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6D-Vision – Gefahren schneller erkennen als der Mensch

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Auch wenn die Zahlen in den letzten Jahren stetig zurückgegangen sind, ereignen sich in Deutschland noch immer ca. 200.000 Unfälle mit Personenschaden allein im innerstädtischen Straßenverkehr. Jetzt lernen Autos das „Sehen“, um die oft komplexen Verkehrssituationen sicher und umfassend zu verstehen. Das ist eine zentrale Voraussetzung, um die Unfallzahlen weiter signifikant zu senken. Insbesondere andere Verkehrsteilnehmer müssen in Sekundenbruchteilen erkannt und Kollisionsgefahren zuverlässig ermittelt werden. Eine rechtzeitige Warnung oder eine blitzschnelle Reaktion kann helfen, folgenschwere Unfälle zu vermeiden. Die Neu- und Weiterentwicklung von Assistenzsystemen, die den Fahrer dabei unterstützen, typische Unfallarten in Kreuzungsbereichen oder Kollisionen mit querendem Verkehr zu vermeiden, stehen daher im Fokus der intensiven Sicherheitsentwicklungen von Mercedes-Benz.

Dr. Uwe Franke, Leiter des Teams „Bildverstehen“ in Forschung und Entwicklung der Daimler AG, Dr. Stefan Gehrig, Experte für Stereobildverarbeitung, sowie Dr. Clemens Rabe, Experte für Echtzeitrealisierung, eröffnen mit ihrem Forschungsprojekt „6D-Vision“ völlig neue Möglichkeiten bei der Gefahrenerkennung und Unfallvermeidung. Ihnen ist es gelungen, mit Hilfe eines Kamerapaars (einer sogenannten Stereokamera) und neuer Algorithmen beliebige bewegte Objekte wie Fahrzeuge, Fahrradfahrer oder Fußgänger in kürzester Zeit zu erkennen und neben ihrer Position auch ihre Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit zu messen. Dadurch ist es möglich, genaue Vorhersagen des Kollisionsrisikos zu liefern und das sogar, wenn Verkehrsteilnehmer teilweise von anderen Hindernissen verdeckt werden, beispielsweise wenn von einem auf die Straße rennenden Kind nur Kopf und Oberkörper zu sehen sind.

Das Prinzip: Wir Menschen nehmen mit unseren beiden Augen die Umwelt dreidimensional wahr. Durch „längeres Hinsehen“ sind wir außerdem in der Lage, die Bewegung von Objekten zu schätzen und so potenzielle Gefahren zu erkennen, auch dann, wenn wir uns selbst schnell bewegen. Mit 6D-Vision gelingt es, diese zentrale Fähigkeit des Menschen auf einer kleinen, leistungsfähigen und fahrzeugtauglichen Hardware nachzubilden. Analog zum menschlichen Vorbild verwendet 6D-Vision ein Kamerapaar, aus dessen Bildern die dreidimensionale Geometrie der Szene vor dem Fahrzeug berechnet wird. Zusätzlich werden ausgewählte Bildpunkte von Bild zu Bild verfolgt. Da in jedem Bild wieder die Position in der Welt ermittelt wird, kann durch geeignete Filterung die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit berechnet werden. Gleichzeitig bestimmt 6D-Vision präzise die Bewegung des eigenen Fahrzeugs, so dass stehende und bewegte Hindernisse schnell und sicher unterschieden werden können. Die simultane Bestimmung der Position (3 Dimensionen) und der Bewegung (weitere 3 Dimensionen) relevanter Bildpunkte gab dem neuen Verfahren den Namen 6D-Vision.

Dreidimensional Sehen
Die räumliche Wahrnehmung durch Stereobildverarbeitung steht seit den Anfängen der digitalen Bildverarbeitung in den 1970er Jahren im Blickfeld der Forschung. Sie beruht auf der Tatsache, dass Objekte in den Bildern der rechten und linken Kamera (oder unserer Netzhaut) leicht verschoben abgebildet werden. Diese als „Disparität“ bezeichnete Verschiebung wird mit zunehmender Entfernung immer kleiner. Klassische Verfahren der Stereobildverarbeitung berechnen die Entfernung nur für einzelne Bildpunkte und zeigen signifikante Schwächen bei schwierigen Sichtbedingungen. Im Gegensatz dazu liefern moderne Stereoverfahren, die aufwändige globale Optimierungstechniken einsetzen, zu jedem Bildpunkt eine Messung. Wegen ihres hohen Rechenaufwands konnten sie bis vor kurzem nicht schnell genug gerechnet werden.

