Dieser Lidar-Sensor erfasst 20 Billionen Photonen pro Sekunde - und sieht die Welt in Farbe

„Native Color-Lidar schafft das Potenzial für schnellere und effizientere Wahrnehmungssysteme, die ihre Umgebung besser verstehen und gleichzeitig Größe, Komplexität und potenziell die Kosten autonomer Sensorpakete reduzieren“, sagt John Molloy, Experte für autonome Sensorik und KI-Sicherheit an der University of York.

Molloys Worte, gefallen gegenüber Live Science, markieren einen Wendepunkt. Bislang mussten Roboter und selbstfahrende Autos die Welt mit getrennten Augen sehen: Ein Lidar-Sensor tastete die Umgebung mit Laserpulsen ab und lieferte ein präzises dreidimensionales Punktegitter, während eine separate Kamera die Farbinformationen beisteuerte. Beide Datenströme mussten aufwendig kalibriert und fusioniert werden - ein zeitraubender, rechenintensiver und fehleranfälliger Prozess. Das kalifornische Unternehmen Ouster hat diese Trennung nun aufgehoben. Mit der Sensorfamilie „Rev8“ bringt es den weltweit ersten massenproduzierten nativen Color-Lidar-Sensor auf den Markt, der räumliche Tiefe und Farbe gleichzeitig und perfekt synchron erfasst.

Ein Chip, der Laser und Tageslicht versteht

Das Herzstück der neuen Sensoren ist der „L4 Ouster Silicon“-Chip. Herkömmliche Lidar-Systeme senden Laserpulse aus und messen die Zeit, die das reflektierte Licht für den Rückweg benötigt. Daraus berechnen sie die Entfernung zu Objekten und deren Reflektivität. Farbe blieb ihnen verwehrt, weil sie nur das eigene, schmalbandige Laserlicht auswerteten. Der neue Chip hingegen detektiert sowohl das zurückgeworfene Laserlicht für die Tiefenmessung als auch das umgebende Umgebungslicht - also das ganz normale Tages- oder Kunstlicht, das von Oberflächen reflektiert wird. So entsteht in Echtzeit eine 3D-Punktwolke, bei der jeder einzelne Punkt von Anfang an mit der korrekten Farbinformation versehen ist.

Möglich wird dies durch sogenannte Single-Photon-Avalanche-Dioden. Diese hochempfindlichen Detektoren können jedes eintreffende Photon in eine lawinenartig verstärkte elektrische Ladung verwandeln. Laut Ouster verarbeitet die Rev8-Familie bis zu 20 Billionen Photonen pro Sekunde - mit einer zeitlichen Auflösung im Pikosekundenbereich. Zum Vergleich: Ein typischer kommerzieller Lidar-Sensor kommt auf wenige Millionen Photonen pro Sekunde. Diese gewaltige Lichtausbeute verleiht den Sensoren eine megapixelähnliche Auflösung, vergleichbar mit einer Smartphone-Kamera, kombiniert mit einer 48-Bit-Farbtiefe, die eine außergewöhnlich präzise Farbwiedergabe ermöglicht.

Warum perfekte Synchronität Leben retten kann

Der entscheidende Vorteil des nativen Farblidars liegt in der inhärenten Synchronisation. Wenn ein Sensor Tiefe und Farbe im selben optischen Pfad und auf demselben Chip erfasst, entfällt der nachträgliche Kalibrierungsschritt zwischen Lidar und Kamera vollständig. Das spart nicht nur wertvollen Bauraum und senkt die Herstellungskosten, weil keine separate Kamera mehr nötig ist. Es eliminiert auch eine potenzielle Fehlerquelle, die in sicherheitskritischen Anwendungen fatale Folgen haben kann. Ein autonomes Fahrzeug, das ein rotes Bremslicht oder ein Verkehrsschild erkennen muss, erhält die Farbinformation nun exakt an der räumlichen Position, an der das Objekt steht - ohne zeitlichen Versatz, ohne Parallaxenfehler, ohne Rechenverzögerung.

