RTI - Vertiefung

Reflection Transformation Imaging (RTI) erzeugt Polynomial Texture Maps (PTMs), in denen für jedes Pixel Informationen über die Reflexionseigenschaften der Oberfläche gespeichert werden. Die erzeugten interaktiven Dateien werden aus einer Vielzahl von Bildern errechnet, wobei in jedem Bild die Kameraposition unverändert ist, während die Richtung, aus der das Licht kommt, jeweils wechselt.

Mit speziellen Viewer-Programmen können die Daten angesehen werden und die aufgenommenen Objekte interaktiv aus jeder Richtung beleuchtet werden. Da es sich aber nicht um eine 3D-Datei handelt, können die Objekte nicht bewegt werden. Jedoch bieten die Programme zusätzlich unterschiedliche Algorithmen, um bestimmte Oberflächeneigenschaften, wie Kanten oder Risse, optisch hervorzuheben, die unter natürlichen Bedingungen nicht oder nur schwer erkennbar sind.

Für die Erstellung von RTI-Daten können unterschiedliche Aufnahmemethoden verwendet werden, die unterschiedliche Ausrüstung voraussetzen, wobei das Grundprinzip dahinter jeweils immer das gleiche ist.

rti_TA01029.jpg

Ausschnitt der Rückseite der Grabstele TA 1029 mit reichsaramäischer Inschrift des Verstorbenen (Tayma, Saudi-Arabien). Links ein Foto. In der Mitte der gleiche Ausschnitt als RTI mit 'Specular Enhancement', rechts mit 'Static Multi Light'. (Foto: Mirco Cusin; RTI: Martina Trognitz, Max Haibt; DAI-Orient-Abteilung)
Ausschnitt der Rückseite der Grabstele TA 1029 mit reichsaramäischer Inschrift des Verstorbenen (Tayma, Saudi-Arabien). Links ein Foto. In der Mitte der gleiche Ausschnitt als RTI mit 'Specular Enhancement', rechts mit 'Static Multi Light'. (Foto: Mirco Cusin; RTI: Martina Trognitz, Max Haibt; DAI-Orient-Abteilung)

Polynomial Texture Map

Ein Polynomial Texture Map (PTM) ist eine Repräsentationsform von Bildern mit Hilfe von Funktionen, statt einzelner Farbwerte. Im Gegensatz zu Rastergrafiken werden für die einzelnen Pixel von PTMs nicht nur feste Farbwerte gespeichert, sondern zusätzlich eine Funktion, die mit Hilfe der Parameter lu und lv die Leuchtdichte der Oberfläche berechnet. Die Leuchtdichte bestimmt wie das menschliche Auge eine Oberfläche wahrnimmt, also ob sie besonders hell, dunkel, spiegelnd oder matt erscheint.

Die Parameter lu und lv spezifizieren, wo sich eine punktförmige Lichtquelle befindet. Wird die Lichtquelle bewegt, ändern sich die Parameter und somit auch der errechnete Farbwert für den jeweiligen Pixel. Somit kann ein PTM simulieren, wie ein Objekt bei wechselnder Beleuchtungsrichtung aussieht.

Ganz vereinfacht lässt sich das Prinzip hinter RTI in der untenstehenden Abbildung visualisieren. Für jeden Punkt einer dreidimensionalen Oberfläche kann eine Normale bestimmt werden. An dieser Normale wird einfallendes Licht im gleichen Winkel reflektiert (Reflexionsgesetz). Da die Kamera sich in einer festen Position befindet, die Richtung aus der das Licht kommt ebenfalls bekannt ist und es einen Bilderstapel mit unterschiedlichen Lichtpositionen gibt, kann für jeden Bildpunkt eine Oberflächennormale berechnet werden. Wird die fertige RTI-Datei betrachtet und die Beleuchtung geändert, können die angezeigten Farbwerte der einzelnen Punkte anhand des gespeicherten Farbwertes, der errechneten Normalen und dem Einfallswinkel berechnet und ausgegeben werden.

