simple for design and fabrication. The structural modifications on either metallic strip of CPS results in different antennas. The first part of the thesis discusses a single band and dual band design derived from open ended slot lines which are very much suitable for 2.4 and 5.2 GHz WLAN applications. The second section of the study is vectored into the development of enhanced gain dipoles. A single band dipole and a wide band enhanced gain dipole suitable for 5.2/5.8 GHZ band and imaging applications are developed and discussed. Last part of the thesis discusses the development of directional UWBs. Three different types of ultra-compact UWBs are developed and almost all the frequency domain and time domain analysis of the structures are discussed.

A Novel Planar Fractal Antenna with CPW-Feed for Multiband Applications

In this paper, a multiband antenna using a novel fractal design is presented. The antenna structure is formed by inscribing a hexagonal slot within a circle. This base structure is then scaled and arranged within the hexagon along its sides without touching the outer structure. The proposed CPW fed, low profile antenna offers good performance in the 1.65 – 2.59 GHz, 4.16 – 4.52 GHz and 5.54 – 6.42 GHz bands and is suitable for GSM 1800/1900, Bluetooth, IMT advanced systems and upper WLAN applications. The antenna has been fabricated on a substrate of height 1.6 mm and εr = 4.4 and simulation and experimental results are found to be in good agreement

Planar UWB Antenna with Modified Slotted Ground Plane

A compact coplanar waveguide-fed (CPW) monopole antenna for ultra-wideband wireless communication is presented. The proposed antenna comprises of a CPW-fed beveled rectangular patch with a modified slotted ground. The overall size of the antenna is 30 mm 27 mm 1.6 mm. The lower edge of the band is attained by properly decoupling the resonant frequencies due to the extended ground plane and the beveled rectangular patch of the antenna. The upper edge of the radiating band is enhanced by beveling the ground plane corners near the feed point. Experimental results show that the designed antenna operates in the 2.7–12 GHz band, for S11 10 dB with a gain of 2.7–5 dBi. Both the frequency domain and time domain characteristics of the antenna are investigated using antenna transfer function. It is observed that the antenna exhibits identical radiation patterns and reasonable transient characteristics over the entire operating band

A Planar Compact Metamaterialinspired Broadband Antenna

An electrically small, broadband-modified, truncated ground metamaterial EZ antenna is presented. This, a modified EZ antenna system, achieves a larger bandwidth of the order of 650 MHz by adjusting the metamaterial-inspired meandered ground element fed by a top loaded monopole. The design is devoid of the large ground planes and the external parasitic elements used in conventional designs for achieving proper impedance matching characteristics. The antenna requires a small foot print of kg/5 3 kg/10, where kg is the guided wavelength corresponding to the lowest frequency of operation, when printed on a substrate of dielectric constant 4.4 and thickness 1.6 mm. The antenna offers a 2:1 VSWR bandwidth from 750 MHz to 1.4 GHz, which covers CDMA, GSM, and ISM bands

Design, Development and Realization of Quadratic Volterra Filters for Selected Applications

The basic concepts of digital signal processing are taught to the students in engineering and science. The focus of the course is on linear, time invariant systems. The question as to what happens when the system is governed by a quadratic or cubic equation remains unanswered in the vast majority of literature on signal processing. Light has been shed on this problem when John V Mathews and Giovanni L Sicuranza published the book Polynomial Signal Processing. This book opened up an unseen vista of polynomial systems for signal and image processing. The book presented the theory and implementations of both adaptive and non-adaptive FIR and IIR quadratic systems which offer improved performance than conventional linear systems. The theory of quadratic systems presents a pristine and virgin area of research that offers computationally intensive work. Once the area of research is selected, the next issue is the choice of the software tool to carry out the work. Conventional languages like C and C++ are easily eliminated as they are not interpreted and lack good quality plotting libraries. MATLAB is proved to be very slow and so do SCILAB and Octave. The search for a language for scientific computing that was as fast as C, but with a good quality plotting library, ended up in Python, a distant relative of LISP. It proved to be ideal for scientific computing. An account of the use of Python, its scientific computing package scipy and the plotting library pylab is given in the appendix Initially, work is focused on designing predictors that exploit the polynomial nonlinearities inherent in speech generation mechanisms. Soon, the work got diverted into medical image processing which offered more potential to exploit by the use of quadratic methods. The major focus in this area is on quadratic edge detection methods for retinal images and fingerprints as well as de-noising raw MRI signals

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Model Calculations and Implementation of Filters and Hybrid Green VCSELs based on Optical Thin Film Stacks

