Heinrich-Hertz-Institut

Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut)
Kategorie:	Forschungseinrichtung
Träger:	Fraunhofer-Gesellschaft
Rechtsform des Trägers:	Eingetragener Verein
Sitz des Trägers:	München
Standort der Einrichtung:	Berlin
Art der Forschung:	Angewandte Forschung
Fächer:	Ingenieurwissenschaften
Fachgebiete:	Informations- und Kommunikationstechnologie
Grundfinanzierung:	Bund (90%), Länder (10%)
Leitung:	Hans-Joachim Grallert und Holger Boche
Mitarbeiter:	ca. 260
Homepage:	www.hhi.fraunhofer.de

Das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut) (HHI; englisch Fraunhofer Institute for Telecommunications) ist ein Institut innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Berlin, das sich der angewandten Forschung widmet.

Übersicht

Wie alle Institute der Fraunhofer-Gesellschaft finanziert sich das Heinrich-Hertz-Institut nur zu 40 % aus öffentlichen Mitteln. Der Rest wird durch Auftragsforschung der Industrie oder der öffentlichen Hand aufgebracht. Das Institut beschäftigt mehr als 260 Mitarbeiter, meist Wissenschaftler und Ingenieure und hat einen Etat von mehr als 25 Mio. Euro.

Die gegenwärtigen Forschungsschwerpunkte des Heinrich-Hertz-Instituts werden in den folgenden Abteilungen bearbeitet:

PN – Photonische Netze und Systeme

PC – Photonische Komponenten

IM – Interaktive Medien – Human Factors

In enger Kooperation mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft erforscht und entwickelt die Abteilung IM innovative Konzepte, Endgeräte und Anwendungen, die einen attraktiven und nutzerfreundlichen Zugriff zu multimedialen Daten und interaktiven Diensten ermöglichen.

Eine Kernkompetenz der von Dr. Siegmund Pastoor geleiteten Abteilung liegt auf dem Gebiet neuartiger 3D-Displays und multimodaler Interaktionssysteme, die ein intuitives, reibungsloses Zusammenspiel von Mensch und Technik ermöglichen.

Mensch-Maschine-Interaktion

In diesem Zusammenhang entwickelt die Abteilung eine umfassende Palette von Technologien zur berührungslosen Erfassung von nicht-verbalen Eingaben des Anwenders, z. B. durch Blickbewegungen und Handgesten. Der Video Head Tracker ortet die Augen des Menschen (3D-Koordinaten) mit einer Messrate von 120 Hz. Damit lassen sich sowohl interaktive Anwendungen als auch optische Systeme verzögerungsfrei und präzise an den aktuellen Blickwinkel des Betrachters anpassen.

Das Verfahren zur Messung der Blickrichtung erfordert keine individuelle Kalibrierung und ist daher besonders nutzerfreundlich. In interaktiven Anwendungen kann damit auf den aktuellen Interessenschwerpunkt des Betrachters geschlossen werden. Interaktive Objekte können durch einfaches Anblicken ausgewählt werden.

Mit dem Stereo Hand Tracker wird durch Kaskadierung einfacher Chipkameras eine hohe Messgenauigkeit in einem großen Erfassungsbereich erreicht. In Mixed-Reality-Anwendungen können damit virtuelle Objekte, die dank stereoskopischer Verfahren scheinbar vor dem Display schweben, wie Realobjekte mit der bloßen Hand „berührt“ werden. Diese neue Technologie wird beispielsweise bei der Interaktion mit dem Telekom „3D Center“ und dem adidas „mi Innovation Center“ eingesetzt. Mit dem „iPoint Explorer“, einem gestenbasierten Reiseführer, können Touristen die Umgebung beliebter Reiseziele auf einem Großbildschirm erkunden. Diese Informationen werden mittels multimedialer Inhalte (Videos, Bilder, Geo-Daten, 3D-Stadtmodelle) vermittelt.

Die von der Abteilung IM entwickelten Tracking-Technologien können hinsichtlich aller relevanten Parameter wie Erfassungsbereich, Präzision, Geschwindigkeit, Einsatzbedingungen und Kosten maßgeschneidert werden.

