This work is a contribution to sensor science and engineering. A mathematical method is introduced to examine sensor structures and examples of application of this method are given. One of them is the analysis of the retinal receptive field structure. The main focus is chapter 4 that presents 4 novel or significantly improved sensor principles, which are based on improved structures. They are - Gas sensors based on the electric field induced migration of chemisorbed gas ions on a sensitive thin film (patent DE 10041263). - Gas sensors based on the effect that the Seebeck voltage between thermocouples with at least one chemical sensitive material depends on the gas environment of that material. - Gas detectors based on photo induced ionisation (PID) where the motion of space charges is controlled by an electric field (patent DE18928903, DE 19838759). - Multidimensional motion sensors that are based on self-mixing of scattered Laser light with the light wave in the cavity of the generating laser diode (patents WO0237124, EP1261877, CN1408064T, US2003016365, EP1261877, WO0237410, US2003160155, WO03032138, WO0237411A1, CN1416554T, EP1334464, US2003006367, WO03102717, US6707027, US2002104957, WO2004021158) In chapter 5 a categorization scheme for sensor structures is presented. The scheme is used to discuss different structural improvements of sensors, in particular those presented in chapter 4. / Vorwort und Zusammenfassung Im Hauptteil der vorliegenden Arbeit (Kapitel 4) werden vier verschiedene neu entwickelte oder wesentlich verbesserte Sensorprinzipien vorgestellt. Die Stärke dieser Sensorprinzipien ist deren Struktur, die zu einer verbesserten Nachweisgrenze oder Stabilität führt. Die Struktur eines Sensors (Kapitel 2) Um die Wirkung der Sensorstruktur algemeingültig zu diskutieren wird im zweiten Kapitel ein Modell entwickelt, das Eigenschaften von Sensoren auf deren Struktur zurückführt. Dabei werden alle Sensoreigenschaften allgemein von einer einfachen Gleichung generiert und daraus Schlussfolgerungen für die Eigenschaften der Sensorstruktur gezogen. Es zeigt sich, wie sich der Effekt struktureller Maßnahmen in der Nachweisgrenze niederschlägt, und sich mit der verbesserten Nachweisgrenze die Messunsicherheit (als Funktion aller Eingangsgrößen) parallel verschiebt. Strukturanalyse eines Sensors am Beispiel der Retina (Kapitel 3) Im dritten Kapitel wird das Modell beispielhaft auf das Auge höherer Säugetiere angewandt. In der Einleitung werden die bekannten biologischen Fakten für Ingenieure und Physiker verständlich eingeführt. Darauf folgt eine mathematischen Strukturanalyse der Retina (und Leiterstrukturen allgemein), die als Sensorsystem betrachtet wird. Es zeigt sich, wie die Schwächen der Komponenten (Nervenzellen) der Retina durch deren Struktur kompensiert werden. Sensoren mit verbesserter Struktur (Kapitel 4) 1. Gasmessung mit Hilfe gasempfindlicher Thermopaare Bekannt ist der Gebrauch von Thermopaaren zur Messung von Temperaturunterschieden. In dieser Arbeit wird eine bisher unbekannt gewesene Methode vorgestellt, mit der bei einem konstanten Temperaturunterschied eine Gaskonzentration gemessen wird. Dabei spielt die Abhängigkeit der differentiellen Thermospannung von der Ladungsträgerdichte in sensitiven Materialien eine Rolle. 2. Elektromigration von chemisorbierten Ionen auf einem halbleitenden Film Sensoren basierend auf Widerstandsänderungen von gasempfindlichen Filmen sind seit längerem im Gebrauch. Neu ist, deren aufgrund von Migration veränderliches Widerstandsprofil in Ort und Zeit zu messen und damit Sensoren zu bauen, die unempfindlicher gegen Alterung sind. 3. Modulation von Ionenbewegungen mit Hilfe eines zusätzlichen Gitters im Photoionisationdetektor Zwar sind sowohl Photoionisationsdetektoren (PID's) als auch das Modulationsprinzip an sich bekannt, jedoch ist bis dahin noch kein modulierter PID vorgestellt worden. Entscheidend an der hier eingeführten Innovation ist die Methode, den Photoionisationsstrom zu modulieren, jedoch dem Leckstrom und den äußeren Photostrom an der Kathode unmoduliert zu lassen. Das führt zu einer 20-fachen Verbesserung der Nachweisgrenze. 4. Laserdiodeneigenmischung zur mehrdimensionalen Bewegungsmessung Die Rückwirkung von in die Quelle zurückgestreutem Laserlicht war bisher als Störeffekt bekannt. Um diesen Effekt in einem Bewegungssensor nutzen zu können, mussten Probleme wie Richtungserkennung und Miniaturisierung gelöst werden. Kapitel 5 befasst sich mit Strukturverbesserungen der im vorherigen Kapitel genannten und weiteren Sensoren. Dazu wird eine Strukturschreibweise vorgestellt. Kapitel 6 enthält eine Zusammenfassung und einen Ausblick.