rti_ptmAbstrakt.png

Rechts sind auf einer dreidimensionalen Oberfläche für vier Punkte die Normalen (rot) eingezeichnet, an denen einfallendes Licht (gelb) reflektiert wird (grün). Links ist diese Obefläche als PTM dargestellt, in dem für die Punkte jeweils die Oberflächennormalen gespeichert sind. So entsteht ein optischer 3D-Effekt, der an sich aber nicht in der Datei hinterlegt ist.
Rechts sind auf einer dreidimensionalen Oberfläche für vier Punkte die Normalen (rot) eingezeichnet, an denen einfallendes Licht (gelb) reflektiert wird (grün). Links ist diese Obefläche als PTM dargestellt, in dem für die Punkte jeweils die Oberflächennormalen gespeichert sind. So entsteht ein optischer 3D-Effekt, der an sich aber nicht in der Datei hinterlegt ist.

Aufnahmemethoden

rti_aufnahme.jpg

Oben links eine einfache Kuppel für RTI-Aufnahmen. Rechts daneben ein gebogener Arm, der um das Objekt rotiert werden kann. Unten ist in den Aufbau von CHI eine imaginäre Kuppel projiziert. (Hewlett-Packard-Laboratories und CHI)
Oben links eine einfache Kuppel für RTI-Aufnahmen. Rechts daneben ein gebogener Arm, der um das Objekt rotiert werden kann. Unten ist in den Aufbau von CHI eine imaginäre Kuppel projiziert. (Hewlett-Packard-Laboratories und CHI)
Das Grundprinzip für RTI-Aufnahmen besteht in der immer gleich bleibenden Position der Kamera in Bezug auf das Objekt und der wechselnden Position der Lichtquelle. Bei der Lichtquelle muss der Abstand zu dem Objekt immer der gleiche sein, um eine konstante Lichtintensität zu gewährleisten, und zusammen betrachtet sollten die jeweiligen Positionen so gewählt werden, dass sie gleichmäßig um das Objekt herum verteilt sind. Für die Positionierung der Lichtquellen wurden unterschiedliche Methoden und Ausrüstungsteile entwickelt, die in der nebenstehenden Abbildung zusammengefasst dargestellt sind.

Bei der Aufnahme mit einer Kuppel (engl. dome) wird eine Kuppel so über das Objekt platziert, dass dieses in der Mitte liegt. Die Kamera wird ebenfalls mittig der Kuppel direkt über dem Objekt platziert. An der Kuppel können mehrere Lichtquellen, wie etwa LEDs befestigt sein, wobei bei jedem Bild jeweils nur eine eingeschaltet wird. Es gibt auch Kuppeln, die statt fest eingebauter Lichtquellen nur Markierungen für eine manuelle Platzierung der Lichtquelle haben. Die Position der Lichtquellen ergeben sich aus den Abmessungen der Kuppel und müssen in dem Programm eingetragen werden.

Eine vereinfachte Form der Kuppel sind gebogene Arme, mit daran befestigten Lichtquellen, wie etwa externe Blitzgeräte. Dieser Arm kann um das Objekt herum rotiert werden, so dass am Ende der Aufnahme eine kuppelförmige Verteilung der Lichter erzielt wird. Auch hier kann die Position der Lichtquellen aus den Abmessungen des Armes und dem Rotationswinkel berechnet werden.

Eine sehr flexible Methode, Highlight-RTI, wurde von Cultural Heritage Imaging entwickelt. Hierfür wird nur ein Blitzgerät (oder eine andere Lichtquelle) benötigt, an dem eine Schnur befestigt wird, mit deren Hilfe man das Gerät so ausrichten kann, dass der Abstand immer gleich ist und das Licht auch direkt auf das Objekt gerichtet ist. Auf diese Weise kann man sich an einer imaginären Kuppel entlang orientieren. Um die Position der Lichtquelle errechnen zu können, wird neben das Objekt eine schwarz glänzende Kugel platziert, die auch auf jedem Bild zu sehen sein muss. Aus den Reflexionspunkten des Lichtes an der Kugel kann das Programm dann die Richtung, aus der das Licht kommt, berechnen.

Letzte Änderung: 8. Dezember 2016