Mit der Automatisierung von Prozessketten in der Industrie 4.0 gewinnt die Datenerfassung zur Regelung von Kräften und Momenten in vielen Fertigungsprozessen zunehmend an Bedeutung. Durch die Erfassung von Prozesskräften und -momenten können Regelungsansätze umgesetzt werden, um ausgewählte Produkteigenschaften genauer zu erreichen. Darüber hinaus werden zunehmend Sensoren zur digitalen Strukturüberwachung und vorausschauenden Wartung eingesetzt. Allerdings verhindern schlechte Zugänglichkeit, fehleranfällige Messpositionen oder raue Umgebungsbedingungen in der Regel den Einsatz externer Sensoren zur genauen Messung von Belastungszuständen in Tragstrukturen oder von Prozesskräften/-momenten in Fertigungsmaschinen. Durch die Integration von Sensoren in Struktur- und Maschinenelemente können Prozesskräfte und -momente direkt an Bauteilen oder Maschinenwerkzeugen gemessen werden, ohne deren mechanische Funktionalität zu beeinträchtigen. Die Integration von elektromechanischen Wandlern, wie dehnmessstreifenbasierten oder piezoelektrischen Wandlern, in passive metallische Strukturen hat sich nach neuesten Forschungserkenntnissen durch verschiedene Verfahren, insbesondere der Umformtechnik, als besonders vielversprechend erwiesen. Eine breitere Anwendung dieser Lösungsansätze wird jedoch durch die begrenzte Leistungsfähigkeit der Sensoren, wie z. B. die hochauflösende Erfassung von Richtung und Betrag der aufgebrachten Lasten, und die damit verbundenen hohen Kosten behindert. In dieser Dissertation wird die Einsatzmöglichkeit von optischen, bildbasierten Messkonzepten zur Erfassung von Strukturverformungen unter externen Lasten untersucht, mit dem Ziel, kostengünstige und gleichzeitig mehrachsig sensorische Tragstrukturen und Maschinenelemente zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird ein spezielles Messkonzept entwickelt und es werden systematisch die relevanten Systemauslegungsparameter identifiziert. Weiterhin wird ein Prozessdesign zur Integration empfindlicher optischer Elemente in metallische Strukturen durch Rundkneten unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit untersucht. Die Dissertation schließt mit der Betonung des Gesamtpotenzials optischer bildbasierter Sensoren zur Erfassung multiaxialer Belastungen in Strukturen und Maschinenelementen, wodurch der Weg für eine weitreichende Integration von Sensorsystemen und Maschinenelementen in verschiedenen Anwendungsbereichen geebnet wird.