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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Sicht in
Fahrzeugen sowie ein mit der Vorrichtung ausgestattetes Fahrzeug
nach dem Oberbegriff der Ansprüche
1 und 12.
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Sichtverbesserungssysteme
werden in nächster
Zeit zunehmend in der Ausstattung von Serienfahrzeugen zur Anwendung
kommen. Ein verbreiteter Ansatz zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen
besteht beispielsweise darin, eine Verkehrsszene in einem anderen
als dem sichtbaren Bereich des optischen Wellenlängenspektrums aufzunehmen und
dem Fahrer mittels einer Bildanzeigeeinheit sichtbar zu machen.
Hierzu wird üblicherweise
Strahlung im nahen oder auch im fernen Infrarot verwendet; derzeit
sind passive Systeme in Erprobung, die primär die von einem Körper ausgesendete
Wärmestrahlung
im fernen Infrarot (Wellenlängenbereich
8 μm–14 μm) detektieren.
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Im
nahen Infrarot (ca. 780 nm–1000
nm) finden typischerweise Bildaufnahmeeinheiten mit Silizium-Bildsensoren
Verwendung. In diesem Fall wird bei vielen Systemen die zu erfassende
Szene aktiv mit Infrarotstrahlung aus dem oben genannten Wellenlängenbereich
ausgeleuchtet. Die von derartigen Systemen generierten Bilder haben
den Vorteil, dass sie natürlicher
erscheinen als beispielsweise Wärmebilder;
darüber
hinaus sind die verwendeten Silizium-Bildsensoren kostengünstig am
Markt verfügbar. Ferner
bieten derartige Systeme den Vorteil, dass sie im Fahrgastraum angeordnet
werden können,
wohingegen Wärmebildkameras
im Außenraum
angebracht werden müssen,
da Glas für
Wärmestrahlung intransparent
ist.
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Silizium-Bildsensoren
haben jedoch die Eigenschaft, dass sie elektromagnetische Strahlung sowohl
im Bereich des sichtbaren Lichtes (ca. 380 nm bis 780 nm) Wellenlänge als
auch im nahen Infrarotbereich bis ca. 1000 nm Wellenlänge nachweisen können. Dies
führt in
der Praxis dazu, dass bei Verwendung eines hochempfindlichen Silizium-Bildsensors
Blendungseffekte bis hin zum "Blooming" bei CCD-Kameras
auftreten. Dabei bedeutet Blooming den Übergang von Elektronen von
einem Bereich des Chips eines Bildssensors zum anderen insbesondere in
stark beleuchteten Bereichen des Sensors, was dazu führt, dass
kleine, stark leuchtende Objekte größer dargestellt werden, als
sie in der Realität
sind.
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Andererseits
ist eine hohe Empfindlichkeit insbesondere für Nachtsichtanwendungen wünschenswert,
da auf diese Weise die Intensität
der Strahlung, die zur Beleuchtung der Szene verwendet wird, gering
gehalten werden kann und somit die Augensicherheit eines derartigen
Systems verbessert werden kann. Dies führt jedoch dazu, dass helle, selbstleuchtende
Objekte wie beispielsweise Bremsleuchten oder Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge
zur Übersteuerung
des Bildsensors führen
können.
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Für die Lösung der
geschilderten Problematik existieren derzeit zwei Ansätze:
Einerseits
besteht eine Möglichkeit
darin, eine Bildaufnahmeeinheit mit hohem Dynamikbereich und logarithmischer
Kennlinie zu verwenden. Ein anderer Ansatz besteht darin, vor der
Bildaufnahmeeinheit einen schmalbandigen Bandpassfilter und eine
darauf spektral abgestimmte Strahlungsquelle zu verwenden. Dabei
dämpft
der Bandpassfilter beispielsweise 90% der von Scheinwerfern und
Bremsleuchten ausgehenden Strahlung und ermöglicht so den Einsatz eines
sehr empfindlichen Bildsensors.
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Es
ist beiden vorgestellten Lösungen
gemeinsam, dass sie lediglich ein Grauwertbild liefern sowie weitere
Nachteile zeigen:
So wird bei hochdynamischen Kameras ein Teil
der zur Verfügung
stehenden Empfängerfläche für zusätzliche
Schaltkreise benötigt.
