250.000 Euro winken dem Siegerteam des Deutschen Zukunftspreises, der bereits zum 16. Mal vom Bundespräsidenten ausgelobt wird. Mit ihm sollen Projekte gewürdigt werden, die ausgehend von Forschung zu anwendungs- und damit zu marktreifen Produkten führen. Der Preis gilt als wichtigste Wissenschaftsauszeichnung in Deutschland. Mit ihm soll das öffentliche Bewusstsein für die in Deutschland vorhandenen wissenschaftlichen und technischen Entwicklungspotenziale gestärkt und die Bedeutung enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Wirtschaft und Politik für die Zukunftsfähigkeit Deutschlands hervorgehoben werden.

In diesem Jahr sind vier Technologieprojekte aus Bayern, Berlin und Niedersachsen nominiert.

• Team 1: Binaurale Hörgeräte – räumliches Hören für alle. Prof. Dr. rer. nat. Dr. med. Birger Kollmeier (Sprecher), Prof. Dr.-Ing. Volker Hohmann und Dr.-Ing. Torsten Niederdränk, Carl von Ossietzky Universität, Odenburg und die Siemens AG München.
• Team 2: Radaraugen im All – Revolutionäre Technik für Erde und Umwelt. Prof. Dr.-Ing. habil. Alberto Moreira (Sprecher), Dr.-Ing. Gerhard Krieger und Prof. Dr.-Ing. Manfred Zink Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR, Oberpfaffenhofen.
• Team 3: Integrity Guard – Sicherheit für die vernetzte Welt. Dr.-Ing. Stefan Rüping (Sprecher), Dipl.-Ing. Marcus Janke und Dipl.-Ing. Andreas Wenzel, Infineon Technologies, Neubiberg.
• Team 4: Brillante Videos überall – effiziente Codierung mit internationalen Standards. Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiegand (Sprecher), Dr.-Ing. Detlev Marpe und Dr.-Ing. Heiko Schwarz, Fraunhofer Institut für Nachrichtentechnik – Heinrich Hertz Institut, TU Berlin

Binaurale Hörgeräte – räumliches Hören für alle

Das Team um Prof. Dr. rer. nat. Dr. med Birger Kollmeier widmete sich einem der fünf Sinne: Dem Hören. Dank dem Ohr ist der Mensch in der Lage, auch in akustisch schwierigen Situationen, zum Beispiel in einem belebten Raum mit vielen Gesprächen, Nachhall und Störquellen, einer einzelnen Unterhaltung zu folgen. Wichtig dabei ist das Zusammenspiel zwischen den beiden Ohren: Ähnlich wie beim räumlichen sehen mit zwei Augen ermöglicht erst das binaurale, zweiohrige Hören einen räumlichen Höreindruck und eine Trennung zwischen mehreren Hör-Objekten im Raum. Dadurch können Normal-Hörende den Störschall und Nachhall im Raum ausblenden – Gehörgeschädigten ist dies mit konventionellen Hörgeräten nicht möglich.

In der EU leiden rund 55,5 Millionen Erwachsene zwischen 18 und 80 Jahren an einer Hörminderung von mehr als 25 dB. Bis zu den 90er Jahren war die Hörgerätetechnik primär auf die Versorgung jedes einzelnen Ohrs, also monaural, ausgerichtet. Den zweiohrigen Effekt des natürlichen Hörens wird erst durch ein vollständig binaurales Hörsystem unterstützt, das einen Datenaustausch zwischen den Geräten an beiden Ohren voraussetzt.

Dem nun nominierten Forscherteam ist es erstmals in den 90er Jahren im Labor gelungen, ein binaurales Hörgerät zu entwickeln, dem im Jahr 2001 erstmalig deutliche Vorteil einer solchen binauralen Wechselwirkung nachgewiesen werden konnte. Entscheidend dafür sind Algorithmen, die den Schall vom linken und den rechten Ohr vergleichen und nur die Schallanteile an die Ohren des Betroffenen weiterleiten, die von Nachhall und Störschall gefiltert wurden. Im Rahmen vom BMBF geförderten Projekt 'HörTech' kamen die Forscher mit dem Industrie-Forscher Torsten Niederdänk zusammen, um im Team mit ihren Mitarbeiten die notwendige Systemtechnik für binaurale Hörgeräte voranzubringen.

Die Herausforderung war vor allem, die Draht-Verbindung zwischen dem rechten und dem linken Hörgerät durch eine Drahtlose Verbindung zu ersetzten, die der hohen Datenrate gewachsen ist. Hier half Torsten Niederdänk und die audiologische Technik von Siemens. Inzwischen konnten die Forscher die Leistungsfähigkeit der Labor-Prototypen binauraler Hörgeräte deutlich verbessern, indem die Verarbeitungs-Strategie im Hörgerät optimal an die jeweilige akustische Situation angepasst wird.

