http://hdl.handle.net/10900/42126 Wed, 02 Sep 2026 02:54:46 GMT 2026-09-02T02:54:46Z http://hdl.handle.net/10900/182900 Geometric and Learning-Based Perception for Mobile Vision by Integrating Memory and Temporal Fusion Quan, Yitong Robust perception is a critical prerequisite of autonomous robotics, enabling platforms such as unmanned ground vehicles (UGVs), aerial vehicles (UAVs), and surface vehicles (USVs) to interpret, navigate, and interact with complex environments. Traditional perception pipelines often depend on multi-sensor setups, including LiDAR, radar, or multi-camera rigs, which, while effective, introduce substantial costs, complexity, and calibration requirements. In contrast, single-sensor solutions based on monocular or omnidirectional cameras offer cost-efficiency, compactness, and ease of deployment. This dissertation investigates how geometric reasoning and learning-based methods can be combined to achieve robust object detection, localization, and distance estimation, focusing on three complementary research directions: spatial memory, learning-based methods, and lightweight temporal fusion. First, we introduce a memory-map framework for object detection and localization, using a single 360° camera, demonstrating that spatial confidence accumulation over time improves robustness to partial occlusions and inconsistent detections. Second, we extend this concept to UAV platforms, integrating onboard metadata such as GPS, IMU, and altitude into geo-referenced confidence maps. This metadata-driven approach enhances temporal consistency in aerial video object detection and provides interpretable localization across dynamic flight paths. Third, we propose learning-based formulations for object distance estimation. On USVs, we show that extending an object detector with a regression branch enables approximate distance prediction directly from monocular imagery, offering a cost-efficient alternative to conventional range sensors. Then we broaden this concept to omnidirectional 360° images, where the method generalizes across diverse datasets and challenging conditions, outperforming geometric and alternative learning baselines without explicit calibration. Finally, we present a lightweight multi-frame integration strategy for YOLO-based video object detection. By stacking consecutive frames and supervising only the final frame, the approach leverages temporal context with minimal computational overhead, significantly improving robustness against motion blur, occlusions, and appearance changes, while preserving near single-frame throughput. Overall, this dissertation demonstrates that single-sensor vision systems, when enhanced with spatial memory, metadata-driven reasoning, learning-based distance regression, and lightweight temporal fusion, can deliver robust, efficient, and generalizable perception across ground, aerial, and maritime platforms.; Robuste Wahrnehmung ist eine entscheidende Voraussetzung für autonome Robotik und ermöglicht es Plattformen wie unbemannten Bodenfahrzeugen (UGVs), Luftfahrzeugen (UAVs) und Oberflächenfahrzeugen (USVs), komplexe Umgebungen zu interpretieren, zu navigieren und mit ihnen zu interagieren. Herkömmliche Wahrnehmungspipelines basieren häufig auf Multisensor-Setups, darunter LiDAR, Radar oder Mehrkamera-Rigs, die zwar effektiv sind, aber erhebliche Kosten, Komplexität und Kalibrierungsanforderungen mit sich bringen. Im Gegensatz dazu bieten Einzelsensorlösungen auf Basis monokularer oder omnidirektionaler Kameras Kosteneffizienz, Kompaktheit und einfache Implementierung. Diese Dissertation untersucht, wie geometrisches Denken und lernbasierte Methoden kombiniert werden können, um eine robuste Objekterkennung, -lokalisierung und -entfernungsschätzung zu erreichen. Der Fokus liegt dabei auf drei komplementären Forschungsrichtungen: räumliches Gedächtnis, lernbasierte Methoden und leichtgewichtige zeitliche Fusion. Zunächst stellen wir ein Memory-Map-Framework für die Objekterkennung und -lokalisierung mit einer einzelnen 360°-Kamera vor und zeigen, dass die Akkumulation räumlicher Konfidenz im Laufe der Zeit die Robustheit gegenüber partiellen Verdeckungen und inkonsistenten Erkennungen verbessert. Zweitens erweitern wir dieses Konzept auf UAV-Plattformen und integrieren Onboard-Metadaten wie GPS, IMU und Flughöhe in georeferenzierte Konfidenzkarten. Dieser metadatenbasierte Ansatz verbessert die zeitliche Konsistenz bei der Objekterkennung per Luftbildvideo und ermöglicht eine interpretierbare Lokalisierung über dynamische Flugrouten hinweg. Drittens schlagen wir lernbasierte Formulierungen zur Objektentfernungsschätzung vor. An USVs zeigen wir, dass die Erweiterung eines Objektdetektors um einen Regressionszweig eine ungefähre Entfernungsvorhersage direkt