This work introduced the novel conception of complex coupled hybrid VCSELs for the first time. Alternating organic and inorganic layers in the lasers provide periodic variation of refractive index and optical gain, which enable single mode operation and low threshold of the VCSELs. Model calculations revealed great reduction of the lasing threshold with factors over 30, in comparison with the existing micro-cavity lasers. Tunable green VCSEL has been also designed, implemented and analyzed taking advantage of the broad photoluminescence spectra of the organics. Free standing optical thin films without compressive stress are technologically implemented. Multiple membrane stacks with air gap in between have been fabricated for the implementation of complex coupled VCSEL structures. Complex coupled hybrid VCSEL is a very promising approach to fill the gaps in the green spectral range of the semiconductor lasers.

Spektrometrische Bestimmung der NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotor unter Verwendung eines elektrostatisch durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filters zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemissionen

Die Reduktion von Schadstoff-Emissionen und des Kraftstoffverbrauches sind für die Einhaltung von immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Vegetation von großer gesellschaftlicher Bedeutung. Ob Deutschland die innerstädtischen Immissionsgrenzwerte der Europäischen Union (EU) für Stickstoffdioxid (NO2) ab 2010 einhalten wird, ist fraglich. Vor allem Lastkraftwagen mit Dieselmotor emittieren einen Großteil dieses Schadstoffes, sodass man mit einer Senkung der NO2-Emissionen dem gesetzten Ziel der Einhaltung der von der EU festgelegten NO2-Immisionsgrenzwerte bereits erheblich näher kommen würde. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob mit der Kenntnis der NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotor mittels Spektroskopie eine Reduzierung der NO2-Emissionen und eine Senkung des Kraftstoffverbrauches erreicht werden kann. Hierzu muss sowohl die Bestimmung der NO2-Konzentration aus der spektralen Analyse des Abgases möglich sein, als auch die Herstellung eines mikromechanisch durchstimmbaren optischen Fabry-Pérot-Filters mit Bragg-Spiegeln, der die Voraussetzungen erfüllt, das für die spektrale Analyse benötigte Spektrum quantifizieren zu können. Zusätzlich soll mit Hilfe der aus den Spektren extrahierten Information eine in Echtzeit gemessene NO2-Konzentration im Abgas ableitbar sein. Damit sollen Kraftstoff eingespart und Schadstoff-Emissionen reduziert werden. Hierfür wird am Beispiel eines Lastkraftwagens mit typischer Abgasnachbehandlung aufgezeigt, wie über innermotorische Maßnahmen die Verbrennung optimierbar ist und wie die Eigenschaften der Abgasnachbehandlung verbesserbar sind, sodass die gewünschten Senkungen erreicht werden. Zusätzlich kann auf den Einbau eines Sperrkatalysators im Abgasstrang verzichtet werden. Ferner reduziert sich auch der Verbrauch des für die Abgasnachbehandlung benötigten Harnstoffs. Zur Klärung, ob die NO2-Konzentration aus der spektralen Analyse des Abgases bestimmt werden kann, wurden an einem Motorprüfstand Spektren für verschiedene NO2-Konzentrationen gemessen. Zusätzlich wurde das in dieser Arbeit behandelte Sensor-System mittels mathematischer Modellrechnung beschrieben, sodass dieses Modell anschließend auf die am Motorprüfstand gemessenen Spektren angewendet werden konnte. Die auf diese Weise berechneten Ergebnisse wurden mit den NO2-Messungen am Motorprüfstand verglichen und zeigen eine große Korrelation. In dem mathematischen Modell wird auch die spektrale Auflösung des Sensors berücksichtigt, die vom optischen Filter erreicht werden muss. Es wurde in dieser Arbeit untersucht, ob ein solches Filter realisiert werden kann. Hierzu wurde unter Anwendung der Transfer-Matrix-Methode (TMM) zur Berechnung optischer Eigenschaften von Dünnschichtsystemen eine Struktur entwickelt, die den optischen Anforderungen an das Filter genügt. Grundlage für dieses Design ist ein mikromechanisch durchstimmbares Fabry-Pérot-Filter mit Bragg-Spiegeln. Zur Herstellung dieses mikromechanisch durchstimmbaren, optischen Filters wurde eine Prozesskette entwickelt, mit der Filter mit einer Transmission von über 60 % hergestellt wurden. Die mit dieser Prozesskette hergestellten Strukturen wurden topografisch und optisch charakterisiert. Der Vergleich der gemessenen Ergebnisse mit theoretischen Modellrechnungen zeigt eine hohe Übereinstimmung, sodass mit der verwendeten Methodik gute Prognosen von Filtereigenschaften getroffen werden können. Es kann außerdem ein verbessertes Design präsentiert werden, welches eine um 10 % höhere Transmission und ein doppelt so großes Auflösungsvermögen gegenüber dem ursprünglichen Design aufweist. Verbesserungspotenziale in der Prozesskette können präsentiert werden, mit denen die optischen und mechanischen Eigenschaften zukünftiger Filter optimiert werden können. Es wird gezeigt, dass ein optisches Filter hergestellt werden kann, mit dem die NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotoren spektroskopisch bestimmt werden kann, sodass der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. In Abgasnormen sind einzuhaltende NOX-Grenzwerte festgelegt. Sollten in Zukunft auch NO2-Emissionsgrenzwerte in den Abgasnormen festgelegt werden, kann deren Einhaltung mit dem vorgestellten Sensor-Prinzip überwacht werden. Auf diese Weise wird die Chance auf Einhaltung der NO2-Immissionsgrenzwerte der EU maßgeblich erhöht.

