Auflösung von Frontscheinwerfern Wie viele Pixel braucht die Projektion von Symbolen?

Scheinwerfer für adaptives Fahrlicht und Projektionen auf die Straße brauchen Auflösung. Die DLP-Technik liefert bis zu 1,3 Millionen Pixel. AR-Anwendungen und die Projektion von Warnhinweisen brauchen eine solch hohe Qualität – das Sichtfeld und die Entfernung helfen bei der genauen Berechnung.

Mehr Pixel sind besser – diese Regel gilt eigentlich immer, ob es nun um Kameras, Fernsehgeräte oder Autoscheinwerfer geht. Eine höhere Auflösung verbessert die Lesbarkeit kleiner Texte und sorgt dafür, dass auf Fernsehbildschirmen auch Details zu erkennen sind. Neue Applikationen für Kfz-Scheinwerfer wie das adaptive Fahrlicht (Adaptive Driving Beam, ADB) kamen auf, als mindestens zwölf Pixel pro Scheinwerfer technisch realisierbar waren. Mit der DLP-Technik (Digital Light Prozessing) und deren mikroskopisch kleinen, elektronisch steuerbaren Spiegeln ist es Automobilherstellern mittlerweile möglich, Fahrzeuge mit 1,3 Millionen Pixeln pro Scheinwerfer zu konstruieren.

Die richtige Technik für Scheinwerfer

Effektive ADB-Lösungen, Symbolprojektion und Applikationen zur Fahrspurmarkierung brauchen definitiv viele Pixel. Es gibt allerdings derzeit nicht viele Techniken, mit denen sich alle drei Anwendungen implementieren lassen. Eine davon ist die genannte DLP-Technologie, eine patentgeschützte Entwicklung der Firma Texas Instruments (TI). Auf deren Basis wurde ein digitaler Mikrospiegel-Baustein (Digital Micromirror Device, DMD) mit einer Diagonale von 0,55 Zoll für neue, fortschrittliche Scheinwerfer-Applikationen entwickelt.

Die aktive Fläche des momentan aktuellsten DMDs ist dreimal größer als das erste für den Automobilmarkt konzipierte DMD. Die größere Fläche wiederum unterstützt einen dreimal größeren Lichtstrom (bei gleicher Leuchtdichte des Leuchtmittels) und verdreifacht auch die erreichbare maximale Beleuchtungsstärke beim Einsatz konventioneller LED-Leuchtmittel. Der große Betriebstemperaturbereich schließt den Betrieb bei einer Chiptemperatur von 105 °C ein, und die Kombination aus hoher Betriebstemperatur und größerer aktiver Fläche hilft letztendlich bei der Realisierung von Scheinwerfern mit großem Sichtfeld (Field Of View, FOV).

AR-Anwendungen profitieren

Erfordern die genannten Anwendungen wirklich mehr als eine Million Pixel? Oberflächlich betrachtet, könnte diese enorme Auflösung von 1,3 Millionen als Overkill für Scheinwerfer erscheinen. Dass die Sache in der Praxis anders aussieht, wird im Folgenden anhand der Beschreibung einer exemplarischen Anwendung, der Projektion von Symbolen auf die Fahrbahn in AR-Manier (Augmented Reality), dargelegt. Der Scheinwerfer wird dabei zum Projektor, der einen Film auf die Straße projizieren könnte. Doch statt Kino auf dem Asphalt bietet die Technik anderen Nutzen: Der Projektor kann während der Fahrt Verkehrszeichen, Navigationspfeile und Warnhinweise auf die Straße werfen. Auf einem projizierten Zebrastreifen können Fußgänger die Straße überqueren; zwei Balken können in Baustellenabschnitten oder engen Straßen die genaue Fahrzeugbreite anzeigen; zur Begrüßung kann der Name des Fahrers aufleuchten oder auch die Temperatur, die aktuelle Verkehrslage oder die nächsten Termine. Mit der Projektion von Symbolen auf die Straße hätten die Automobilhersteller die Möglichkeit, ein visuelles Kommunikationssystem zu realisieren, um die Autofahrer auf bevorstehende Abbiegemanöver aufmerksam zu machen und besser mit Fußgängern oder Radfahrern zu kommunizieren.

Sollen Bilder auf eine vertikale Fläche wie etwa eine Wand oder ein Garagentor projiziert werden, reicht eine Auflösung von nur 0,1 oder 0,05 Grad pro Pixel aus, um eine ansprechende Grafik zu erzeugen. Wie aber ist es, wenn die Bilder nicht auf eine vertikale Wand, sondern auf die horizontale Straßenoberfläche projiziert werden und beispielsweise den Eindruck machen sollen, sie seien auf die Fahrbahn gemalt (Bild 1)?

Berechnung aus Auflösung und Entfernung

Damit ein projiziertes Bild so erscheint, als wäre es auf die Straße aufgemalt, müssen verschiedene Voraussetzungen erfüllt sein. Zum einen sollte die Länge des Symbols auf der Straße ein vernünftiges Maß von beispielsweise 2 oder 3 Meter nicht überschreiten, da sonst der AR-Effekt verlorengeht. Eine geringere Länge des Symbols auf der Fahrbahn bedeutet bezüglich des Winkels eine geringere Symbolhöhe, wodurch sich die Zahl der DMD-Chipzeilen im Scheinwerfer, aus denen das Bild zusammengesetzt werden kann, ebenfalls reduziert.

