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Stereotaktische Biospien gehören seit vielen Jahren zu den Standardoperationen zahlreicher neurochirurgischer Kliniken. Hierbei werden Proben von Hirnläsionen entnommen, um diese histopathologisch zu untersuchen.
Die histopathologische Diagnose unklarer Hirnläsionen ist zwingend erforderlich, um eine adäquate Therapie durchzuführen. Eine weitere Therapie kann aus Bestrahlung, Chemotherapie, Kombination beider oder Resektion bestehen. In wenigen Fällen wird eine zweite oder dritte Biopsie benötigt, um eine endgültige Diagnose zu erhalten. Das Ziel dieser Studie war es, jene Patienten genauer zu untersuchen, bei denen die erste Biopsie kein definitives Ergebnis erbracht hatte. Die meisten dieser Patienten mussten sich einer zweiten Biopsie unterziehen. Wir haben eine umfassende Recherche der letzten 10 Jahre durchgeführt und eine Datenbank mit den Patienten erstellt, bei denen die erste Biopsie kein Ergebnis erbracht hatte.
Hierbei wurden klinische Parameter, welche einen Einfluss auf die nicht zielführenden Biopsie haben können, erhoben, beschrieben und diskutiert. Die Parameter umfassten die entnommene Probenanzahl, Kontrastmittelaufnahme der Läsion, Lokalisation der Läsion, Erfahrung des Operateurs, neuroradiologische Verdachtsdiagnose und Vorbehandlung.
Wir haben in dieser retrospektiven Arbeit unser Augenmerk auf die klinischen Aspekte der einzelnen Patienten, bei denen die erste Biopsie kein definitives Ergebnis erbrachte, gelegt.
Hier zeigten sich keinerlei Auffälligkeiten, welche positiv mit einer nichtzielführenden Biopsie einhergehen könnten.
Wir folgern, dass in den meisten Fällen eine definitive Diagnose zu erwarten ist. Unklar bleibt, bei welchen Patienten keine zielführende Biopsie erfolgen wird, so dass sie einer erneuten Biopsie unterzogen werden müssen.
Beim Auffinden menschlicher Überreste stellt sich neben der Beurteilung des postmortalen Intervalls auch konsequent die Frage nach der Möglichkeit des Vorliegens eines Tötungsdelikts. Da Weichgewebe nur in begrenztem Ausmaß Verwesung, Fäulnis oder Umwelteinflüssen standhält, ist dieses nur bedingt geeignet, auch langfristig Spuren von Gewalteinwirkung zu konservieren. Knochengewebe hingegen kann Läsionen noch nach langen Zeiträumen nahezu unverändert abbilden und stellt somit einen forensisch bedeutenden Spurenträger dar.
Im Rahmen dieser retrospektiven Studie sollte geklärt werden, inwieweit und in welchem Ausmaß bei Tötungsdelikten knöcherne Verletzungen entstehen. Ob bei definierten Formen letaler Gewalteinwirkung unterschiedliche Häufigkeiten des Auftretens knöcherner Verletzungen zu beobachten und zudem bevorzugte Körperregionen zu identifizieren sind, stellte eine weitere wesentliche Fragestellung der Arbeit dar.
Nach Auswertung der Sektionsprotokolle von insgesamt 897 im Institut für Rechtsmedizin in Frankfurt am Main obduzierten, im In- und Ausland begangenen Tötungsdelikten im Zeitraum 01.01.1994 bis 31.12.2014 zeigte sich, dass unabhängig von der Art der tödlichen Gewalteinwirkung 70,9% der Opfer mindestens eine knöcherne Verletzung aufwiesen und darüber hinaus bei insgesamt 45,5% der Opfer mehrfache knöcherne Verletzungen nachgewiesen werden konnten.
Zudem zeigte sich, dass unterschiedliche, definierte letale Gewalteinwirkungen entsprechend charakteristische Häufigkeiten und Verteilungen knöcherner Verletzungen zur Folge haben. So sind mit 92,6 % die häufigsten knöchernen Läsionen bei Schussopfern festzustellen. Nach stumpfer und scharfer Gewalt mit je 80 % und 66,3 % ließ sich auch nach tödlicher Gewalteinwirkung gegen den Hals in 53,3 % der Fälle mindestens eine knöcherne Läsion nachweisen.