Advanced Displays

Die Abteilung IM entwickelt 3D-Technologien, die das Betrachten von stereoskopischen Videobildern und 3D-Computergrafiken ohne spezielle Stereobrille ermöglichen. Die Displays zeichnen sich durch eine brillante und besonders augenverträgliche Stereowiedergabe aus. Beispielsweise ermöglicht das HHI-Verfahren eine perfekte Trennung der Stereokanäle bei extrem hoher Bildauflösung (2x 1600x1200 RGB-Bildpunkte auf einem 30-Zoll-Bildschirm). Das patentierte optische System löst zugleich den Akkommodationskonflikt bei der Interaktion mit virtuellen Objekten und bietet so eine perfekte, nahtlose Mischung von Virtualität und Realität in Mixed-Reality-Anwendungen.

Spezielle 3D-Flachbildschirme können als Arbeitsplatzdisplay oder 3D-Kiosk gestaltet und interaktive Inhalte in fotorealistischer 3D-Qualität dargestellt werden (1600x1200 RGB-Bildpunkte auf einem 21,3-Zoll-Bildschirm). In Verbindung mit dem Hand Tracker kann der Anwender virtuelle Auswahltasten betätigen, die vor dem Display schweben („touch-less touch screen“). Darüber hinaus wurde ein bewegliches Mixed-Reality-Display mit integriertem videobasierten Objekt-Tracking entwickelt.

eGovernment

Dieser Bereich der Abteilung IM umfasst die Beratung von Verwaltungen bei der Einführung mobiler Bürgerdienste, die Entwicklung maßgeschneiderter Endgeräte für mobile Bürgerdienste, die Generierung spezifischer IT-Sicherheitskonzepte und das Realisieren von Zeitmanagementsystemen wie bspw. dem Warteschlangenmanagement mit SMS-Benachrichtigung oder dem Zeitmanagementsystem für Behörden (ZMS-B).

Medien Management

Um die zunehmende mediale Datenflut zu bewältigen, entwickelt die Abteilung neuartige Bild- und Video-Retrieval-Systeme. Spezielle Such-, Filter- und Visualisierungsverfahren ermöglichen eine wesentlich einfachere Sichtung und Nutzung von großen Bild- und Video-Datenbanken, ohne dass dabei auf manuell erstellte Annotationen zurückgegriffen werden muss. Ein schneller Algorithmus erkennt Szenenübergänge wie z. B. harte Schnitte und verschiedene Arten von Überblendungen in Videofilmen. Auf diese Weise wird umfassendes Videomaterial automatisch in Szenen zerlegt. Im internationalen TRECVID-Wettbewerb wird die HHI-Lösung als Referenzmodell eingesetzt.

Gemeinsam mit einem Industriepartner hat die Abteilung eine Sicherheits-Management und Archivierungs-Software für ereignis-gesteuerte MPEG-4-Video-Over-IP-Anwendungen entwickelt. Dabei werden Ereignisse, die z. B. von Bar-Scannern, RFID-Geräten oder einer automatischen Erkennungssoftware für Kfz-Kennzeichen erzeugt werden, zur Indizierung eines MPEG-4-Datenstroms verwendet. Die Software ermöglicht eine schnelle Suche und Navigation in riesigen Datensätzen (z. B. in Videodaten, die von Tausenden von Videokameras über einen Zeitraum von 30 Tagen aufgezeichnet wurden).

Human Factors Test Center

Produkte der Informationstechnik lassen sich umso besser vermarkten, je mehr sie auf die Bedürfnisse und Fähigkeiten ihrer zukünftigen Nutzer zugeschnitten sind und je mehr die menschlichen Aspekte (human factors) berücksichtigt werden. Die Abteilung IM verfügt daher über ein Human Factors Test Center, welches in allen Phasen der Entwicklung von Diensten, Systemen und Endgeräten der Informations- und Kommunikationstechnik testet und berät, um gebrauchstaugliche Produkte und Dienstleistungen zu gewährleisten. Dabei kann auf langjährige Erfahrung im Bereich der Human Factors- und Usabilityforschung zurückgegriffen werden. Als Methoden werden sowohl Expertenevaluierungen als auch Tests mit repräsentativen Nutzern eingesetzt. Ergebnisse sind konkrete Empfehlungen zur Gewährleistung von Usability und Barrierefreiheit.

