"Fahr vorsichtig, Schatz", verabschiedet die Frau ihren Ehemann, wenn dieser wie jeden Morgen ins Auto steigt, um zur Arbeit zu fahren. Nach einer kurzen Nacht ist man müde, gähnt permanent während der Fahrt vor sich hin und auch die dunkle Winterjahreszeit fördert nicht das Aufwachen nicht gerade. Zwar glaubt man, den Weg zum Arbeitsplatz im "Schlaf" fahren zu können, doch dann fallen die Augen für nur einen winzigen Moment zu und schon ist es zu spät. Ob Hausrats-, Lebens- oder Unfallversicherung. Wir decken uns gerne "sicherheitshalber" gegen alle möglichen Fälle ab. Für den Sekundenschlaf gibt es jedoch keinen Versicherungsschutz. Ein Auto, das mitdenkt, würde unser Leben sicherer machen.
* Siemens
Viewing Assistance ist ein Versuch der Automobilhersteller, diesem Bedürfnis nach mehr Sicherheit nachzukommen Dabei wird zwischen den auf CMOS-Sensoren basierende aktiven Fahrerassistenzsystemen (Driving Assistance) und passiven CCD-Systemen als Sichthilfe (Vision Assistance) unterschieden.Zwar stellen sowohl CCD - als auch CMOS - Module eine Form von Sensoranordnungen dar, jedoch unterscheiden sie sich sowohl in ihrer Designstruktur als auch in ihrer Funktionsweise. CCD-Kameramodule bestehen aus einer Matrix lichtempfindlicher Fotodioden. Fällt Licht darauf, wandeln sie die Energie in elektrische Ladung bzw. Photonen um und reichen sie von einer zur nächsten CCD-Zelle weiter – das sogenannte "Eimerkettenprinzip". Jedes gesammelte Photonen-Ladungspaket wird so über den Chip zum Ausgang und damit zu einem Verstärker transportiert.
Die CMOS-Technologie basiert hingegen auf einer 3-fach-Transistoren-Struktur. Gegenüber CCD verfügt sie aufgrund dieser Struktur über die Fähigkeit, eine Vielzahl von Verarbeitungsschritten parallel auszuführen bzw. auf einem einzigen Chip zu implementieren. "Der wesentliche Unterschied ist der höhere Integrationsgrad von CMOS-Sensoren", erklärt Bernd Ahner, Senior Sales Manager bei Aptina Imaging. "Während der CCD-Sensor im wesentlichen die reine Bildinformation liefert, kann auf einem CMOS weitere Logik, wie das Timing für die Ansteuerung des Pixels und des AD-Wandlers, die Signalverstärkung oder die Dunkelstromkompensation realisiert werden." CMOS-Sensoren werden in aktiven Fahrerassistenzsystemen eingesetzt. Unter "aktiv" wird hierbei etwa das automatische Eingreifen der Elektronik zum Beispiel beim Abkommen von der Fahrbahn oder bei gefährlichen Überholmanövern verstanden.
CCD-Module für mehr Sicht in dunklen Ecken
Wie aber macht sich die jeweilige Technik in der Anwendung bemerkbar? Da CCD-Sensoren passiv sind, bedarf diese Technik zusätzlicher Peripheriechips, um die Sensorfunktionen zu unterstützen. "Heute ist der größte Teil des Marktes mit CCDs abgedeckt, allein in Japan werden jährlich rund vier Millionen solcher Module für Automobilkameras eingesetzt", so Uwe Hock, Produkt Marketing Manager bei Sharp Microelectronics Europe . "Kommt es darauf an, bei geringem Außenlicht, detailreiche Bilder zu liefern, sind CCD-Module die Technologie der Wahl. Mit einer Lichtempfindlichkeit von 1.200 mV und mehr nehmen Kameras mit dieser Technik auch in schlecht beleuchteten Garagen und dunklen Gassen ein sehr genaues Bild ihrer Umgebung auf." Da die Fotodioden in den CCD-Sensoren jedoch voneinander isoliert sind bzw. die Photonenansammlungen nur Schritt für Schritt über den Chip weitergeleitet werden, ist die Bildrate entsprechend gering, d.h. das Kameramodul arbeitet im Vergleich zu CMOS wesentlich langsamer. "Das spielt aber keine Rolle, da Rückwärtsfahrten ohnehin nur bei geringen Geschwindigkeiten stattfinden", erklärt Hock.
Highspeed-CMOS-Sensoren für Realtime Prozesse
Sensoren für aktive Fahrerassistenzsysteme hingegen müssen vor allem eins sein: extrem schnell. Bei hohen Geschwindigkeiten kommt es darauf an, dass das System im Bruchteil einer Sekunde eine kritische Fahrsituation erfasst, auswertet und entsprechende Maßnahmen einleitet. Kameras für solche Module benötigen daher sehr hohe Bildraten. "30 Bilder pro Sekunde mindestens, die Anforderung der Automobilhersteller geht aber eher in Richtung 60 und 120 Bilder pro Sekunde", weiß Hock. Weiter erklärt der Produkt Manager: "Zudem müssen die Kameras auch bei großen Helligkeitskontrasten die Umgebung genau abbilden - - vor allem, wenn sie im Frontbereich montiert sind. So zum Beispiel bei Scheinwerfern des Gegenverkehrs oder bei Ein- und Ausfahrten in Tunneln." Diesen Umstand bezeichnet man im Allgemeinen als "Dynamic Range". Das menschliche Auge verfügt über einen Dynamikumfang von 105 db, der uns erlaubt, sowohl Straßen an einem sonnig grellen Sommertag detailgetreu zu sehen als auch ein im Tunnelschatten parkendes Auto exakt wahrzunehmen. Unser Auge kann also schnell von einem zum nächsten Kontrast umschalten, ohne dass dabei die Sicht beeinträchtigt wird. Kamerasensoren hingegen verfügen normalerweise über einen Dynamikumfang von nur 60 bis maximal 90 db. Scheinwerferlicht würde bei diesem geringen "Dynamic Range" am anderen Ende des Tunnels deshalb nur als weißes Licht dargestellt. Anforderung an die Bildsensoren für aktive Unterstützung des Fahrers ist also auch ein großer Dynamikbereich von mindestens 100 db.