This work is a contribution to sensor science and engineering. A mathematical method is introduced to examine sensor structures and examples of application of this method are given. One of them is the analysis of the retinal receptive field structure. The main focus is chapter 4 that presents 4 novel or significantly improved sensor principles, which are based on improved structures. They are - Gas sensors based on the electric field induced migration of chemisorbed gas ions on a sensitive thin film (patent DE 10041263). - Gas sensors based on the effect that the Seebeck voltage between thermocouples with at least one chemical sensitive material depends on the gas environment of that material. - Gas detectors based on photo induced ionisation (PID) where the motion of space charges is controlled by an electric field (patent DE18928903, DE 19838759). - Multidimensional motion sensors that are based on self-mixing of scattered Laser light with the light wave in the cavity of the generating laser diode (patents WO0237124, EP1261877, CN1408064T, US2003016365, EP1261877, WO0237410, US2003160155, WO03032138, WO0237411A1, CN1416554T, EP1334464, US2003006367, WO03102717, US6707027, US2002104957, WO2004021158) In chapter 5 a categorization scheme for sensor structures is presented. The scheme is used to discuss different structural improvements of sensors, in particular those presented in chapter 4. / Vorwort und Zusammenfassung Im Hauptteil der vorliegenden Arbeit (Kapitel 4) werden vier verschiedene neu entwickelte oder wesentlich verbesserte Sensorprinzipien vorgestellt. Die Stärke dieser Sensorprinzipien ist deren Struktur, die zu einer verbesserten Nachweisgrenze oder Stabilität führt. Die Struktur eines Sensors (Kapitel 2) Um die Wirkung der Sensorstruktur algemeingültig zu diskutieren wird im zweiten Kapitel ein Modell entwickelt, das Eigenschaften von Sensoren auf deren Struktur zurückführt. Dabei werden alle Sensoreigenschaften allgemein von einer einfachen Gleichung generiert und daraus Schlussfolgerungen für die Eigenschaften der Sensorstruktur gezogen. Es zeigt sich, wie sich der Effekt struktureller Maßnahmen in der Nachweisgrenze niederschlägt, und sich mit der verbesserten Nachweisgrenze die Messunsicherheit (als Funktion aller Eingangsgrößen) parallel verschiebt. Strukturanalyse eines Sensors am Beispiel der Retina (Kapitel 3) Im dritten Kapitel wird das Modell beispielhaft auf das Auge höherer Säugetiere angewandt. In der Einleitung werden die bekannten biologischen Fakten für Ingenieure und Physiker verständlich eingeführt. Darauf folgt eine mathematischen Strukturanalyse der Retina (und Leiterstrukturen allgemein), die als Sensorsystem betrachtet wird. Es zeigt sich, wie die Schwächen der Komponenten (Nervenzellen) der Retina durch deren Struktur kompensiert werden. Sensoren mit verbesserter Struktur (Kapitel 4) 1. Gasmessung mit Hilfe gasempfindlicher Thermopaare Bekannt ist der Gebrauch von Thermopaaren zur Messung von Temperaturunterschieden. In dieser Arbeit wird eine bisher unbekannt gewesene Methode vorgestellt, mit der bei einem konstanten Temperaturunterschied eine Gaskonzentration gemessen wird. Dabei spielt die Abhängigkeit der differentiellen Thermospannung von der Ladungsträgerdichte in sensitiven Materialien eine Rolle. 2. Elektromigration von chemisorbierten Ionen auf einem halbleitenden Film Sensoren basierend auf Widerstandsänderungen von gasempfindlichen Filmen sind seit längerem im Gebrauch. Neu ist, deren aufgrund von Migration veränderliches Widerstandsprofil in Ort und Zeit zu messen und damit Sensoren zu bauen, die unempfindlicher gegen Alterung sind. 3. Modulation von Ionenbewegungen mit Hilfe eines zusätzlichen Gitters im Photoionisationdetektor Zwar sind sowohl Photoionisationsdetektoren (PID's) als auch das Modulationsprinzip an sich bekannt, jedoch ist bis dahin noch kein modulierter PID vorgestellt worden. Entscheidend an der hier eingeführten Innovation ist die Methode, den Photoionisationsstrom zu modulieren, jedoch dem Leckstrom und den äußeren Photostrom an der Kathode unmoduliert zu lassen. Das führt zu einer 20-fachen Verbesserung der Nachweisgrenze. 4. Laserdiodeneigenmischung zur mehrdimensionalen Bewegungsmessung Die Rückwirkung von in die Quelle zurückgestreutem Laserlicht war bisher als Störeffekt bekannt. Um diesen Effekt in einem Bewegungssensor nutzen zu können, mussten Probleme wie Richtungserkennung und Miniaturisierung gelöst werden. Kapitel 5 befasst sich mit Strukturverbesserungen der im vorherigen Kapitel genannten und weiteren Sensoren. Dazu wird eine Strukturschreibweise vorgestellt. Kapitel 6 enthält eine Zusammenfassung und einen Ausblick.

