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Konzeption, Kalibrierung und Evaluierung eines kamerabasierten Gonioreflektometers

Dipl.-Ing. Dr. Andreas Winkler

Betreuung und Begutachtung durch:

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

2. Begutachter:

A.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Josef Scharinger

Rigorosum:

11. Juni 2018

Die 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 und kostengünstigen 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.

Schlagwörter: Digitale Bildverarbeitung, Bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion, Reflektometer, Kalibrierung

Abbildung 1: Die Hauptkomponenten des CBGR sind das sphärische Gelenk zum Bewegen der Probe, ein Array von LEDs zum Beleuchten der Probe, eine Lichtführung zum Bewegen des LED-Arrays und eine CCD-Kamera, um den Anteil des in Richtung des Objektivs reflektierten Lichts zu messen. Abbildung 2: Die gemessene BRDF des diffusen Relexionsstandards. Je flacher der Winkel des einfallenden Lichts ist (hier 60° zur Lotrichtung), desto mehr weicht das Reflektanzverhalten des Standards von dem eines idealen Lambertschen Reflektors ab.