aus monokularen Bildern ermöglicht und damit eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Entfernungssensoren darstellt. Anschließend erweitern wir dieses Konzept auf omnidirektionale 360°-Bilder, wobei die Methode über verschiedene Datensätze und anspruchsvolle Bedingungen hinweg generalisierbar ist und geometrische und alternative lernbasierte Baselines ohne explizite Kalibrierung übertrifft. Abschließend präsentieren wir eine leichtgewichtige Multi-Frame-Integrationsstrategie für die YOLO-basierte Videoobjekterkennung. Durch das Stapeln aufeinanderfolgender Frames und die Überwachung nur des letzten Frames nutzt der Ansatz den zeitlichen Kontext mit minimalem Rechenaufwand. Dies verbessert die Robustheit gegenüber Bewegungsunschärfe, Okklusionen und Erscheinungsänderungen deutlich, während der Durchsatz nahezu dem einer Einzelbildverarbeitung entspricht. Insgesamt zeigt diese Dissertation, dass Einzelsensor-Bildverarbeitungssysteme, wenn sie mit räumlichem Gedächtnis, metadatengesteuerter Argumentation, lernbasierter Distanzregression und leichter zeitlicher Fusion erweitert werden, eine robuste, effiziente und verallgemeinerbare Wahrnehmung über Boden-, Luft- und Seeplattformen hinweg liefern können. Tue, 01 Sep 2026 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10900/182900 2026-09-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10900/182897 Exploring Single-Spin Asymmetries: A Next-to-Leading Order Study in the Framework of the Twist-3 Collinear Factorization Framework Tollkühn, Patrick Die Quantenchromodynamik ist die Theorie der starken Wechselwirkung, einer der drei fundamentalen Kräfte im Standardmodell der Teilchenphysik. Zusammen mit der Faktorisierung ist sie von zentraler Bedeutung für unser heutiges Verständnis der inneren Struktur von Materie auf Ebene ihrer elementaren Bausteine, den Quarks und Gluonen, sowie deren Wechselwirkungen. Als ein essenzielles Instrument in der Erforschung der starken Wechselwirkung und Validierung der Quantenchromodynamik haben sich Beschleunigerexperimente erwiesen, bei welchen subatomare Teilchen wie Protonen oder auch Elektronen bei hohen Energien kollidieren. Eine bemerkenswert faszinierende Observable stellt dabei die transversale Single-Spin Asymmetrie dar, nachdem Experimente in den 1970er-Jahren zeigten, dass diese entgegen der damaligen Erwartung nicht verschwindend klein ist. Seitdem wurden sowohl auf theoretischer als auch auf experimenteller Seite bedeutende Fortschritte erzielt und so sind heute zwei Mechanismen bekannt, die eine nicht-verschwindende transversale Single-Spin Asymmetrie erklären können. Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation steht einer dieser beiden Mechanismen. Es handelt sich dabei um sogenannte twist-3 Beiträge im Zusammenhang mit der kollinearen Faktorisierung. Im Rahmen dieses Formalismus werden nicht-verschwindende Asymmetrien über Beiträge mit Parton-Parton-Korrelationsfunktionen höherer Ordnung im Vergleich zu den gängigen Partondichtefunktionen und Fragmentationsfunktionen erklärt. Doch trotz des immensen Fortschrittes in den vergangenen Jahrzehnten ist nach wie vor wenig über die Observable in höheren Ordnungen der Störungstheorie bekannt. Das Ziel dieser Arbeit liegt daher darin begründet, einen Schritt zum tieferen Verständnis in höheren Ordnungen und insbesondere in nächstführender Ordnung zu leisten. Zu diesem Zweck wird die transversale Single-Spin Asymmetrie in der inklusiven Produktion eines Hadrons in Lepton-Nukleon-Streuung untersucht, wobei angenommen wird, dass das einlaufende Nukleon transversal spin-polarisiert ist. Ergebnisse für Korrekturen höherer Ordnung für derartige Prozesse werden vor allem im Hinblick auf den zukünftigen Electron-Ion Collider an Bedeutung gewinnen. Darüber hinaus eignet sich der Prozess hervorragend, um mehr über die notwendige Vorgehensweise für die erfolgreiche Berechnung der Observablen zu lernen, da bereits in diesem Beispiel neue Herausforderungen in Form komplexer mathematischer Strukturen im Vergleich zur herkömmlichen twist-2 Betrachtung auftreten, wie sie auch im Zusammenhang mit Nukleon-Nukleon-Streuprozessen zu erwarten sind. Dahingegen gestaltet sich die Struktur des Prozesses im Gegensatz zur zuletzt erwähnten Nukleon-Nukleon-Streuung noch geradezu übersichtlich und der Aufwand bleibt aufgrund der geringeren Anzahl an Beiträgen überschaubar.; Quantum chromodynamics is the theory of the strong interaction, one of the three fundamental forces in the standard model of particle physics. Alongside factorization, it is crucial for our current understanding of the inner structure of matter at the level of its elementary building blocks, the quarks and gluons, and their interactions. Accelerator experiments, in which subatomic particles