Wenn das maximale FOV des DMDs 7° oder mehr beträgt, kann der für das Symbol genutzte Teil des Schein­werferbausteins – bezogen auf das ge­samte FOV – recht gering sein. Dies ist in Bild 2 illustriert: ein 2 m großes Symbol wird in der relativ kurzen Distanz von 10 m auf die Fahrbahn projiziert. Dies entspricht einem Winkel von lediglich 0,6°. Wie man diesen Winkel berechnet, ist ebenfalls in Bild 1 wiedergegeben. Wenn das gesamte vertikale FOV 7° beträgt und die Höhe des Symbols, wie gerade beschrieben, 0,6° ausmacht, muss das Symbol aus nur
8 bis 10 % der verfügbaren Chipzeilen gebildet werden. Dieser Prozentsatz wird zudem deutlich geringer, sobald die Entfernung des Symbols vom Auto zunimmt oder das volle FOV größer wird. Soll das Bild beispielsweise 20 m vor dem Auto auf der Fahrbahn erscheinen, entspricht eine Bildhöhe von 2 m nur noch 0,16°, das sind gerade einmal 2 % der verfügbaren vertikalen Pixelzeilen des DMDs.

Bild 2 und das gerade angeführte Beispiel ergeben respektable Ergebnisse mit 0,013°/Pixel, während ein Wert von 0,05°/Pixel nicht befriedigen kann. Wenn ein Pixel einem Winkel von 0,05° entspricht, erfordert das 20.000-Pixel-System ein größeres Symbol, das auf der Straße eine Länge von mehreren Metern hat und damit der AR-Definition nicht gerecht wird. Selbst bei einer Distanz von nur 10 m hat also eine Auflösung von über einer Million Pixeln durchaus ihren Sinn, sodass die Aussage berechtigt ist, dass 1,3 Millionen Pixel keineswegs zu viel sind.

Einfluss der MTF auf die Projektion

Welchen Vorteil hat es, wenn die Rendering- und DMD-Auflösung größer ist als die Linienpaar-Auflösungsfähigkeit der Projektionsoptik? Die Linienpaar-Auflösungsfähigkeit wird üblicherweise durch die Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF) der Projektionsoptik ausgedrückt. In Systemen, in denen die MTF-Auflösung der Optik geringer ist als das Pixelzahl-Limit des Bildgebers, entscheidet die Optik darüber, welche Details noch dargestellt werden können. Die Auflösung der Objektpositionseinstellung und die Größe der Breiten- und Höhenstufen oberhalb der Mindest-Displaygröße werden dagegen nach wie vor von der Auflösung des Bildgebers bestimmt (siehe Bild 3).

Eine größere Auflösung ermöglicht eine genauere Kontrolle über Bewegungen und Stufengröße. Die DMD-Auflösung wirkt sich somit darauf aus, wie gleichmäßig sich grafische Objekte, wie etwa auch ausgeblendete Bereiche um entgegenkommende Fahrzeuge, bewegen und in der Größe verändern lassen. Geringere DMD- und Rendering-Auflösungen haben weniger natürliche Bewegungen zur Folge, denn die großen Stufen lassen die Bewegungen ruckeln. Dieses Ruckeln erfolgt darüber hinaus unabhängig von dem optischen Verschwimmen, das durch die begrenzte MTF der Projektionsoptik entsteht.

DMD auf die Straße

In einem Scheinwerfersystem, in dem das 0,55-Zoll-DMD im 1152 x 576-Modus, also mit der Hälfte der nativen Auflösung, betrieben wird und in dem das volle vertikale Sichtfeld 7,5° beträgt, ergibt sich eine vertikale Auflösung von 0,013° pro Pixel. Für ein vertikales FOV von deutlich über 7,5° steht die native Auflösung 1152 x 1152 des DMD zur Verfügung, um die ef­fektive vertikale Zeilenauflösung zu verdoppeln und die hohe Projektionsqualität zu wahren. Wenn das DMD also für das gesamte Sichtfeld des traditionellen Fernlichts und die Symbolfläche genutzt wird, bringt das 0,55-Zoll-DMD mit seinen 1,3 Millionen Pixeln die nötige Auflösung zur sauberen und klaren Darstellung von AR-Symbolen und deren Sichtbarkeit auf der Fahrbahn mit.

 

Der Autor

Brandon Seiser ist Produktmarketing-Ingenieur bei Texas Instruments und arbeitet
in der DLP-Automotive-Gruppe. Seiser hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik der University of Illinois, und schloss im Rahmen des DLP-Rotationsprogramms einen Master of Science in Elektrotechnik an der University of Texas in Dallas ab.

 

Der Co-Autor

Trevor Dowd arbeitet als Produktmarketing-Ingenieur in der DLP-Automotive-Gruppe von Texas Instruments. Er verfügt über jahrelange Erfahrung im Bereich DLP-Technologie für 3D-Druck und hochauflösende Scheinwerfer. Er hält einen Bachelor in Elektrotechnik der Purdue Universität West Lafayette.