Das Fehlen knöcherner Verletzungen in insgesamt 29% der im Auswertungszeitraum untersuchten 897 Tötungsdelikte zeigt auch, dass selbst bei knöchern unversehrten, vollständigen Skelettfunden ein Homizid keineswegs ausgeschlossen werden kann. Neben der gerichtlichen Leichenöffnung sind stets ergänzende forensische Aufarbeitungen der menschlichen Überreste zu fordern. Hierbei sind einerseits physikalische und chemische Methoden in Betracht zu ziehen, vor allem jedoch auch radiologische Untersuchungen. Weitere Untersuchungen der gewonnenen Ergebnisse im Rahmen einer weiteren Studie sollen klären, welcher Stellenwert der postmortalen Computertomographie zugesprochen werden kann.
Mycophenolate-Mofetil (MMF) clinically used as CellCept is inserted as immunosuppressive xenobiotic drug for preventing transplantate rejection. It is well known that MMF works selectively through inhibiting the IMPDH which is an essential enzyme in the de novo pathway for biosynthesis of guanosine Nukleotides.
In this study, we investigated the effects of MMF on the astrocytes, because astrocytes are important glial cells of the CNS with various functions in the healthy tissue, such as being involved in the neuronal differentiation, axonal growth and regulation of the environmental composition. They also build up the scared tissue during acute CNS lesions by releasing neurotoxic substances such as NO and different inflammatory Zytokines, e.g. IL-1ß and TNF-a, which even influence the microglial cell proliferation, migration and activity. Therefore, astrocytes are impressingly involved in the extent of the neuronal damage.
Our observations revealed an influence of astrocytic proliferation dependent on the concentration of the serum (10%, 5%, 2%, 1% and serum free medium) used for the in vitro cultivation: the more the serum part in the medium the more the extent of the cell proliferation. The proliferation of astrocytes cultured in serum free medium can be increased by Corticotropin Releasing Factor (CRF) 10µM and Guanosine application. Dose-dependent MMF led to a suppression of the astrocytic proliferation which is antagonisable with Guanosine only.
The number of the isolated proliferating astrocytes labeled by BrdU was significantly reduced after simultaneous treatment with serum (10% or 1%) and dose-dependent MMF (10µg/ ml, 1µg/ ml and 0,1µg/ ml) application, whereas LPS showed no effect on the proliferating rate. But, as measured by ELISA, with LPS conditioned medium contained relevant amounts of TNF-a and NO, but surprisingly not of IL-1ß. There were a significant reduction of cytokine and NO amounts determined in the astrocytic conditioned medium treated only with MMF dependent of the concentration (10µg/ml, 1µg/ml and 0,1µg/ml). Even the simultaneous treatment with LPS and MMF revealed compared to the LPS stimulated astrocytic group a measurable significant decrease of TNF-a. The treatment of the astrocytic cultures with guanosine lifted up the effects of MMF on TNF-a secretion. Therefore, we conclude, that the immunosuppressive drug MMF might have a neuroprotective and scar formation modulating effect through the antiproliferative potency on astrocytic cells and modulating character of the microenvironment by influencing the TNF-a secretion. Moreover, these regulatory effect on microglial cells are described as suppression (Hailer NP,Wirjatijana F,Roser N,Hirschebeth GT,Korf HW,Dehghani F,2001).
