Videoüberwachung und Anwendungsfelder im Smart Home

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1 Titel

Name des Autors / der Autoren:	Michael Herrmann, Markus Wagner, Christian Lorscheider
Titel der Arbeit:	"Videoüberwachung und Anwendungsfelder im Smart Home "
Hochschule und Studienort:	FOM Essen

2 Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis 1 Titel 2 Inhaltsverzeichnis 3 Einleitung 4 Grundlagen der Videoüberwachung 4.1 Grundlagen und Voraussetzungen 4.2 Technische Grundlagen 4.2.1 Historie 4.2.2 Netzwerkverkabelung 4.2.3 Kameras 4.2.4 Speicherlösung 4.2.5 Absicherung vor unbefugtem Zugriff 4.2.5.1 Unbefugter Zugriff von außerhalb des Smart Home 4.2.5.2 Unbefugter Zugriff von innerhalb des Smart Home 4.3 Rechtliche Grundlagen 4.3.1 Videoüberwachung von privaten Räumen 4.3.2 Videoüberwachung von öffentlichen Räumen 4.3.3 Datenschutz 5 Anwendungsgebiete 5.1 Objektsicherung 5.1.1 Abschreckung 5.1.2 Beweissicherung 5.1.3 Entscheidungsfindung im Alarmfall 5.2 Personenidentifikation und Steuerung 5.2.1 Biometrische Systeme 5.2.1.1 Die Gesichtsfelderkennung 5.2.1.2 Der Irisscan 5.2.1.3 Die Fingerprinterkennung 5.2.2 Anlernen und Funktion des Systems 5.2.2.1 Der Schwellenwert 5.2.3 Steuerung verschiedenster Anwendungen 5.2.4 Fehleranfälligkeit und Probleme 5.2.4.1 Leistungsfähigkeit 5.2.4.2 Manipulation 5.3 Videotelefonie und Kommunikation 5.3.1 Historie 5.3.2 Videotelefonie über ISDN (H.320) 5.3.3 Grundlagen der Videotelefonie in IP-Netzen 5.3.4 Videotelefonie nach H.323 5.3.4.1 H.323-Terminal 5.3.4.2 MCU (Multipoint Control Unit) 5.3.4.3 Gatekeeper (optional in H.323) 5.3.4.4 Gateway 5.3.4.5 Sicherheit 5.3.5 Videotelefonie nach SIP (Session Initation Protocol) 5.3.5.1 User Agent 5.3.5.2 Registrar Server 5.3.5.3 Proxy Server 5.3.5.4 Redirect Server 5.3.5.5 Location Server 5.3.5.6 Gateways 5.3.5.7 MCU (Multipoint Control Unit) 5.3.6 Videokomprimierung nach H.264 5.3.7 Einsatz im Smart Home 5.3.8 Lösungen fürs Smart Home 5.3.8.1 Softwarelösung Ninja Lite 5.3.8.2 Desktoplösung Polycom HDX 4000 5.4 Überwachung pflegebedürftiger Personen 5.4.1 Erkennung bedrohlicher Situationen 5.4.2 Kopplung mit medizinischen Systemen 6 Bewertung 6.1 Objektsicherung 6.2 Personenidentifikation und Steuerung 6.3 Videotelefonie und Kommunikation 6.4 Überwachung pflegebedürftiger Personen 7 Ausblick in die Zukunft 8 Fazit 9 Fussnoten 10 Literatur- und Quellenverzeichnis 11 Abbildungsverzeichnis

3 Einleitung

Gerade in der heutigen Zeit, in der Mobilität, perfektes Informationsmanagement und Kosteneinsparungen miteinander vereint werden müssen, rücken die voll vernetzten und intelligenten Häuser - so genannte "Smart Homes" - immer mehr in den Vordergrund. Zurzeit beschäftigen sich mehrere Forschergruppen u.a. in Paderborn und Duisburg mit dem Leben in entsprechenden Modellhäusern, um neueste Erkenntnisse im Umgang zwischen Mensch und voll vernetztem Haus zu erlangen. Aufgrund der Erfahrungen aus solchen Modellhäusern weiß man bereits, dass es vielfältige Aufgabenbereiche im täglichen Leben gibt, die in Zukunft mit modernen Technologien unterstützt bzw. durch sie ersetzt werden können. Eines von den zahlreichen Anwendungsgebieten des Smart Home ist die vollautomatische und integrierte Videoüberwachung, die z.B. zur Objektsicherung und zur Überwachung von bestimmten Vorgängen und Prozessen eingesetzt werden kann. Genau mit diesem Thema, also der Videoüberwachung und den entsprechenden Anwendungsfeldern im Smart Home, beschäftigt sich diese Fallstudie. Neben den verschiedenen Vor- und Nachteilen der unterschiedlichen Anwendungsfelder im Smart Home, werden auch die technischen Anforderungen erläutert und eine Kosten-Nutzen-Analyse der verschiedenen Teilgebiete erstellt.

4 Grundlagen der Videoüberwachung

4.1 Grundlagen und Voraussetzungen

Um eine Videoüberwachung für die verschiedenen Anwendungsfelder im Smart Home zu ermöglichen, gibt es einige Voraussetzungen, die zunächst überprüft und gegebenenfalls geschaffen werden müssen. Neben einer entsprechenden Verkabelung, die notwendig ist, um Kameras zu installieren und anfallendes Videomaterial zu übertragen, muss es eine zentrale Speichermöglichkeit geben, die auf Basis verschiedener Benutzerrechte den richtigen Bewohnern des Smart Home die entsprechenden Daten zur Verfügung stellt. Außerdem muss vor Einführung der Videoüberwachung sichergestellt werden, dass aus rechtlicher Sicht keine Gründe gegen eine Videoüberwachung sprechen bzw. möglicherweise vorhandene gesetzliche Auflagen entsprechend umgesetzt werden.