Das Forschungsteam um Dr. Uwe Franke hat nach eingehenden Untersuchungen das im Jahr 2005 vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) vorgestellte dichte Stereobildverarbeitungsverfahren „Semi-Global Matching“ – kurz SGM – ausgewählt, das bei internationalen Vergleichen einen Spitzenplatz einnimmt. Die Daimler Forscher haben dieses Verfahren optimiert und so weiter entwickelt, dass es auch nachts und bei schlechtem Wetter robust und zuverlässig arbeitet. Zusammen mit Hardware-Experten der schweizer Firma Supercomputing Systems AG gelang 2008 die weltweit erste fahrzeugtaugliche Umsetzung auf einem preisgünstigen FPGA (field programmable gate array), die es schafft, die Stereoberechnung 25 mal pro Sekunde durchzuführen. FPGAs sind programmierbare Logik-Schaltungen, die gleichzeitig viele Eingangsdaten verarbeiten können. Sie bieten die Rechenleistung von Hochleistungs-PCs auf einem Quadratzentimeter Silizium und werden millionenfach in modernen Fernsehern und Smartphones eingesetzt. Dank der hohen Genauigkeit des auf diesen Prozessoren realisierten Stereoverfahrens sind Positionsbestimmungen beliebiger Objekte und Hindernisse in Entfernungen bis zu 50 Metern möglich. Zum Vergleich: die menschliche Stereowahrnehmung endet bei ca. 10-12 Metern.

Vom Standbild zum Bewegtbild
Um die für 6D-Vision wichtige Wahrnehmung der Bewegung zu realisieren, ist es notwendig, präzise Werte des „optischen Flusses“, – also die Verschiebungen der Bildpunkte in einer Bildfolge – zu ermitteln. Die in der wissenschaftlichen Literatur beschriebenen Verfahren berechnen keine sehr große Bildpunktverschiebungen, jedoch treten diese speziell im Nahbereich eines Fahrzeuges bei hoher Geschwindigkeit oder bei Kurvenfahrten auf. Der von Daimler im Jahre 2004 entwickelte Algorithmus „PowerFlow“ löst dieses Problem erstmals. Er ermittelt beliebig große Bildverschiebungen mit konstant kleiner Rechenzeit und liefert auch bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, schlechten Witterungsverhältnissen oder Beleuchtungsschwankungen zuverlässige Ergebnisse.

In dem von den Forschern entwickelten Stereokamerasystem werden in einem sich anschließenden Verarbeitungsschritt räumlich benachbarte 6D-Punkte mit gleicher Bewegung zu Objekten zusammengefasst. Mit Hilfe intelligenter Filtermethoden können dann sogar Beschleunigung und Lenkeinstellung kreuzender und entgegenkommender Fahrzeuge ermittelt werden. Dies ist erforderlich, um die zeitliche Bewegung anderer Verkehrsteilnehmer über ein bis zwei Sekunden vorherzusagen und so potenzielle Unfallsituationen von unkritischen Situationen unterscheiden zu können.

Gerade bei teilverdeckten, eng benachbarten Objekten und problematischen Sichtbedingungen zeigen sich die Vorteile des entwickelten Verfahrens deutlich. Auf Basis der 6D-Bewegungsinformation lässt sich ein Gefahrenpotential für jeden einzelnen Bildpunkt ableiten, bewegte Objekte „verraten“ sich somit bereits auf Bildpunktebene. Noch bevor der gefährliche bzw. gefährdete Verkehrsteilnehmer vor dem Fahrzeug auftaucht, kann der Computer die drohende Gefahr erkennen, selbst wenn nur Teile des Verkehrsteilnehmers zu sehen sind. Der Fahrer kann so in komplexen Verkehrssituationen sofort optimal unterstützt werden.

Gefahren erkennen – schneller als der Mensch
Kinder, die unerwartet auf die Straße laufen, werden in 0,2 Sekunden im gesamten Blickfeld der Kamera wahrgenommen. Auf Grund unseres stark selektiven Sehverhaltens benötigt ein aufmerksamer Mensch dafür circa 0,5 Sekunden, war der Fahrer abgelenkt, kommen mindestens weitere 0,5 Sekunden hinzu. Da auch die Bewertung der Situation und die Reaktion Zeit erfordern, kommt es immer zur bekannten „Schrecksekunde“, die ein Mensch unabhängig vom Alter braucht, um eine gefährliche Situation zu erkennen und eine Aktion einzuleiten. In dieser Sekunde legt ein Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h eine Strecke von rund 14 Metern zurück. Praktische Messungen zeigen, dass das Fahrzeug bei einer durch das Sicherheitssystem eingeleiteten Notbremsung bereits sieben Meter früher zum Stehen kommt – ein entscheidender Vorteil zur Unfallvermeidung im innerstädtischen Verkehr.

