Hrg. Andreas Winkler,
"Konzeption, Kalibrierung und Evaluierung eines kamerabasierten Gonioreflektometers"
, 3-2018
Original Titel:
Konzeption, Kalibrierung und Evaluierung eines kamerabasierten Gonioreflektometers
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
ie bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) ist eine charakteristische Eigenschaft einer reflektierenden Oberfläche und gibt den Reflexionsgrad als Funktion der Richtungen des einfallenden und des reflektierten Lichts an. BRDF-Messungen werden unter anderem für die automatisierte optische Qualitätssicherung in Produktionsprozessen verwendet oder in der Computergrafik, um virtuelle Oberflächen unter verschiedenen künstlichen Beleuchtungssituationen realitätsnah darstellen zu können.
Ein Gonioreflektometer ist ein Gerät zum Messen der BRDF. Das hier präsentierte kamerabasierte Gonioreflektometer (CBGR) verwendet eine von neun zur Auswahl stehenden, verschiedenfarbigen LEDs zum Beleuchten der Probe und eine herkömmliche CCD-Kamera, um die Strahldichte des reflektierten Lichts zu ermitteln. Die benötigten vier Freiheitsgrade zum Einstellen der Richtungen des einfallenden und des reflektierten Lichts werden mechanisch durch eine vierachsige Konstruktion realisiert, die die Verwendung von bis zu 3kg schweren, flachen Proben erlaubt. Ausgeklügelte Kalibrierverfahren ermöglichen trotz der verwendeten relativ einfachen Komponenten exakte Messungen. So wird eine eigens angefertigte Ulbrichtkugel verwendet, um die Kamera radiometrisch zu kalibrieren und es werden die Spektren und die Strahlstärkenverteilungen der verwendeten LEDs ermittelt. Außerdem werden die geometrischen Parameter des gesamten Aufbaus aus Kameraaufnahmen von zwei speziell für diesen Zweck gefertigten Kalibriertargets bestimmt. Die Kenntnis der Geometrie erlaubt unter anderem auch die Vermessung der ortsabhängigen BRDF (SVBRDF), ohne Registriermarken auf der Probe anbringen zu müssen.
Die Funktion des CBGR wird durch Messungen an einem diffusen Reflexionsstandard und an einem Spiegel evaluiert. Die Messungen am Reflexionsstandard werden auch mit den vom Hersteller des Standards bereitgestellten Messergebnissen verglichen. Schließlich wird die gemessene SVBRDF einer Banknote präsentiert.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Design, Calibration and Evaluation of a Camera-based Gonioreflectometer
Englische Kurzfassung:
The bidirectional reflectance-distribution function (BRDF) is a characteristic property of a reflecting surface and describes the reflectance in terms of the directions of the incident and the reflected light. Among other fields of application, BRDF measurements are used for automated optical inspection in production processes or in computer graphics where virtual surfaces are visualized under different artificial lighting conditions.
A device to measure the BRDF is referred to as gonioreflectometer. The camera-based gonioreflectometer (CBGR) presented in this thesis uses one of nine available LEDs to illuminate the specimen and a conventional CCD-camera to measure the radiance of the reflected light. Four degrees of freedom are required to adjust the directions of the incident and the reflected light. These are provided by a construction with four mechanical axes, allowing flat specimens with weights of up to 3kg. Despite the readily available and quite inexpensive components in use, sophisticated calibration procedures lead to measurements with low uncertainty. A custom integrating sphere is applied for the radiometric calibration of the camera. The spectra and the radiant intensity distributions of the LEDs are measured. Moreover, the geometric parameters of the complete setup are estimated by means of acquisition of two specially designed calibration targets. The exact knowledge of the geometry enables, among other things, the measurement of the spatially varying BRDF (SVBRDF) without the need for dedicated registration marks on the specimen.
The performance of the CBGR is evaluated by measurements of a diffuse reflection standard and a mirror. The measurements of the reflection standard are also compared to measurement results provided by the manufacturer of the standard. Finally, the measured SVBRDF of a banknote is shown.