Funktionelle und strukturelle Charakterisierung von SLC-Transportern in eukaryotischen Systemen
(2018)
Die evolutionäre Voraussetzung für die Entwicklung komplexer, differenzierter Organismen bildet die Separierung der Zelle in Reaktionsräume, die so genannte Kompartimentierung. Das Prinzip der Kompartimentierung ermöglicht zahlreiche lebensnotwendige, biochemische Prozesse, wie die Konservierung von Energie durch Protonengradienten in der Atmungskette oder parallele, gegenläufige Stoffwechselwege. Zelluläre Kompartimente werden häufig durch Biomembranen gebildet, welche aus einer zweilagigen Lipidschicht bestehen. Lipidmoleküle in einer Zelle sind meistens amphipathisch, das bedeutet, sie bestehen aus einer polaren, hydrophilen Kopfgruppe und einem unpolaren, hydrophopen Ende (Abbildung 1). Die Lipidzusammensetzung in einer Biomembran ist sehr divers und unterscheidet sich in verschiedenen Organismen und Organellen. Phosphoglyceride bilden den Hauptbestandteil der Lipidschicht. Phosphoglyceride besteht aus einem Glycerin Rückgrat, welches an dem C1- und C2-Atom mit zwei Fettsäuren verestert und an dem C3-Atom mit einem Phosphorsäurediester verbunden ist. ...
Ce travail, dont le titre est : Le modèle d’immersion réciproque en question : enseigner en classe bilingue à New York et à Francfort / Das Two-Way-Immersion Modell im Fokus: Zweisprachig unterrichten in New York und Frankfurt/Main, a pour objectif de répondre à la problématique suivante : Comment la conceptualisation du modèle d’enseignement bilingue d’immersion réciproque influence les pratiques éducatives (didactiques et pédagogiques) des enseignants, et pourquoi?
Afin de répondre à cette question, j’ai choisi d’étudier un modèle bilingue spécifique, le modèle bilingue d’immersion réciproque (ou « Two-Way-Immersion ») qui, dans la façon dont il intègre deux groupes d’élèves locuteurs de différentes langues qui apprennent les uns des autres, m’a semblé reposer sur une conceptualisation de l’enseignement bilingue dépassant une vision monolingue de ce dernier. Je montrerai dans la thèse, qu’en réalité, un même modèle peut se décliner différemment selon les choix didactiques et pédagogiques et selon les contextes de sa mise en œuvre et que seule une analyse approfondie peut permettre d’en révéler toute la complexité. À cette fin, j’ai observé des classes bilingues à New York et à Francfort, classes qui ont ensuite constitué mon terrain d’étude.
La thèse est organisée en 5 chapitres. Le premier chapitre propose un passage en revue de la littérature scientifique sur l’enseignement bilingue dans divers contextes. Le deuxième chapitre est consacré à la méthodologie de recherche que j’ai choisi d’utiliser pour explorer la complexité de mon objet de recherche. Les deux chapitres suivants proposent une analyse sociolinguistique de chaque contexte, New York (3) et Francfort (4). Le dernier chapitre, (5), est consacré à l’analyse des données récoltées (des entretiens, des observations de séances, des documents d’élèves et divers documents pédagogiques). Mon objectif, dans ce chapitre, est de montrer comment les orientations influencent les choix didactiques et pédagogiques des enseignants et ont un impact sur les pratiques de classe.
The individual parameter
(2018)
The present thesis tackles the unification of two-dimensional semantic systems, which are designed to deal with context-dependency of a certain kind i.e. indexicality, with dynamic theories of meaning, designed to capture facts about anaphoricity and the distribution of definite and indefinite articles. The need for a more principled look at this unification is twofold. Firstly, there is an overlap of these two families of theories in terms of empirical data, namely third person personal pronouns, as well as definite descriptions. Both kinds of expressions have anaphoric as well as non-anaphoric usages, whereas some of the latter ones can be captured in terms of indexicality. But, on the other hand, no language, especially not German and English, the main sources of data in this thesis, seems to distinguish these two usages formally, i.e. by employing different expressions. Hence the need for a unified framework in which this sort of ambiguity can be treated. Secondly, the theoretical state is dissatisfactory in the sense that the families of theories take very disparate forms that are not easy to relate conceptually.
The overlap in empirical area of application strongly suggests that this dichotomy is an artifact of the way these theories traditionally are developed and justified. This thesis seeks to overcome this state of the field. It proceeds as follows.