Daher besitzen diese Kameras entweder eine geringe Empfindlichkeit
oder benötigen
zusätzliche
Hilfsmittel wie beispielsweise Mikrolinsenarrays. Die Problematik
der Verwendung eines Bandpassfilters besteht darin, dass der Filter beispielsweise
die von LED's ausgehende
sichtbare Strahlung vollständig
eliminiert. Somit werden beispielsweise LED-Bremsleuchten nicht
registriert, was einen erheblichen Verlust an Sicherheit darstellt. Eine
Möglichkeit
zur Vermeidung der geschilderten Probleme besteht darin, wie in
der US-Patentanmeldung
US
2004/0008410 A1 vorgeschlagen, unterschiedliche Kameras
zur Erfassung unterschiedlicher Spektralbereiche zu verwenden. Die
genannte Schrift lässt
jedoch offen, in welcher Weise eine derartige Anordnung konkret
realisiert werden könnte.
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In
dem
US-Patent US 6
320 176 B1 wird ein optischer Regensensor beschrieben,
welcher hinter der Windschutzscheibe angeordnet ist und der zur Steuerung
der Scheinwerfer verwendet wird. Über eine Optik wird das einfallende
Licht aus dem Vorfeld des Fahrzeuges erfasst und über eine
Filterstruktur auf eine einzelne lichtempfindliche Ebene gelenkt,
in welcher das einfallende und gefilterte Licht in elektrische Signale
gewandelt wird. Diese werden ausgewertet und abhängig davon das Fahrlicht des
Fahrzeuges gesteuert.
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Das
US-Patent US 5 001 558 A beschreit eine
Vorrichtung zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen, welche mit
einer Anzeigeeinheit ausgestattet ist und mittels zweier Bildaufnahmeeinheiten
Bilddaten erfasst. Dabei ist die erste Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme
von Bildern im infraroten und die zweite zur Aufnahme von Bildern
im sichtbaren Spektralbereich geeignet. Ein optisches Element ist
im Strahlungsweg vor den Bildaufnahmeeinheiten in der Weise angeordnet,
dass nach Passieren des optischen Elements das sichtbare Licht überwiegend
die zweite und die infrarote Strahlung überwiegend die erste Bildaufnahme
erreicht.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verbesserung
der Sicht in Fahrzeugen bereitzustellen, die eine verbesserte Darstellung
aufgenommener Verkehrsszenen ermöglicht. Ferner
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug bereitzustellen,
das mit einer verbesserten Vorrichtung zur Verbesserung der Sicht
ausgestattet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen
sowie durch ein Fahrzeug mit den in Anspruch 12 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
Die Unteransprüche
beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen zeigt eine Anzeigeeinheit
und mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten, von denen die erste zur
Aufnahme von Bildern im infraroten und die zweite zur Aufnahme von
Bildern im sichtbaren Spektralbereich geeignet ist. Dabei ist im
Strahlungsweg vor den Bildaufnahmeeinheiten mindestens ein optisches
Element in der Weise angeordnet, dass nach Passieren des optischen
Elementes das sichtbare Licht überwiegend
die zweite und die infrarote Strahlung überwiegend die erste Bildaufnahmeeinheit
erreicht.
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Mit
anderen Worten nimmt das optische Element eine räumliche Trennung der einfallenden Strahlung
in einen infraroten und einen sichtbaren Anteil vor. Dadurch wird
es möglich,
dass die genannten unterschiedlichen spektralen Anteile der einfallenden
Strahlung von unterschiedlichen Bildaufnahmeeinheiten detektiert
werden, die auf die spektrale Charakteristik der ihnen zugeführten Strahlung hin
optimiert sind. Der besondere Vorteil der spektralen Trennung des
sichtbaren und des infraroten Anteils der einfallenden Strahlung
besteht darin, dass zur Detektion und Darstellung Strahlung aus
demselben einfallenden Strahlungsbündel verwendet werden kann.