Auszeichnungen

• 2005 Aufnahme der entwickelten Display- und Interaktionstechniken in die Liste der „German Stars“ (50 bahnbrechende Innovationen „Made in Germany“)

• 2006 Joseph-von-Fraunhofer-Preis für Dr. Siegmund Pastoor, Dr. René de la Barré und David Przewozny für ihre Arbeiten zur interaktiven 3D-Visualisierung mit Gesteninteraktion

• 2007 Nominierung für den ICT Prize 2007 für das in der Abteilung IM entwickelte 3D Media Center

IP – Image Processing

Multimedia wird als eine der Schlüsselkomponenten in der Informationstechnologie (IT) angesehen. Die Vision „Multimedia-Dienste für jeden an jedem Ort und zu jeder Zeit“ ist die treibende Kraft hinter den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Abteilung IP-Image Processing. Unter der Leitung von Dr. Ralf Schäfer arbeiten ungefähr 45 Mitarbeiter und 30 Studenten in 5 Arbeitsgruppen:

• Bild-Kommunikation, Leitung: Dr. Thomas Wiegand
• Computer Vision und Graphik, Leitung: Dr. Peter Eisert,
• Immersive Medien und 3D-Video, Leitung: Peter Kauf,
• Eingebettete Hard- und Softwaresysteme, Leitung: Dr. Benno Stabernack,
• Architektur und Implementierungen, Leitung: Maati Talmi.

In Industriekooperationen werden die Ergebnisse verwertet und zu Produkten weiter entwickelt. Die Abteilung Image-Processing sieht ihre Kompetenzen auf folgenden Gebieten:

• Bild- und Videokodierung
• 3D Bild- und Videoverarbeitung
• Bild- und Videoanalyse, Computer Vision
• Bild- und Videosynthese
• Multimedia-Übertragung (IP, mobil, DVB)
• Hardware-Design und Implementierung von Multimedia-Systemen (Video, Audio, Graphik)
• Design von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) und Funktionseinheiten (Intellectual Property IP)
• Bild- und Videosignalverbesserung

Besondere Entwicklungen

Insbesondere genießt die Abteilung hohes internationales Ansehen als Kompetenzzentrum für Videoverarbeitung, -kodierung und -übertragung. Hier spielt man eine führende Rolle in der Forschung und Standardisierung zur Videokompression. Für die Entwicklung des neuen H.264/MPEG4-AVC-Standards und dessen skalierbare Erweiterung Scalable Video Coding (SVC) wurden Patente erteilt und Forschungspreise verliehen. Darüber hinaus war das Forscherteam an vielen weiteren Entwicklungen bzw. Standardisierungen maßgeblich beteiligt. Dazu zählen u. a.:

• HDTV (digital)
• MPEG-2-Videokodierung
• MPEG-4-Videokodierung
• MPEG-7-Bildbeschreibung
• H.264/MPEG4-AVC
• DVB-H
• SVC (skalierbare Videokodierung)

BM – Breitband Mobilfunknetze

Die Mobilkommunikation hat in vielen Teilen unseres Lebens Einzug gehalten, das Handy ist ein Alltagsgebrauchsgegenstand geworden, der zunehmend mehr Funktionen übernimmt. Innerhalb der letzten Jahre hat sich unabhängig von den flächendeckenden – und damit relativ teuren – Mobilkommunikationsnetzen wie GSM (2G) oder UMTS (3G) die WLAN (wireless local area network)-Technik für die drahtlose Vernetzung von Rechnern und den drahtlosen Internetzugang entwickelt.

Im Jahr 2002 hat die Anzahl der Mobilfunkteilnehmer erstmalig weltweit die der drahtgebundenen Anschlüsse übertroffen. Für den drahtlosen Internetzugang ist eine ähnliche Entwicklung für das Jahr 2005 prognostiziert. Der WLAN-Markt hat also ein enormes Wachstumspotential, insbesondere dann, wenn es zusätzlich gelingt, in sogenannten ''Hot Spot Areas'' wie z. B. Flughäfen, Bahnhöfen, Geländen von Firmen und Universitäten, etc. aber auch z. B. entlang stark befahrener Straßen einer Vielzahl von Teilnehmern höhere Datenraten zugänglich zu machen.

Die Abteilung Breitband-Mobilfunknetze erarbeitet Lösungen innerhalb der gesamten Spanne von der Theorie über Kanalmessungen, Entwurf von Detektionsalgorithmen, Systemsimulationen bis hin zur Algorithmenimplementierung im Demonstrator mit folgenden Schwerpunkten:

1. WLAN und Hot Spot Areas
   1. MIMO-Systeme
   2. GBit-Systeme (60 GHz und MIMO)
   3. Adaptive Modulation und Codierung
2. Systemdesignaspekte zukünftiger zellularer Systeme
   1. Mehrträgerverfahren (Multicarrier)
   2. Vielfachzugriffsverfahren
   3. Feedback-Kanäle
3. Echtzeitdemonstratoren und Testbetten
   1. MIMO- und Multiuser-Aspekte @ 5 GHz
   2. GBit/s Übertragungsverfahren @ 60 GHz