The first chapter discusses the way in which theories indexicality are designed. After taking a closer look some hallmarks of these theories such as the notions of index- and context-dependency themselves, double indexing, etc., it develops a notion of index dependency that makes use of a more complex individual parameter than the one that is usually assumed in the literature. Apart from agents and addressees, the two standard components of indices that represent contexts, additional objects are assumed. This leads to a variant of the semantics of deictically used third person expression that is called ‘indexical theory of demonstratives’, which is then investigated further.
The second chapter discusses the classics of dynamic semantics: DRT, DPL, and FCS. It arrives at the common core of all of these theories that consists in the assumption of a novel sort of variable namely active variables as opposed to free and bound ones that are intended to model the behavior of (in)definite descriptions and pronouns. The projection behavior of these variables or discourse referents is described either in (discourse-)syntactic or semantic terms. The chapter also arrives at a new formulation of the uniqueness condition that is thought to be part of the semantics of definite descriptions and sketches an account of transparent negation.
The third chapter then combines the insights of the previous ones by developing the notion of representation that connects the entities of evaluation of the first chapter i.e. indices with those of the second namely sets of assignments, a.k.a. files. The formal language that emerged in the second chapter is endowed with two kinds of variables for situations to allow for double indexing within a dynamic setting. A novel interpretation mechanism for the so designed language is proposed, which is shown to capture not only those aspects that are known to exist in two-dimensional frameworks, but also certain other index-index interactions that are described in yet another body of literature.
The final chapter discusses potential flaws of the theory and sketches an account of allegedly bound indexicals that is compatible with Kaplan’s infamous ban on monsters.
Das Ziel dieser Dissertation war es, die biologische Relevanz der F1Fo-ATP-Synthase für den Alterungsprozess des Ascomyceten P. anserina aufzuklären sowie die Funktion der Dimerisierungsuntereinheiten PaATPE und PaATPG genauer zu untersuchen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:
1. Der Verlust einer Dimerisierungsuntereinheit führt in P. anserina zum Verlust der Dimerisierungsfähigkeit der F1Fo-ATP-Synthase. Dieses Ereignis resultiert in einer vorzeitigen Anhäufung von Seneszenzmerkmalen, einer starken Verkürzung der Lebensspanne und einem beschleunigten Alterungsprozess. Der Phänotyp der Stämme ∆PaAtpe und ∆PaAtpg lässt sich erfolgreich revertieren. Dadurch konnte bestätigt werden, dass der beobachtete Phänotyp der Deletionsstämme auf den Verlust der Dimerisierungsgene zurückzuführen ist.
2. Die konstitutive Überexpression des PaAtpe-Gens führt zu einer Verlängerung der Lebensspanne, die allerdings nicht abhängig von einer Erhöhung der Dimer-Menge, sondern auf eine Verlängerung der Mitochondriennetzwerke und eine erhöhte Atmung zurückzuführen ist.
3. Obwohl die Lebensspannen der untersuchten PaAtpg_OEx-Stämme voneinander abweichen, ist der auf den Organismus ausgeübte Effekt der PaAtpg-Überexpression positiv. Dabei lässt sich eine Erhöhung der Dimer-Menge auch in diesen Stämmen nicht nachweisen und eine Veränderung der Mitochondrienmorphologie tritt nur in einem der fünf untersuchten Stämme auf, was hier allerdings mit dem größten Effekt auf die Lebensspanne korreliert.
4. Die gleichzeitige Überexpression der Gene PaAtpe und PaAtpg führt interessanterweise zu einer Aufhebung der durch die PaAtpe-Überexpression hervorgerufenen positiven Effekte. Die generierte Doppelmutante weist somit wildtypische Eigenschaften auf. Eine Erhöhung der Dimer-Menge kann trotz Überexpression beider Gene nicht festgestellt werden.
5. Trotz gleicher Funktion in der Dimerbildung der F1Fo-ATP-Synthase ist das Expressionsniveau der Dimerisierungsgene in P. anserina unterschiedlich. Bereits im Wildtyp wird das PaAtpe-Gen weniger transkribiert als das PaAtpg-Gen. Letzteres wird durch die PaAtpe-Überexpression sowohl in den PaAtpe_OEx-Mutanten als auch in der Doppelmutante herunterreguliert. Auch im Wildtyp kommt es zu einer altersabhängigen Herunterregulierung des PaAtpg-Gens.