Damit ist ein Versatz des im infraroten Wellenlängenbereich aufgenommenen Bildes
gegenüber dem
im sichtbaren Wellenlängenbereich
aufgenommenen Bild ausgeschlossen, was zu einer erheblichen Vereinfachung
der nachgeschalteten Signalverarbeitung führt. Im Unterschied zu den
konventionellen Lösungen
mit vorgeschalteten Filtern werden also die für die jeweilige Bildaufnahmeeinheiten
nicht vorgesehenen Spektralbereiche nicht weggedämpft, sondern lediglich räumlich umgeleitet
und zur Darstellung weiterverwertet.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, dass es sich bei dem optischen Element
um ein dichroitisches Element handelt. Ein derartiges Element ist
beispielsweise ein dichroitischer Spiegel, der nur einen Teil des
Spektrums einfallender Strahlung reflektiert und der für einen
anderen Teil des Spektrums transparent ist. Ein derartiger dichroitischer
Spiegel lässt
sich beispielsweise durch einen Interferenzfilter realisieren. Die
Verwendung eines Interferenzfilters ermöglicht die einfache, kostengünstige und
kompakte Realisation des optischen Elementes.
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Alternativ
kann es sich bei dem optischen Element auch um ein dispersives optisches
Element handeln. Hier kommen beispielsweise Reflexions- bzw. Transmissionsgitter
oder auch Prismen in Frage. Die Verwendung dieser Komponenten zeigt ähnliche
Vorteile wie die Verwendung von dichroitischen Elementen.
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Es
hat sich bewährt,
die erste Bildaufnahmeeinheit so zu wählen, dass ihre spektrale Empfindlichkeit
vorwiegend im Wellenlängenbereich
von 780 nm–1000
nm liegt. Der genannte Wellenlängenbereich
stellt insbesondere deswegen eine vorteilhafte Wahl dar, weil Siliziumdetektoren
für Bildaufnahmeeinheiten
für diesen
Wellenlängenbereich
eine etablierte Technologie darstellen und in großer Auswahl und
zu akzeptablen Preisen am Markt verfügbar sind. Für den genannten
Bereich kann es von Vorteil sein, die aufzunehmende Szene aktiv
mit Infrarot-Strahlung aus dem betreffenden Spektralbereich auszuleuchten
und so die Qualität
des aufzunehmenden Bildes zu erhöhen.
Selbstverständlich
ist auch ein rein passiver Betrieb des Sichtverbesserungssystems
ohne aktive Beleuchtung denkbar.
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Ein
passiver Betrieb des genannten Systems kann insbesondere dadurch
realisiert werden, dass die spektrale Empfindlichkeit der ersten
Bildaufnahmeeinheit vorwiegend im Wellenlängenbereich von 8 μm–14 μm liegt.
In dem beschriebenen Wellenlängenbereich
liegt in erster Linie Wärmestrahlung,
die zwangsläufig
von warmen Körpern
wie beispielsweise Fahrzeugen oder Fußgängern abgegeben wird. Der besondere
Vorteil dieser Wahl des Wellenlängenbereiches
liegt darin, dass eine aktive Ausleuchtung der aufzunehmenden Szene
nicht notwendig ist. Hieraus ergeben sich zwei vorteilhafte Konsequenzen:
Zum einen ist die zusätzliche
Installation eines Beleuchtungselementes für den beschriebenen Wellenlängenbereich
nicht notwendig und zum anderen wird eine wechselseitige Blendung
verwandter Systeme durch die jeweilige Beleuchtung wirksam vermieden.
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Eine
hochempfindliche Infrarotkamera stellt eine besonders vorteilhafte
Wahl für
die erste Bildaufnahmeeinheit dar. Aus der Tatsache, dass die Infrarotkamera
lediglich von dem infraroten Anteil der einfallenden Strahlung erreicht
wird, folgt, dass die in der Beschreibungseinleitung beschriebenen
störenden
Effekte durch die Detektion sichtbaren Lichtes wirksam unterdrückt werden.
Die Empfindlichkeit der Infrarotkamera kann somit beispielsweise
durch die Wahl einer geeigneten Blendeneinstellung oder auch einer
geeigneten Belichtungszeit ohne jede Einschränkung durch störendes Licht
aus dem sichtbaren Spektralbereich gewählt werden.