Radaraugen im All – Revolutionäre Technik für Erde und Umwelt

Radarsatelliten machen bereits heute unabhängig von Wetter und Tageslicht einmalige Bilder von unserer Erdoberfläche. Geodaten werden auch in der Wirtschaft zur Rate gezogen, zum Beispiel wenn es um die Erschließung von Bodenschätzen geht. Karten liefern auch Informationen für die Koordination von Hilfseinsätze bei Katastrophen oder helfen, das durch den Klimawandel induzierte Abschmelzen der Gletscher und den Anstieg des Meeresspiegels zu messen. Prof. Alberto Moreira, Dr. Gerhard Krieger und Dr. Manfred Zink haben ein System zur Fernerkundung aus dem All entwickelt: Radarsatelliten im Formationsflug machen dreidimensionale Abbildungen der Erde. Eine digitale Radarantenne soll die nächste Dimension - die Zeit - in das System einführen: So könnten in Zukunft dynamische Prozesse auf der Erdoberfläche global und in Echtzeit erfasst werden.

Das Team vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, kurz DLR, hat mit 'TanDEM-X' ein revolutionäres Fernerkundungssystem entwickelt, bei dem die Radarsensoren erstmals auf zwei Satelliten verteilt sind. Dadurch lassen sich präzise Informationen über die Topografie und vertikale Struktur der Erdoberfläche gewinnen. Mit 'TanDEM-X' lässt sich ein globales Höhenmodell erstellen, dass mindestens um den Faktor 30 genauer ist als die heute global verfügbaren dreidimensionalen Datensätze. Außerdem ist das Höhenmodell durchgängig homogen.

Eine Herausforderung für die Forsher stellte der Flug der zwei Satelliten in enger Formation: Da die Satellitenbahnen auf Grund der Keplerschen Gesetze nicht beliebig gewählt werden können, wurde ein spezielles Orbit-Konzept entwickelt und patentiert. Es soll den Abstand der Satelliten optimieren und zugleich einen sicheren Formationsflug ohne Kollisionsrisiko ermöglichen. Aufnahmegeometrie, Bahnebene und Orbitexzentrizität mussten so kombiniert werden, dass sich von der Erde aus gesehen ein optimaler Abstand von 150 bis 500 Meter – je nach Missionsphase - zwischen den Satelliten ergibt. Des Weiteren bestand der Trick darin, den gemeinsamen Betrieb von zwei kooperierenden Radarsatelliten – derzeit weltweit einmalig –, die millimetergenaue Vermessung des Abstandes, die Aufname und Verarbeitung eines Datenvolumens von 1,5 Petabyte ( das entspricht etwa dem Speicher von 200.000 DVDs) sowie die wechselseitige Kalibrierung und Synchronisation der Radarinstrumente zu gewährleisten.

Eine Beschränkung hat 'TanDEM-X': Um die gesamte Landoberfläche der Erde abzubilden, benötigt das Radarsysteme in ganzes Jahr. Änderungen auf der Erde lassen sich so nur unzureichend verfolgen. Die schon erwähnte digitale Radarantenne ist der Schlüssel zu Lösung: Die Radarantenne wird in kleine Aperturen unterteilt, die jeweils mit einer eigenen, digitalen Empfangskette verbunden sind. Mit einem leistungsfähigen Signalproszessor können gleichzeitig mehrere Antennenkeulen geformt und somit ein viel größeres Gebiet aufgenommen werden. Diese Technik nutzt zusätzlich einen Reflektor, an dem die Radarpulse gespiegelt werden und der die wirksame Antennenfläche deutlich vergrößert – die Abbildungsleistung kann so gegenüber 'TanDEM-X' um zwei Größenordnungen gesteigert und die Erde zweimal pro Woche hochauflösend abgebildet werden.

Integrity Guard – Sicherheit für die vernetzte Welt

Chipkarten sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sei es die Gesundheitskarte, Kreditkarten oder Schlüsselkarten für Firmen – Menschen tragen sensible Daten tagtäglich mit sich herum. Um diese Daten zu schützen, ist ein Team um Dr.-Ing. Stefan Rüping (Sprecher), Dipl.-Ing. Marcus Janke und Dipl.-Ing Andreas Wenzel von Infineon Integrity Guard aktiv geworden. Sie haben eine Sicherheitstechnologie speziell für Produkte entwickelt, die oft über viele Jahre hinweg höchste Datensicherheit erfordern und besonders robust gegen Manipulationen geschützt werden müssen, wie zum Beispiel Ausweisdokumente. Darüber hinaus sichert der Integrity Guard IT-Sicherheitsanwendungen, wie das Bezahlen mit Smartphones oder Embedded Systeme in Industrieanwendungen.