The PHD: A Planar, Harmonic Drive Robot for Joint Torque Control

This thesis details the development of a model of a seven degree of freedom manipulator for position control. Then, it goes on to discuss the design and construction of a the PHD, a robot built to serve two purposes: first, to perform research on joint torque control schemes, and second, to determine the important dynamic characteristics of the Harmonic Drive. The PHD, is a planar, three degree of freedom arm with torque sensors integral to each joint. Preliminary testing has shown that a simple linear spring model of the Harmonic Drive's flexibility is suitable in many situations.

The Inertio-Elastic Planar Entry Flow of Low-Viscosity Elastic Fluids in Micro-fabricated Geometries

The non-Newtonian flow of dilute aqueous polyethylene oxide (PEO) solutions through microfabricated planar abrupt contraction-expansions is investigated. The contraction geometries are fabricated from a high-resolution chrome mask and cross-linked PDMS gels using the tools of soft-lithography. The small length scales and high deformation rates in the contraction throat lead to significant extensional flow effects even with dilute polymer solutions having time constants on the order of milliseconds. The dimensionless extra pressure drop across the contraction increases by more than 200% and is accompanied by significant upstream vortex growth. Streak photography and videomicroscopy using epifluorescent particles shows that the flow ultimately becomes unstable and three-dimensional. The moderate Reynolds numbers (0.03 ≤ Re ≤ 44) associated with these high Deborah number (0 ≤ De ≤ 600) microfluidic flows results in the exploration of new regions of the Re-De parameter space in which the effects of both elasticity and inertia can be observed. Understanding such interactions will be increasingly important in microfluidic applications involving complex fluids and can best be interpreted in terms of the elasticity number, El = De/Re, which is independent of the flow kinematics and depends only on the fluid rheology and the characteristic size of the device.

Planar homography: accuracy analysis and applications

Projective homography sits at the heart of many problems in image registration. In addition to many methods for estimating the homography parameters (R.I. Hartley and A. Zisserman, 2000), analytical expressions to assess the accuracy of the transformation parameters have been proposed (A. Criminisi et al., 1999). We show that these expressions provide less accurate bounds than those based on the earlier results of Weng et al. (1989). The discrepancy becomes more critical in applications involving the integration of frame-to-frame homographies and their uncertainties, as in the reconstruction of terrain mosaics and the camera trajectory from flyover imagery. We demonstrate these issues through selected examples

Monocular-based 3-D seafloor reconstruction and ortho-mosaicing by piecewise planar representation

Photo-mosaicing techniques have become popular for seafloor mapping in various marine science applications. However, the common methods cannot accurately map regions with high relief and topographical variations. Ortho-mosaicing borrowed from photogrammetry is an alternative technique that enables taking into account the 3-D shape of the terrain. A serious bottleneck is the volume of elevation information that needs to be estimated from the video data, fused, and processed for the generation of a composite ortho-photo that covers a relatively large seafloor area. We present a framework that combines the advantages of dense depth-map and 3-D feature estimation techniques based on visual motion cues. The main goal is to identify and reconstruct certain key terrain feature points that adequately represent the surface with minimal complexity in the form of piecewise planar patches. The proposed implementation utilizes local depth maps for feature selection, while tracking over several views enables 3-D reconstruction by bundle adjustment. Experimental results with synthetic and real data validate the effectiveness of the proposed approach