Shape-from-Shading

Lexikon der Bildverarbeitung: Shape-from-Shading

…ist ein neigungsmessendes Verfahren zur 3D-Formermittlung mit einer Kamera. Dabei werden die physikalischen Zusammenhänge zwischen Neigungswinkel, Oberflächeneigenschaften, Lichteinfall und Beobachtungsrichtung ausgenutzt.
Die Grundlagen dazu wurden Ende der 1980er Jahre am MIT gelegt. Die Idee des Shape-from-Shading (SfS) wird schon lange von Astronomen genutzt, um topografische Informationen von Himmelskörpern zu erhalten. Abhängig vom Lichteinfall entstehen auf deren Oberfläche Schatten, die auf Berge oder Täler hinweisen. Die Helligkeitsverläufe der Schatten geben Aufschluss über die Steilheit und Höhenunterschiede der Übergänge. Absolute Höhenmessungen sind aber nicht möglich. SfS wird vorwiegend an ruhenden Prüfobjekten eingesetzt. Eine Kamera bildet die Szene von oben ab. Um Oberflächenneigungen in allen Richtungen erkennen zu können, werden sequenziell Bilder mit seitlicher Beleuchtung aus mindestens drei verschiedenen Richtungen aufgenommen. Anordnungen mit vier um 90° versetzten Beleuchtungen erzeugen ´homogeneres´ Licht und kommen der Zeilen-/Spaltenstruktur von Bildsensoren entgegen. Die ermittelten Helligkeitswerte der Bildpixel sind abhängig vom Albedo (Beleuchtungsintensität, Reflexionskoeffizienten, Kameraempfindlichkeit), Lichtrichtung und dem Normalenvektor des Prüfobjektoberflächenelements. Die Berechnung der Helligkeitsgradienten, die die Neigung der Oberfläche beschreiben, erfolgt durch überbestimmte Gleichungssysteme. Danach liegen vier Ergebnisbilder vor: ein Neigungsbild horizontal und eines vertikal, ein Krümmungsbild (resultiert aus beiden Neigungsbildern) sowie ein Texturbild (Helligkeitseigenschaften der Oberfläche, Verfärbungen, verschiedene Materialien etc.). Durch Integration kann daraus eine relative Höhenkarte erstellt werden. SfS funktioniert nur, wenn die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) der Prüfobjekte modelliert werden kann. Matte Prüfobjekte ergeben die besten Ergebnisse. Schwieriger sind halbmatte und glänzende Teile zu handhaben. Einsatzbereiche sind: u.a. topografische Defekte (µm-Tiefenbereich) bei großem Gesichtsfeld; finden von Schlagstellen, Lackfehlern, Lunkern, Kratern, Einschlüssen, Kratzern, Rissen o.ä.; gleichzeitige Inspektion verschiedener Materialien, Erkennung von Formabweichungen oder Nachweis von gewünschten Strukturen, z.B. Brailleschrift auf farbigem Untergrund, OCR an erhabener Schrift (Gussteile).