Das Spitzenmodell der Reihe, der OS1 Max, erreicht eine Reichweite von bis zu 500 Metern bei einem Sichtfeld von 45 Grad. Sein Dynamikumfang von 116 Dezibel beschreibt die Fähigkeit, selbst in extremen Lichtsituationen - von gleißendem Sonnenlicht bis zu nächtlicher Dunkelheit - noch feinste Helligkeitsunterschiede aufzulösen. Zur Einordnung: Eine hochwertige DSLR-Kamera wie die Nikon D850 kommt auf etwa 69 Dezibel. Diese Robustheit gegenüber grellem Gegenlicht oder tiefen Schatten ist für den Einsatz im Straßenverkehr unerlässlich.

Vom autonomen Auto zum humanoiden Roboter

Die Nachfrage nach leistungsfähigen Lidar-Sensoren wächst rasant. Waymo hat Robotaxis in mehreren US-Großstädten im Einsatz und plant den Start in London. Humanoide Roboter sollen zunehmend Aufgaben in Bildung, Medizin und Altenpflege übernehmen, während sich die Zahl installierter Industrieroboter seit 2004 mehr als verdoppelt hat. All diese Systeme benötigen ein präzises und reichhaltiges Abbild ihrer Umgebung, um sicher navigieren und manipulieren zu können. Ouster-Sensoren werden bereits in autonomen Systemen von Google und Volvo verwendet.

Die farbigen 3D-Daten, die Rev8 liefert, sind zudem ein Rohstoff für sogenannte Weltmodelle - neuronale Netze, die aus realen Datenpunkten lernen, wie sich die Welt verhält. Solche Modelle gelten als Schlüssel, um verkörperte KI-Systeme wie selbstfahrende Autos oder Roboter so zu trainieren, dass sie nicht nur reagieren, sondern antizipieren können. Ouster selbst spricht davon, dass ein einzelner Sensor nun in der Lage sei, „Verkehrsschilder zu verstehen, Bremslichter zu interpretieren oder einfach den Reichtum des Planeten Erde in vermessungsgenauen, kolorierten Karten einzufangen“.

Konkurrenz schläft nicht

Ouster ist nicht allein auf diesem Feld. Im April stellte das chinesische Unternehmen Hesai einen Lidar-Sensor vor, der ebenfalls Farb- und Tiefendaten direkt auf dem Chip verarbeitet. Anders als Rev8 befindet sich dieses Modell jedoch noch nicht in der Massenproduktion. In Forschungslabors geht die Entwicklung sogar noch weiter: Wissenschaftler der University of Rochester und der University of California präsentierten im vergangenen Sommer einen münzgroßen Laser, der 20 Trillionen Lichtpulse pro Sekunde aussenden und Objekte bei Geschwindigkeiten von bis zu 143 Kilometern pro Stunde präzise erfassen kann. Solche Fortschritte zeigen, dass die Sensorfusion auf Chipebene erst der Anfang einer Entwicklung ist, die die Grenzen zwischen Kamera und Tiefensensor endgültig verschwimmen lässt.

Die Rev8-Sensoren von Ouster sind ab sofort verfügbar. Mit ihnen wird eine Technologie massentauglich, die das maschinelle Sehen grundlegend verändert: Statt die Welt in getrennten Datenströmen zu erfassen und mühsam zusammenzusetzen, sehen Roboter und Fahrzeuge jetzt mit einem einzigen, farbigen 3D-Blick - schneller, präziser und sicherer als je zuvor.

Quellen:

• Three scientists pushing chemistry in new directions (Nature - News)
• The Appalachian Mountains hold enough lithium to make 500 billion cellphones, researchers discover (Live Science)
• Cusp-singularity-enhanced Coriolis effect for sensitive chip-scale gyroscopes (Nature - News)
• A field guide to quantum computer qubits (Scientific American)
• The Secret Intelligence Hidden in Human Movement (Psychology Today - Articles)
• World’s first ’native‘ color lidar will let robots and self-driving cars map the world in full color 3D (Live Science)

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