Unabhängig von der Technologie stellt der Einsatz von Kameras in Automobilen spezielle Anforderungen im Vergleich zu herkömmlichen Digitalkameras. Vor allem die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbeständigkeit sind entscheidende Kriterien, weiss auch Uwe Hock: "Ein absolutes Muss ist neben der Auslegung für Temperaturbereiche von -40 º bis 105 ºC auch die Wasserdichtigkeit. Eingelassen in die Frontpartie sind die "Augen" aktiver Fahrerassistenzsysteme nicht nur Regen, sondern auch Spritzwasser ausgesetzt, das bei höheren Geschwindigkeiten mit großem Druck auf die Module auftrifft." Zudem ist aber auch eine kompakte Bauart gefragt. Wer möchte schon sein Auto am Kofferraum sowie an der Motorhaube mit riesigen Kameras bestücken? Möglichst unsichtbar sollten sie also sein. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise der Rahmen der Heckscheibe, die Außenspiegel oder die Stoßstange die Module integrieren können sollten. Sharp kann derzeit mit CCD-Kameramodulen mit Abmessungen von nur 28 x 28 x 25,4 Millimetern aufwarten und von Sony gibt es CMOS-Kameras mit den Maßen 23.4 mm x 23.4 mm x 21.7mm, die bereits von Nissan eingesetzt werden.
CCD vs.CMOS
Aber welche Technologie wird sich künftig durchsetzen? "Aufgrund des Kostendrucks und anderen Anforderungen, wie die Reduktion von Gewicht und Bauform, denke ich, dass der CMOS-Sensor im Automotivebereich bei aktuellen Entwicklungen bereits den Vorzug erhält. Sie sind aufgrund ihrer höheren Funktionsintegration einfach preiswerter als ein CCD-Sensor", so Ahner.
In Japan sind die bildverarbeitenden Rückfahrkameras bereits für neue Fahrzeuge vorgeschrieben, in Amerika werden sie ab 2015 Pflicht. Besonders die großen Trucks stellen dort eine große Gefahr dar. Kinder werden hinter den großen Fahrzeugen häufig nicht wahrgenommen und einfach überfahren. In Deutschland besteht bisher noch kein Gesetzt für Fahrerassistenzsystemen. Dennoch haben viele Fahrzeuge bereits sogenannte "Ultra Sonic Systeme"(USS) standardmäßig integriert. Fährt man so zum Beispiel beim Ausparken zu dicht an eine Wand oder eine vorbeilaufende Person, geben die Sensoren eine Warnsignal wider. "Im technisch hoch spezialisierten Japan haben Hersteller dieses System übersprungen und stattdessen den direkten Einstieg mit bildverarbeitenden Systemen gewagt. Denn beim USS kommt es immer wieder zu Systemausfällen" erklärt Hock die "Viewing Assistance"-Regelungen in den verschiedenen Ländern. "Ich betrachte die beidem Kameramodule aufgrund ihrer unterschiedlichen Charakteristika jedoch als komplementäre Technologien. CCDs werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit überwiegend als Rückfahrkameras eingesetzt, während CMOS, wegen ihrer hohen Bildraten und Dynamik hauptsächlich als "Augen" aktiver Fahrerassistenzsysteme Anwendung finden. Dennoch glaube ich, dass der CMOS-Markt innerhalb der nächsten fünf Jahre deutlich mehr an Bedeutung gewinnen wird, denn zum Beispiel das Defizit der Lichtempfindlichkeit ist der CMOS in der Lage zu kompensieren."
Während es also beim Einsatz passiver CCD-Kameramodule einzig und allein dem Fahrer überlassen bleibt, in Form von Signalen oder Bildern gelieferte Informationen auszuwerten und darauf zu reagieren, greifen aktive Fahrerassistenzsysteme direkt ins Geschehen ein. Fraglich ist hierbei jedoch, inwiefern die rechtliche Grundlage in Betracht gezogen werden muss. Ab wann soll ein System denn eingreifen? Kann man sich wirklich hundertprozentig auf das System verlassen? Ob wir tatsächlich den Punkt der vollkommenen Automatisierung erreichen steht wohl zur Debatte. "Ein Punkt ist jedoch offensichtlich", schließt Ahner ab. "Die Schnelligkeit von elektronischen Systemen ist der menschlichen Reaktionszeit deutlich überlegen und zu jeder Zeit konstant. Meiner Ansicht nach sollten diese Systeme dem Fahrer jedoch nur assistieren, ihn nicht dominieren Durch den Einsatz bilderkennender Systeme lassen sich aber sicher viele Unfälle vermeiden."
• more@click-Code: EE409503