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Erfindungsgemäß handelt
es sich bei der zweiten Bildaufnahmeeinheit um eine CCD- oder CMOS-Kamera,
welche insbesondere moderat empfindlich und/oder hochdynamisch ausgestaltet
ist. So kann die zweite Bildaufnahmeeinheit beispielsweise durch
eine handelsübliche
Videokamera realisiert werden. Der Einsatz der beiden jeweils auf
die entsprechenden Spektralbereiche hin optimierten Bildaufnahmeeinheiten
gewährleistet,
dass der Vorrichtung zur Sichtverbesserung Bilddaten aus den relevanten
Spektralbereichen zur Verfügung
gestellt werden. Somit kann effizient ausgeschlossen werden, dass
beispielsweise die aufleuchtenden Bremsleuchten eines vorausfahrenden
Fahrzeuges auf Grund von Unzulänglichkeiten
der Bildaufnahmeeinheiten übersehen
werden. Kritische Verkehrssituationen können auf diese Weise wirksam
vermieden werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, dass sie eine LED-Strahlungsquelle,
eine Infrarot-Laserstrahlungsquelle, eine Gasentladungslampe oder eine
Glühlampe
als Strahlungsquellen aufweist. Dabei sind die spektrale Charakteristik
des optischen Elements und das Emissionsspektrum der Strahlungsquellen
auf einander abgestimmt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass z.
B. das Maximum der Empfindlichkeitskurve der Bildaufnahmeeinheit
im selben Spektralbereich wie die Emissionslinie beispielsweise
einer Infrarot-Laserstrahlungsquelle liegt. Diese Maßnahme gewährleistet,
dass der Anteil der Strahlung, der in Spektralbereichen liegt, in
denen die Bildaufnahmeeinheiten keine oder nur eine geringe Empfindlichkeit
zeigen, minimiert werden kann. Auf diese Weise kann eine Verbesserung
der aktiven und passiven Störsicherheit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gewährleistet
werden.
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Zu
einer sinnvollen Kombination der beiden durch die Bildaufnahmeeinheiten
aufgenommenen Bilder ist es notwendig, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der von den Bildaufnahmeeinheiten
gelieferten Bilddaten aufweist. Das Zusammenführen der von den beiden Bildaufnahmeeinheiten
gelieferten Bilddaten in der Auswerteinheit ermöglicht es, dem Benutzer mittels
der Anzeigeeinheit ein Bild darzustellen, das die notwendigen Informationen
sowohl aus dem sichtbaren als auch aus dem infraroten Spektralbereich
enthält.
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Dabei
ist es vorteilhaft, dass die Auswerteeinheit geeignet ist, die Intensitäten der
aufgenommenen Bilddaten zu addieren und die so verarbeiteten Bilddaten
der Bildwiedergabeeinheit zuzuführen. Durch
diese Maßnahme
wird sichergestellt, dass dem Benutzer stets eine möglichst
vollständige
Information zu der aufgenommenen Szene angeboten wird. Allerdings
ist bei dieser Vorgehensweise damit zu rechnen, dass Bereiche der
aufgenommenen Szene, aus denen Strahlung hoher Intensität sowohl im
sichtbaren als auch im Infrarotbereich stammt, in der Anzeigeeinheit
durch die Addition unangemessen hell dargestellt werden, was zu
Irritationen des Benutzers/Betrachters führen könnte. Dieser Effekt lässt sich
insbesondere dadurch umgehen, dass die Auswerteeinheit geeignet
ist, die Werte maximaler Intensität auszuwählen und der Anzeigeeinheit
zur Darstellung zuzuführen.
Beispielsweise kann für
jeden aufgenommenen bzw. darzustellenden Pixel der von den Bildaufnahmeeinheiten
gelieferte Wert mit der höheren
Intensität
ausgewählt
und anschließend mit
dieser Intensität
dargestellt werden. Das oben geschilderte Übersteuern kann somit wirksam
vermieden werden.
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Die
obigen Ausführungen
betreffen vor allem die Darstellung von Schwarzweiß- bzw.
Grauwertbildern, deren Informationsgehalt maximal ist. Eine Erweiterung
der Vorrichtung besteht darin, dass die Auswerteeinheit geeignet
ist, der Bildwiedergabeeinheit zusätzlich eine Farbinformation
zuzuführen
und damit eine farbige Darstellung des erhaltenen Bildes zu ermöglichen.