such as protons or electrons collide at high energies, have proven to be indispensable tools in researching the strong interaction and validating quantum chromodynamics. A remarkably intriguing observable is the transverse single-spin asymmetry, after experiments in the 1970s revealed that, contrary to expectations at the time, it is not vanishingly small. Since then, both, theoretical and experimental advancements, have significantly expanded our understanding, and two mechanisms explaining the large transverse single-spin asymmetries are nowadays known. The thesis on hand delves into one of the two specific mechanisms, focusing on the so-called twist-3 contributions in the formalism of collinear factorization. Within this framework, non-vanishing asymmetries are attributed to higher-order parton-parton correlation functions, as opposed to the more commonly employed parton distribution and fragmentation functions. However, despite the immense advancements over the past decades, much remains unknown about the observable in higher orders of perturbation theory. Thus, the aim of this work is to take a step towards a deeper understanding of the higher order corrections, particularly at next-to-leading order. In order to achieve this, the transverse single-spin asymmetry in the inclusive production of a single hadron in lepton-nucleon scattering is investigated, assuming that the incoming nucleon is transversely spin-polarized. Higher order corrections for such processes will gain importance, especially with regards to the forthcoming electron-ion collider. Furthermore, the process serves as an excellent opportunity to learn more about the necessary procedures and techniques in order to successfully determine the observable as it introduces new challenges through complex mathematical structures, that surpass those found in more conventional twist-2 considerations. Similar challenges are also anticipated to emerge in nucleon-nucleon scattering processes as well. Conversely, unlike nucleon-nucleon scattering, the structure of this process remains relatively simple, and the effort required is manageable due to the smaller number of distinct contributions. Tue, 01 Sep 2026 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10900/182897 2026-09-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10900/182896 Angle-Resolved Surface- and Tip-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy Schneider, Felix Diese Dissertation ist gesperrt bis zum 31.07.2028!; This dissertation investigates the excitation, coupling, and radiation behaviour of hybridised plasmonic modes in particle-on-mirror, tip-mirror and collective plasmonic systems. The goal of this research is to improve the understanding of how the enhancement and scattering directionality of plasmon-enhanced Raman scattering depend on the incident laser polarisation or angle of incidence. To achieve this, novel experimental techniques are developed to observe angle-resolved effects during plasmon-enhanced Raman scattering. Studies on gold nanoparticle-on-mirror systems demonstrate that hybridised plasmonic modes, particularly with dipolar and quadrupolar character, can be efficiently excited with different laser beam polarisations. Strong variability in the polarisation-dependent Raman response and emission directionality between individual hotspots is observed, which is caused by geometric imperfections of the nanospheres and in turn different plasmonic modes. To address this, super-spherical nanoparticles with substantially improved geometric uniformity are employed and combined with a refined sample fabrication technique. This improves the homogeneity of the optical response and enables a reliable correlation between optical data collected in different spectroscopy and imaging methods. An adapted form of energy-momentum spectroscopy is developed to assess the spatial distribution of Raman scattering and gold photoluminescence signal within a parabolic mirror collection aperture. The same techniques are applied to explore the angular distribution of tip-enhanced Raman scattering in a gold-tip gold-mirror system, which is the first experimental study of its kind. The radiation directionality in tip-enhanced Raman spectroscopy strongly depends on the tip geometry, plasmonic resonance matching, and vibrational geometry of different Raman bands. The tip-sample distance has lower influence here. This work highlights the necessity to consider the spatial distribution of Raman scattering because of the different detection configurations used for TERS. To explore the influence of the angle of incidence on surface-enhanced Raman scattering, the angle-dependent coupling of a plasmonic lattice with a slab waveguide is investigated. Illumination with different