Unfälle vermeiden, den Menschen helfen
6D-Vision ist eine Basistechnologie, die neue Möglichkeiten für künftige Fahrerassistenzsysteme eröffnet. Sie erlaubt, Unfallrisiken signifikant zu senken und einen weiteren großen Schritt auf den Weg zum Unfallfreien Fahren zu gehen. Basierend darauf arbeitet Daimler an möglichen Fahrerassistenzsystemen, darunter Bremsassistenten, die bei querenden Fahrradfahrern oder Fußgängern aktiv werden, Kreuzungsassistenten, die Kollisionen beim Abbiegen durch Bremsen verhindern sollen und einen Ausweichassistent, der durch ein schnelles Lenkmanöver helfen kann, Unfälle im letzten Moment zu vermeiden. Neben sicherheitsrelevanten Fahrerassistenzsystemen kann 6D-Vision auch helfen, den Fahrer zu entlasten und den Komfort zu erhöhen, beispielsweise im Stop&Go-Verkehr oder in engen Baustellenbereichen. Das Einsatzspektrum von 6D-Vision geht jedoch weit über die Anwendung im Automobil hinaus und bietet Potenzial für alle Bereiche, in denen eine exakte Erfassung und Interpretation dynamischer Szenen erforderlich ist, beispielsweise in den vielfältigen Einsatzbereichen der Robotik und der Mensch-Maschine-Interaktion. Ein weiteres Einsatzgebiet zeichnet sich in modernen 3D-Fernsehern ab, in denen in Zukunft eine Stereoanalyse und eine on-line Bewegungsschätzung durchgeführt werden soll, um einen variablen Tiefeneindruck zu ermöglichen.

Die Tatsache, dass moderne Kameras kontinuierlich leistungsfähiger und preisgünstiger werden und 6D-Vision Hardwarekomponenten aus dem Bereich der Consumer-Elektronik verwendet, lässt eine schnelle Verbreitung in alle Fahrzeugklassen zu. Da die 6D-Vision Technologie signifikant zur Senkung von Verkehrsunfällen beitragen kann, beabsichtigt Daimler, diese Technologie – wie zuvor bei ABS und ESP® geschehen – zukünftig auch anderen Herstellern zugänglich zu machen.

Unternehmensprofil Daimler
Die Firmengründer Gottlieb Daimler und Carl Benz haben mit der Erfindung des Automobils im Jahr 1886 Geschichte geschrieben. 125 Jahre später, im Jubiläumsjahr 2011, ist die Daimler AG eines der erfolgreichsten Automobilunternehmen der Welt. Mit den Geschäftsfeldern Mercedes-Benz Cars, Daimler Trucks, Mercedes-Benz Vans, Daimler Buses und Daimler Financial Services gehört der Fahrzeughersteller zu den größten Anbietern von Premium-Pkw und ist der größte weltweit aufgestellte Nutzfahrzeug-Hersteller. Daimler Financial Services bietet ein umfassendes Finanzdienstleistungsangebot mit Finanzierung, Leasing, Versicherungen und Flottenmanagement.

Als Pionier des Automobilbaus gestaltet Daimler auch heute die Zukunft der Mobilität: Das Unternehmen setzt dabei auf innovative und grüne Technologien sowie auf sichere und hochwertige Fahrzeuge, die ihre Kunden faszinieren und begeistern. Daimler investiert bei der Entwicklung alternativer Antriebe als einziger Automobilhersteller sowohl in den Hybrid-, als auch in den Elektromotor und in die Brennstoffzelle mit dem Ziel, langfristig das emissionsfreie Fahren zu ermöglichen. Denn Daimler betrachtet es als Anspruch und Verpflichtung, seiner Verantwortung für Gesellschaft und Umwelt gerecht zu werden. Das bedeutet für Daimler auch die Verpflichtung, Innovationsführer auf dem Gebiet der Sicherheit zu sein. Mercedes-Entwicklungen wie ABS/ESP, Airbag und PreSafe sind aus modernen Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken.

Daimler vertreibt seine Fahrzeuge und Dienstleistungen in nahezu allen Ländern der Welt und hat Produktionsstätten auf fünf Kontinenten. Zum heutigen Markenportfolio zählen neben Mercedes-Benz, der wertvollsten Automobilmarke der Welt, die Marken smart, Maybach, Freightliner, Western Star, BharatBenz, Fuso, Setra, Orion und Thomas Built Buses. Das Unternehmen ist an den Börsen Frankfurt und Stuttgart notiert (Börsenkürzel DAI). Im Jahr 2010 setzte der Konzern mit mehr als 260.000 Mitarbeitern 1,9 Mio. Fahrzeuge ab. Der Umsatz lag bei 97,8 Mrd. €, das EBIT betrug 7,3 Mrd. €.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „6D-Vision – Gefahren schneller erkennen als der Mensch“ wurde vom BDI - Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. vorgeschlagen