MIMO (multiple input multiple output) ist eine vielversprechende Technik für Systeme der nächsten Generation (4G) mit hohem Datendurchsatz, da aufgrund des räumlichen Multiplex die spektrale Effizienz drastisch erhöht wird. Hierbei verfügen Basis- und Mobilstation jeweils über mehrere Antennen und übertragen innerhalb desselben Frequenzbandes parallel unterschiedliche Datenströme. Vereinfacht dargestellt, erhöht sich die Systemkapazität linear mit der Anzahl der Sende- und Empfangsantennenpaare, wenn der Funkkanal entsprechende Freiheitsgrade aufweist. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften ist das genau der Fall in urbanen Gebieten und im Inneren von Gebäuden, also genau dort, wo diese Technik eingesetzt werden soll.

Außer durch Einsatz neuer Techniken wie z. B. MIMO lässt sich die Effizienz von Mobilkommunikationssystemen noch steigern durch eine schichtübergreifende Optimierung der Protokolle. Hier liegt ein großes Potential in der Steuerung der Übertragung (Sprache und Daten) in Abhängigkeit von der Kanalqualität. Hierbei wird die Übertragung über den gesamten Vielfachzugriffskanal optimiert und nicht nur über die Einzelverbindung.

Mit dem Nachweis im Testbett kann der tatsächliche Gewinn, den ein bestimmter Algorithmus bzw. ein bestimmtes Verfahren bringt, unter realistischen Bedingungen im zeitlich veränderlichen Kanal ermittelt werden. Die Ergebnisse ermöglichen uns, die Systeme weiter zu verbessern.

Geschichte des Heinrich-Hertz-Instituts

Das Heinrich-Hertz-Institut wurde 1928 als Heinrich-Hertz-Institut für Schwingungsforschung gegründet und beschäftigte sich seinerzeit mit der Telegrafie, der Fernsprechtechnik und der Hochfrequenztechnik. 1933 wurde der Name Heinrich Hertz von den Nationalsozialisten aus dem Institutsnamen entfernt, da der Namensgeber jüdischer Abkunft war.

Nach dem Zweiten Weltkrieg erfolgte die Neugründung des Heinrich-Hertz-Instituts für Schwingungsforschung e. V. Im Jahr 1968 konnte das Institut den Neubau am Berliner Einsteinufer beziehen. Die Forscher beschäftigten sich vorzugsweise mit der Akustik, der Breitbandtechnik, der Photonik und der elektronischen Bildgebung.

1975 erfolgte die Umbenennung des Instituts in Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin GmbH mit dem Land Berlin und dem Bund als Gesellschafter. Die Forschungsschwerpunkte lagen demgemäß bei der erdgebundenen Breitbandtechnik, der elektronischen Bildtechnik und bei der mobilen Breitbandkommunikation.

Im Jahr 2003 ging das Institut in die Fraunhofer-Gesellschaft über und erhielt den heutigen Namen Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut. Seit Jahrzehnten arbeitet das Institut eng mit der benachbarten TU Berlin zusammen, die Aufgaben in der Grundlagenforschung abdeckt, während sich das Heinrich-Hertz-Institut auf die angewandte Forschung konzentriert.

2004 wurde das Deutsch-Chinesische Gemeinschaftsinstitut für Mobilkommunikation gegründet (Sino-German Mobile Communications Institute), das einen Forschungsbereich am Heinrich-Hertz-Institut in Berlin und einen weiteren in Peking besitzt.

Im Jahr 2006 gelang die Entwicklung eines Datenübertragungssystems mit einer bis dahin nicht erreichten Geschwindigkeit von 2560 Gb/s, das heißt, die Übertragung einer Datenmenge, die dem Inhalt von 60 CD-ROMs entspricht, dauert eine Sekunde. Außerdem wurde in der Videokompression ein Durchbruch erzielt, der es ermöglicht, Spielfilme im hoch aufgelösten HDTV-Format mit 2 Millionen Pixeln je Bild auf DVDs zu speichern.

Direktoren

• Prof. Dr. Hans-Joachim Grallert und Prof. Dr. Dr. Holger Boche (seit 2004)
• Prof. Dr. Joachim Hesse (seit 2002, kommissarisch)
• Prof. Dr. Clemens Baack

Weblinks

• Institutsseite des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut
• Abteilungsseite Interaktive Medien – Human Factors (IM)
• Abteilungsseite Image Processing (IP)
• Abteilungsseite Breitband Mobilfunknetze (BM)