diffraction conditions and varying electric field orientations reveals a large impact on the Raman scattering response. This highlights the strong role of excitation conditions for plasmon-enhanced Raman spectroscopy. Mon, 31 Jul 2028 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10900/182896 2028-07-31T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10900/182823 Untersuchung von Loss-of-function Mutationen in spannungsabhängigen Kaliumkanälen Kv7.2 und Kv4.3 mit dem klinischen Bild einer entwicklungsbedingten und epileptischen Enzephalopathie (DEE) bzw. einer Spinocerebellären Ataxie (SCA) Krepp, Susanne KV7.2 und -3 Kanäle werden hauptsächlich in neuronalem Gewebe exprimiert und stabilisieren die Zelle durch den sogenannten M-Strom im Subschwellenbereich von APs. Mutationen in KCNQ2 und -3 können u.a. zu selbstlimitierenden benignen familiären neonatalen Anfällen (BFNS) führen, können aber - wenn in sogenannten Hotspots lokalisiert - auch Ursache schwerer Verläufe wie der entwicklungsbedingten und epileptischen Enzephalopathie (DEE) sein. Kv4 sind spannungsabhängige Kaliumkanäle, die A-Strom vermitteln. Neben der Repolarisation spielen sie eine große Rolle bei der Regulation der AP-Frequenz. Lange wurden sie vor allem mit kardialen Erkrankungen in Verbindung gebracht wie Vorhofflimmern und dem Brugada-Syndrom. KCND3 wurde erstmalig 2012 als verursachendes Gen der Spinocerebellären Ataxie Typ 19/22 identifiziert. Ziel dieser Arbeit war die funktionelle Charakterisierung der KCNQ2-Varianten G315R und R325G sowie der KCND3-Variante F227del. Die elektrophysiologische Untersuchung erfolgte mittels Zwei-Mikroelektroden-Voltage-Clamp-Technik (TEVC) im heterologen Xenopus-laevis-Expressionssystem. Die Expression der mutierten Kv7.2-Untereinheiten G315R und R325G führte zu einem vollständigen Loss-of-function (LoF). In Coexpression mit zusätzlich wildtypischer Kv7.2 α-UE (1:1) zeigte sich eine überproportionale Reduktion der Stromamplituden um > 50%, in Coexpression mit Kv7.3 α-Untereinheiten in stöchiometrisch angenommenem Verhältnis (1:1:2) eine Reduktion um mehr als 25%, was insgesamt für einen dominant negativen Effekt beider Mutationen spricht. Eine Änderung des Gatings war nicht nachweisbar. Ursächlich für den dominant negativen Effekt kann somit wegen der c-terminalen Lokalisation beider Mutationen innerhalb der Calmodulin-Bindedomäne ein gestörtes Trafficking, Tetramerisierung oder eine Funktionsstörung des Gesamtkanals bei Integration einer dysfunktionalen α-Untereinheit sein. Die Expression der mutierten Kv7.2-Kanäle führte zudem zu einer deutlichen Depolarisation des Ruhemembranpotenzials um etwa 30 mV. Auch bei Coexpression mit wt Kv7.2 bestand eine Restdepolarisation von 7–14 mV. Dass eine Depolarisation bei reifen Neuronen mit einer erhöhten Exzitabilität und erhöhter Anfallsbereitschaft einhergeht, ist in früheren Studien mehrfach nachgewiesen worden. Dass in unreifen Zellen eine Depolarisation des RMP eine Störung der neuronalen Reifung und Netzwerkbildung bewirken kann, ist Gegenstand jüngerer Studien. Die in dieser Arbeit nachgewiesene Verschiebung des RMP in Richtung Depolarisation unterstreicht eine mögliche Auswirkung auf Zelldifferenzierung, neuronale Entwicklung und Entstehung einer DEE neben der erhöhten Anfallsbereitschaft peri- und postnatal. Unter Retigabin (10 µM) zeigte sich sowohl bei Wildtyp- als auch bei mutierten Kv7.2/Kv7.3-Kanälen eine Verschiebung des Strom-Spannungs-Verhältnisses in Richtung hyperpolarisierter Membranpotenziale. Bei G315R war der Shift mit −22 mV stärker ausgeprägt als bei Wildtyp und R325G (je −12 mV). Erklärend könnte die Nähe der Mutation zur Retigabin-Bindestelle und der Austausch der kleinen Glycin-Seitenkette gegen eine große, positiv geladene Arginin-Gruppe mit möglicherweise erhöhter pharmakologischer Zugänglichkeit der RTG-Bindungstasche sein. Zusammenfassend konnte somit experimentell eine pharmakologische Erreichbarkeit durch RTG trotz ausgeprägtem dominant negativen Funktionsdefekt nachgewiesen werden. Die Kv4.3-Variante F227del führte ebenfalls zu einem vollständigen LoF. Auch die Coexpression mit Wildtyp-Kv4.3 konnte keinen messbaren Strom wiederherstellen. Wie durch eine vorherige Studie immunhistochemisch nachgewiesen (Lee et al., 2012) ist dies durch eine gestörte Faltung und Trafficking bedingt und nicht durch eine Veränderung des Gatings trotz Mutationslokalisation in der Spannungssensordomäne S2. Eine Erklärungsmöglichkeit könnte sein, dass die Deletion der neutralen, unpolaren Aminosäure eine Störung der Helixgeometrie und Hydrophobizität verursacht und somit den Einbau in die Plasmamembran verhindert (Lee et al., 2012). Mon, 31 Aug 2026 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10900/182823 2026-08-31T00:00:00Z