Ein Sicherheitschip speichert sicherheitskritische Daten, zum Beispiel Schlüssel, und sichert das System in ganz unterschiedlichen Einsatzfeldern ab. Solche Sicherheitschips werden bereits seit vielen Jahren angegriffen und daher ständig weiterentwickelt. So spähen Angreifer mit feinsten Sonden die im Inneren des Chips ablaufenden Prozesse aus oder stören gezielt Rechenoperationen, um so illegalen Zugriff auf die im Chip gespeicherten Daten zu erhalten. Um Angriffe abzuwehren, haben die Chiphersteller im Laufe der Zeit immer mehr Sicherheitsfunktionen in den Chip integriert. Der Ansatz von Infineon basiert auf digitaler Sicherheit. Inspiriert wurden die Forscher von der Doppelhelix einer menschlichen Zelle: Jede biologische Zelle ist vergleichbar mit einem 'sicheren Computer', der Erbinformationen sicher speichern und verarbeiten muss. Mit dem 'Integrity Guard' werden erstmals auch im Prozessorkern sensible Daten über den gesamten Datenpfad nur noch verschlüsselt verarbeitet. Sollte es einem Angreifer dennoch gelingen, die im Prozessorkern verarbeiteten Daten auszulesen, erhält er nur verschlüsselte Informationen, mit denen er nichts anfangen kann.

Der Sicherheitschip hat zwei CPUs, die sich mit Hilfe einer Fehlererkennung kontinuierlich gegenseitig überwachen. Wird eine Rechenoperation nicht ordnungsgemäß ausgeführt, werden entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet. Die Sicherheitstechnologie wurde von der akkreditierten, international anerkannten Prüf- und Zertifizierungsstelle TÜViT geprüft, die erstmals bestätigte, dass in dem Sicherheitschip 'SLE 78' implementiert wurde.

Brillante Videos überall – effiziente Codierung mit internationalen Standards

Aus unserem Leben ist es nicht mehr wegzudenken: Das bewegte Bild. Egal ob Fernsehen, Handys oder Internet, überall sehen wir Videos und Filme und werden dadurch beeinflusst. Im Internet sind mehr als 50 Prozent des Datenaufkommens Videosignale. Ohne eine effiziente Übertragung von digitalen Videosignalen wäre das nicht möglich. Alle Anwendungen des digitalen Videos benötigen eine effiziente Übertragung, welche jedoch nur eine durch eine Codierung der Rohdaten durchführbar ist. So beträgt die Rohdatenrate eines hochauflösenden Fernsehsignals (HDTV) etwa 600 Megabit/s, während für die Übertragung üblicherweise Bitraten von 5 bis 10 Megabit/s zur Verfügung stehen. Ziel der Videocodierung mit Hilfe von Algorithmen ist es, die bestmögliche Bildqualität bei einer gegebenen Bitrate zu erreichen. Da die Implementierung der Verfahren auf spezieller Hardware erfolgt, müssen auch die zur Umsetzung erforderlichen Komplexitätsanforderungen erfüllt werden.

Das derzeit am stärksten verbreitete Format für die Videocodierung ist H.264/AVC. Sie wurde sowohl von der Internationalen Telekommunikationsunion (ITU) als auch der Internationalen Standardisierungsorganisation (ISO) als weltweiter Standard verabschiedet. Der Standard ist für alle gängigen Auflösungen, Qualitäten und Bitraten geeignet. Die Anwendungsgebiete schließen sowohl den Mobilfunk, HDTV, Videokonferenzen, 3D-TV, Blu-ray-Disc als auch Dienste wie Video-on-Demand, IPTV oder videobasierte Sicherheits- und Medizintechnik ein.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiegand (Sprecher), Dr.-Ing. Detlev Marpe und Dr.-Ing. Heiko Schwarz, Fraunhofer Institut für Nachrichtentechnik – Heinrich Hertz Institut, TU Berlin, haben entscheidend zum Fortschritt auf dem Gebiet der Videocodierung beigetragen. Im Zentrum der Codierung stehen Methoden, mit Hilfe decodierter Bilder eine Vorhersage des aktuell zu codierenden Bildes vorzunehmen. Zum Beispiel können Bildinhalte, die sich nicht verändern, einfach kopiert werden. Tritt eine Bewegung von Bild-zu-Bild auf, wird die Bewegung kompensiert und nur der nicht vorhersagbare Teil muss noch übertragen werden. Die Forscher haben untersucht, wie sich der Wirkungsgrad dieser bewegungskompensierten Vorhersage steigen lässt.

Darüber hinaus konnte das Team bei allen drei Erweiterungen des H.264/AVC-Standards das grundlegende Modell aufstellen und das Basismodell für eine leistungsfähigere Codierung von HD-Videosignalen für die erste Erweiterung von H.264/AVC einbringen. Ebenfalls vom Team beeinflusst wurde das Gebiet der skalierbaren Videocodierung, das die effiziente Übertragung von mehreren Auflösungen oder Qualitäten eines Signals in einem Bitstrom beschreibt. Schließlich wurde der Vorschlag zur Erweiterung von H.264/AVC zur effizienten Codierung von 3D-Videosignalen als Basismodell angenommen. Ein stereoskopisches Video ermöglicht die Darstellung räumlicher Tiefeneindrücke auf Flachbildschirmen mit Hilfe von 3D-Brillen.