6. Im Wildtyp nimmt die Dimer-Menge im Alter ab und es kommt zu einer altersbedingten Änderung der Superkomplexe von S1 zu S0. Dies sind Hinweise auf eine altersabhängige Remodellierung der Cristae-Membran, die möglicherweise zum Seneszenzphänotyp von P. anserina beiträgt. Somit ist die Aufrechterhaltung des Dimers von großer Bedeutung für die Gewährleistung mitochondrialer Funktionen des Organismus.
Die F1Fo-ATP-Synthase spielt in ihrer dimeren Form eine bedeutende Rolle in der Aufrechterhaltung der Mitochondrienfunktion und gewährleistet den Ablauf von lebenswichtigen mitochondrialen Prozessen, die für die Erhaltung der zellulären Homöostase von essentieller Bedeutung sind.
NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex Ⅰ) is the first and largest enzyme in the respiratory chain. It catalyzes the transfer of two electrons from NADH to ubiquinone via a series of enzyme-bound redox centers - Flavin mononucleotide (FMN) and iron-sulfur (Fe-S) clusters – and couples the exergonic reaction with the endergonic translocation of four protons across the membranes. Bacteria contain the minimal form of complex I, which is composed of 14 conserved core subunits with a molecular mass of around 550 kDa. Complex Ⅰ has an L-shaped structure which can be subdivided into two major parts (arms). The hydrophilic arm protruding into the bacterial cytosol (or mitochondrial matrix) harbors the binding site for the substrate NADH, the two- to one-electron switch FMN and all one-electron transferring Fe-S clusters and therefore considered as the catalytic unit. The membrane arm consists of the membranespanning subunits and conducts the proton pumping process. The Quinone binding site is located at the interface of both arms. ...
Auswirkung der Chemisorption von Organothiolaten auf den elektrischen Widerstand dünner Goldfilme
(2018)
Hochgeordnete Monolagen von Organothiolaten auf Goldoberflächen bilden sich bei Kontakt einer Goldoberfläche mit einer Lösung eines Thiols oder Thioacetats spontan aus. Die Adsorption auf dünnen Metallfilmen mit Schichtdicken im Bereich von 25 - 100 nm führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Films, die an Goldfilmen mit Schichtdicken von 25 - 40 nm über eine einfache Zweipunktmessung verfolgt wurde. Die Proportionalität der Widerstandsänderung mit der Menge an adsorbiertem Material konnte für die in dieser Arbeit verwendeten Dünnschichtsensoren bestätigt werden. Zu diesem Zweck wurden gleichzeitig Widerstands- und Oberflächenplasmonenresonanzmessungen an 40 nm starken Goldfilmen durchgeführt. In diesen Experimenten zeigt sich die Widerstandsmessung zur Beobachtung der Adsorptionskinetik als die überlegene Technologie.