Die Stixel-Welt ist eine neuartige und vielseitig einsetzbare Zwischenrepräsentation zur effizienten Beschreibung dreidimensionaler Szenen. Heutige stereobasierte Sehsysteme ermöglichen die Bestimmung einer Tiefenmessung für nahezu jeden Bildpunkt in Echtzeit. Das erlaubt zum einen die Anwendung neuer leistungsfähiger Algorithmen, doch gleichzeitig steigt die zu verarbeitende Datenmenge und der dadurch notwendig werdende Aufwand massiv an. Gerade im Hinblick auf die limitierte Rechenleistung jener Systeme, wie sie in der videobasierten Fahrerassistenz zum Einsatz kommen, ist dies eine große Herausforderung. Um dieses Problem zu lösen, bietet die Stixel-Welt eine generische Abstraktion der Rohdaten des Sensors. Jeder Stixel repräsentiert individuell einen Teil eines Objektes im Raum und segmentiert so die Umgebung in Freiraum und Objekte. Die Arbeit stellt die notwendigen Verfahren vor, um die Stixel-Welt mittels dynamischer Programmierung in einem einzigen globalen Optimierungsschritt in Echtzeit zu extrahieren. Dieser Prozess wird durch eine Vielzahl unterschiedlicher Annahmen über unsere von Menschenhand geschaffene Umgebung gestützt. Darauf aufbauend wird ein Kalmanfilter-basiertes Verfahren zur präzisen Bewegungsschätzung anderer Objekte vorgestellt. Die Arbeit stellt umfangreiche Bewertungen der zu erwartenden Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Verfahren an. Dafür kommen sowohl vergleichende Ansätze als auch diverse Referenzsensoren, wie beispielsweise LIDAR, RADAR oder hochpräzise Inertialmesssysteme, zur Anwendung. Die Stixel-Welt ist eine extrem kompakte Abstraktion der dreidimensionalen Umgebung und bietet gleichzeitig einfachsten Zugriff auf alle essentiellen Informationen der Szene. Infolge dieser Arbeit war es möglich, die Effizienz vieler auf der Stixel-Welt aufbauender Algorithmen deutlich zu verbessern. / The Stixel World is a novel and versatile medium-level representation to efficiently bridge the gap between pixel-based processing and high-level vision. Modern stereo matching schemes allow to obtain a depth measurement for almost every pixel of an image in real-time, thus allowing the application of new and powerful algorithms. However, it also results in a large amount of measurement data that has to be processed and evaluated. With respect to vision-based driver assistance, these algorithms are executed on highly integrated low-power processing units that leave no room for algorithms with an intense calculation effort. At the same time, the growing number of independently executed vision tasks asks for new concepts to manage the resulting system complexity. These challenges are tackled by introducing a pre-processing step to extract all required information in advance. Each Stixel approximates a part of an object along with its distance and height. The Stixel World is computed in a single unified optimization scheme. Strong use is made of physically motivated a priori knowledge about our man-made three-dimensional environment. Relying on dynamic programming guarantees to extract the globally optimal segmentation for the entire scenario. Kalman filtering techniques are used to precisely estimate the motion state of all tracked objects. Particular emphasis is put on a thorough performance evaluation. Different comparative strategies are followed which include LIDAR, RADAR, and IMU reference sensors, manually created ground truth data, and real-world tests. Altogether, the Stixel World is ideally suited to serve as the basic building block for today''s increasingly complex vision systems. It is an extremely compact abstraction of the actual world giving access to the most essential information about the current scenario. Thanks to this thesis, the efficiency of subsequently executed vision algorithms and applications has improved significantly.