Der besondere Vorteil dieser Maßnahme
liegt darin, dass durch die Darstellung der Farbinformationen das
angebotene Bild eine noch bessere Beurteilung der Situation durch
den Benutzer erlaubt. So ist es insbesondere von Vorteil, bei aufleuchtenden
Lichtern schnell unterscheiden zu können, ob es sich beispielsweise
um die Bremsleuchten eines vorausfahrenden oder das kurzzeitig aufgeblendete
Fahrlicht eines entgegenkommenden Fahrzeuges handelt. Es liegt auf
der Hand, dass von einer sicheren Unterscheidung der beiden beschriebenen
Situationen die Sicherheit des Benutzers der Vorrichtung bzw. eines
Fahrzeugführers
in erheblichem Maße
abhängt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
dass im Strahlungsweg vor dem optischen Element eine Abbildungsoptik
angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist im
Strahlungsweg nach dem optischen Element eine Abbildungsoptik angeordnet.
Der hieraus resultierende Vorteil besteht im Wesentlichen darin,
dass für
jede Bildaufnahmeeinheit eine angepasste Optik verwendet werden
kann. Dabei können
die Abbildungsoptiken jeweils hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften
wie beispielsweise Dämpfung
auf den eingeschränkten
Spektralbereich hin, in dem sie betrieben werden, optimiert werden.
Darüber
hinaus ergibt sich der weitere Vorteil, dass der störende Effekt
der chromatischen Aberration dadurch minimiert wird, dass die Abbildungsoptiken
jeweils nur von Strahlung in einem eingeschränkten Wellenlängenbereich
passiert werden.
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Die
beschriebene Vorrichtung kann beispielsweise auf einfache Weise
als Nachrüstsatz
für Fahrzeuge
ausgeführt
sein. Selbstverständlich
ist es vorteilhaft, Fahrzeuge bereits im Rahmen der werksseitigen
Erstausstattung mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen System
auszurüsten.
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Nachfolgend
wird eine mögliche
Realisationsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der 1 exemplarisch
erläutert.
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1 zeigt
ein einfallendes Strahlungsbündel 1,
das beispielsweise rückgestreute
Infrarotstrahlung, rückgestreutes
bzw. von Retroreflektoren rückreflektiertes
Scheinwerferlicht sowie Strahlung von Signalleuchten wie beispielsweise
Bremsleuchten, Einsatzleuchten o. ä. enthält. Das Strahlungsbündel 1 fällt auf
das optische Element 2, das beispielsweise als ein um 45° zur Einfallsrichtung
des Strahlungsbündels 1 gekippter
Interferenzfilter realisiert sein kann. Der Infrarotanteil 3 der
einfallenden Strahlung wird an dem optischen Element 2 in
Richtung der ersten Bildaufnahmeeinheit 5 abgelenkt. Er
zeigt die mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnete spektrale
Intensitätsverteilung,
also beispielsweise ein schmales Maximum im nahen infraroten Spektralbereich.
Bei der Bildaufnahmeeinheit 5 handelt es sich um diejenige
Bildaufnahmeeinheit, die zur Aufnahme von Bildern im infraroten
Spektralbereich geeignet ist. Auf Grund der Reflexionscharakteristik
des optischen Elements 2 erreicht somit lediglich die rückgestreute Infrarotstrahlung
die in diesem Spektralbereich hochempfindliche Bildaufnahmeeinheit 5.
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Der
restliche Anteil 7 des Strahlungsbündels 1 zeigt die
unter Bezugszeichen 8 dargestellten spektralen Eigenschaften.
Er enthält
also im Wesentlichen die sichtbaren Anteile des Strahlungsbündels 1,
insbesondere rückgestreutes
bzw. von Retroreflektoren rückreflektiertes
Scheinwerferlicht sowie Strahlung von Signalleuchten wie beispielsweise
Bremsleuchten oder Einsatzleuchten. Dieser Anteil 7 wird
von der zweiten Bildaufnahmeeinheit 9 aufgenommen. Bei der
Bildaufnahmeeinheit 9 kann es sich beispielsweise um eine
handelsübliche
CCD- oder CMOS-Kamera handeln.
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Die
vorstehend dargestellte Vorrichtung ermöglicht eine verbesserte Erfassung
und Darstellung von Verkehrsszenen bei schlechten Sichtverhältnissen
und leistet somit einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der
aktiven Sicherheit im Straßenverkehr.