Die durch Mikrokontaktdrucken und Freiätzen der gedruckten Strukturen hergestellten Sensoren zeigen eine individuelle Signalintensität. Die Normierung auf die maximale, durch Belegung mit Hexadecanthiol (HDT) oder Dodecanthiol erreichte, Signalstärke ermöglichte den Vergleich der maximalen Signalstärke von Thiolatmonolagen, die durch Belegung mit n-Alkanthiolen (CH_3(CH_2)_(n-1)-SH mit n = 12, 16, 19, 22 und 33, Cn), 11-Mercaptoundecyl-hexaethylenglycol (HSC11EG6OH), Adamantan-1-thiol (AdaSH), Triptycenthiol (TrpSH), Anthracen-2-thiol (Ant-0SH), Anthracen-2-alkanthiolen (Ant-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 5 und 10, Ant-nSH), p-Terphenyl-4-thiol (TP0SH), p-Terphenyl-4-alkanthiolen (TP-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 4, TPnSH) und p-Terphenyl-4-ethanthioacetat (TP2SAc) erzeugt wurden. Die Größe der Widerstandsänderung zeigt eine deutliche Abhängigkeit vom organischen Rest des Oberflächenadsorbats. Für die Verstärkung des Signals wurde die folgende Reihenfolge gefunden: Trp > Ada > Ant-0 > Ant-1 > TP0 > TP1 > Ant-2 > TP2 > Cn (n = 12 - 33) = C11EG6OH = Ant-n (n = 3 - 11) = TPn (n = 3, 4). Bei bekannter Verstärkung des Signals durch ein Adsorbat kann unabhängig von der Oberflächenrauigkeit die Oberflächenbedeckung durch Chemisorbate in einer Güte bestimmt werden, die der durch STM- und TEM-Messungen erreichten vergleichbar ist. Die Methode wurde angewendet, um Schichten von TP2SH und TP2SAc, die bei 20 und 60 °C aus ethanolischer Lösung abgeschieden wurden, zu vergleichen. Die Unterschiede in der Oberflächendichte, die durch eine Erhöhung der Abscheidungstemperatur zu beobachten sind, können durch eine Beschleunigung der Reaktion nach Arrhenius erklärt werden. Auch die Temperaturabhängigkeit der Abscheidungsgeschwindigkeit von HDT aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen, die in einem Bereich von -10 °C bis +30 °C betrachtet wurde, ist mit dem Arrhenius'schen Ansatz konform. Die Aktivierungsenergie der Adsorption von HDT auf Gold wurde auf E_a = 23 +-6 kJ/mol bestimmt.
Die Konzentrationsabhängigkeit der Abscheidung aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen wurde für HDT, AdaSH, TP2SH und TP2SAc untersucht. Um eine Präadsorption der Thiole vor dem eigentlichen Start der Messung zu verhindern, wurde eine Apparatur mit einem Diaphragma aus Aluminium entwickelt, das beim Start der Messung mit dem Sensor durchstoßen wird. Mit Ausnahme von TP2SH zeigen alle Adsorptive ein Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht. Die Adsorptionsisothermen bei 20 °C lassen sich am besten durch die Freundlich-Isotherme beschreiben. Während die Reaktionsordnung im Adsorbat für die Adsorption der Thiole nahe an 1 liegt, hat sie für die Adsorption von TP2SAc einen Wert von ca. 1/4. Damit ergibt sich für die Geschwindigkeitskonstante der Adsorption k_a(HDT) = (2,3 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(AdaSH) = (6,1 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(TP2SH) = (7,3 +-0,4) 10^3 L/(mol s) und k_a(TP2SAc) = (8 +-3) 10^-2 L^(1/4)/(mol^(1/4) s). Die Adsorptionskurven der Thiole weisen bei Konzentrationen unterhalb von 5 10^-5 mol/L einen linearen Bereich auf, der einer zwischenzeitlichen Diffusionskontrolle zugeordnet wird.
An die aufgenommenen Adsorptionskurven der Thiole wurden literaturbekannte Modelle numerisch angepasst und teilweise weiterentwickelt. Die Anpassung konnte durch die Einführung einer vor der Oberfläche gelagerten Diffusionsgrenzschicht, in welcher der zeitabhängige Verlauf der Analytkonzentration in einem System von 10 Schichten berechnet wurde, deutlich verbessert werden. Von allen getesteten Modellen zeigt nur die Adsorption mit Ausschlussmuster keine Konzentrationsabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante der Desorption. Dieses Modell bezieht den Verlust von Adsorptionsplätzen mit ein, die einem besetzten Adsorptionsplatz benachbart sind und durch das adsorbierte Teilchen verdeckt werden. Der daraus resultierende Zusammenhang zwischen der Konzentration freier Adsorptionsplätze und dem Bedeckungsgrad der Oberfläche Theta_F(Theta) ist abhängig vom Verhältnis der Stoßfrequenz zwischen den Teilchen und der Oberfläche zur Platzwechselfrequenz der Teilchen auf der Oberfläche. Zur Bestimmung von Theta_F(Theta) für die numerische Anpassung der Adsorptionskurven von HDT und TP2SH wurde die Oberflächenbesetzung in einem Monte-Carlo-Verfahren für eine Konzentrationsreihe in Zehnerpotenzschritten simuliert.
Due to the resurrection of data-hungry models (such as deep convolutional neural nets), there is an increasing demand for large-scale labeled datasets and benchmarks in the computer vision fields (CV). However, collecting real data across diverse scene contexts along with high-quality annotations is often expensive and time-consuming, especially for detailed pixel-level label prediction tasks such as semantic segmentation, etc. To address the scarcity of real-world training sets, recent works have proposed the use of computer graphics (CG) generated data to train and/or characterize performance of modern CV systems. CG based virtual worlds provide easy access to ground truth annotations and control over scene states. Most of these works utilized training data simulated from video games and pre-designed virtual environments and demonstrated promising results. However, little effort has been devoted to the systematic generation of massive quantities of sufficiently complex synthetic scenes for training scene understanding algorithms. In this work, we develop a full pipeline for simulating large-scale datasets along with per-pixel ground truth information. Our simulation pipeline constitutes of mainly two components: (a) a stochastic scene generative model that automatically synthesizes traffic scene layouts by using marked point processes coupled with 3D CAD objects and factor potentials, (b) an annotated-image rendering tool that renders the sampled 3D scene as RGB image with a chosen rendering method along with pixel-level annotations such as semantic labels, depth, surface normals etc. This pipeline is capable of automatically generating and rendering a potentially infinite variety of outdoor traffic scenes that can be used to train convolutional neural nets (CNN).
However, several recent works, including our own initial experiments demonstrated that the CV models that are trained naively on simulated data lack generalization capabilities to real-world scenes. This opens up several fundamental questions about what is it lacking in simulated data compared to real data and how to use it effectively. Furthermore, there has been a long debate since 1980’s on the usefulness of CG generated data for tuning CV systems. Primarily, the impact of modeling errors and computational rendering approximations, due to various choices in the rendering pipeline, on trained CV systems generalization performance is still not clear. In this thesis, we take a case study in the context of traffic scenarios to empirically analyze the performance degradations when CV systems trained with virtual data are transferred to real data. We first explore system performance tradeoffs due to the choice of the rendering engine (e.g., Lambertian shader (LS), ray-tracing (RT), and Monte-Carlo path tracing (MCPT)) and their parameters. A CNN architecture, DeepLab, that performs semantic segmentation, is chosen as the CV system being evaluated. In our case study, involving traffic scenes, a CNN trained with CG data samples generated with photorealistic rendering methods (such as RT or MCPT), shows already a reasonably good performance on real-world testing data from CityScapes benchmark. Use of samples from an elementary rendering method, i.e., LS, degraded the performance of CNN by nearly 20%. This result conveys that training data must be photorealistic enough for better generalizability of the trained CNN models. Furthermore, the use of physics-based MCPT rendering improved the performance by 6% but at the cost of more than three times the rendering time. This MCPT generated dataset when augmented with just 10% of real-world training data from CityScapes dataset, the performance levels achieved are comparable to that of training CNN with the complete CityScapes dataset.
The next aspect we study in the thesis involves the impact of choice of parameter settings of scene generation model on the generalization performance of CNN models trained with the generated data. Towards this end, we first propose an algorithm to estimate our scene generation model parameters given an unlabeled real world dataset from the target domain. This unsupervised tuning approach utilizes the concept of generative adversarial training, which aims at adapting the generative model by measuring the discrepancy between generated and real data in terms of their separability in the space of a deep discriminatively-trained classifier. Our method involves an iterative estimation of the posterior density of prior distributions for the generative graphical model used in the simulation. Initially, we assume uniform distributions as priors over parameters of a scene described by our generative graphical model. As iterations proceed the uniform prior distributions are updated sequentially to distributions for the simulation model parameters that leads to simulated data with statistics that are closer to the distributions of the unlabeled target data.
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