4.2 Technische Grundlagen

4.2.1 Historie

In Deutschland wurde die Videoüberwachung erstmals 1958^[1] eingesetzt. Eine flächendeckende Einführung öffentlicher Videoüberwachung wurde jedoch erst 1974 in London mit 125 Kameras eingeführt, welche noch heute die Stadt mit den meisten öffentlich eingesetzten Video-Überwachungskameras ist. Die Videoüberwachung erfolgte damals mit analoger Übertragungstechnik, bei welcher zu Anfang noch pro Kamera ein Monitor eingesetzt werden musste. Erst mit Erfindung der Kreuzschiene war ein Umschalten zwischen den Kameras auf einem Monitor möglich. Die Bildarchivierung erfolgte auf einem Videorekorder. Da eine normale VHS-Kassette jedoch maximal 4 Stunden Videomaterial aufnehmen konnte, wurden nur Einzelbilder aufgenommen oder das Bild in vier Teile gesplittet. Die analoge Speichertechnik erforderte jedoch trotzdem zu viel Speicherplatz und zeugte von zunehmend schlechter Bildqualität mit steigendem Alter der Aufnahmen. Daher wurde diese von der digitalen Aufzeichnungstechnik abgelöst, die in der Lage war, das Bildmaterial zu digitalisieren und zu komprimieren. Nachdem Sony 1981 die erste digitale Videokamera entwickelte, dauerte es weitere 18 Jahre, bis 1999 die ersten Netzwerkkameras Einzug in die Videoüberwachung fanden. Diese bieten den Vorteil, in bestehende Computernetze integrierbar zu sein und durch ihre Nutzung von Standards in der Datenübertragung und dem Bildformat wie TCP/IP und JPEG auf nahezu jedem PC ansprechbar zu sein. Somit entfallen Kosten für eine parallel Infrastruktur.

4.2.2 Netzwerkverkabelung

Zur Realisierung einer Videoüberwachung im Smart Home ist eine entsprechende Kabelinfrastruktur nötig, um die installierten Kameras an das bestehende System zu koppeln. Da die anfallenden Videodaten zentral auf einem NAS (Netword Attached Storage) gespeichert werden sollen und die Kameras direkt die Daten über LAN oder WLAN übertragen, ist es ratsam, an allen Stellen, wo Kameras installiert werden, einen Netzwerkanschluss über Ethernet zu ermöglichen. Zwar ist es prinzipiell auch möglich, die Daten per WLAN zu übertragen, dies ist aber aufgrund der geringeren Übertragungsgeschwindigkeit und dem Risiko eines schlechten Empfangs nur für schwer zugängliche Stellen zu empfehlen. Aufgrund des relativ großen Datenvolumens, das durch die Videoüberwachung im Smart Home anfällt, sollten sämtliche Kabel und Netzwerkgeräte (Router, Switch etc.) den Gigabit-Standard unterstützen. So kann von vornherein sichergestellt werden, dass das Hausnetzwerk auch dann, wenn andere Anwendungen neben der Videoüberwachung genutzt werden, performant bleibt und es zu keinen unangenehmen Verlangsamungen in der alltäglichen Arbeit kommt.

4.2.3 Kameras

Bei der Auswahl der Videokameras, die im Smart Home verbaut werden, muss auf verschiedene Aspekte geachtet werden und je nach geplantem Einsatzgebiet des Videomaterials, die geeignete Kamera ausgewählt werden. So sollte zunächst festgelegt werden, ob lediglich mit Hilfe der Kameras eine Überwachung der Räume stattfinden soll, oder aber, ob bestimmte hochauflösende Bilder gebraucht werden, um z.B. kleinere Details auf dem Bild erkennen zu können. Ein weiterer Aspekt bei der Auswahl der richtigen Kamera ist die Entscheidung, ob Bilder am Tag und in der Nacht aufgezeichnet werden sollen. Sollen auch Bilder in der Dunkelheit aufgezeichnet werden, ist auf eine entsprechende Ausstattung durch z.B. Infrarot oder Wärmebildtechnologie zu achten. Nur durch solche speziellen Ausstattungsmerkmale kann ein verwertbares Bildmaterial in den Abend- und Nachtstunden sichergestellt werden. Ein anderer Gesichtspunkt bei der Auswahl der richtigen Videokamera ist das Format und Auflösung, in der die Videodaten zur Verfügung gestellt werden. Je nachdem muss für die jeweiligen Anforderungen, die durch den Anwendungsbereich bestimmt werden, eine entsprechende Infrastruktur geschaffen werden. Dabei spielt vor allem die entsprechende Verkabelung innerhalb des Hauses und die damit verbundene Anbindung an den zentralen Server sowie die verwendete Speicherlösung innerhalb des Hauses eine tragende Rolle. Je nach Anwendungsgebiet gilt es also, diese beiden Parameter entsprechend zu dimensionieren. Schließlich sollte man sich überlegen wie, also mit welcher Art von Anschluss die Kamera an das Smart Home angebunden werden soll. In der Regel bietet es sich an, wenn die Kamera direkt über einen Ethernet Anschluss verfügt und direkt die Bildinformationen über das Hausnetzwerk zur Verfügung stellen kann. Sollte es sich aus baulichen Gründen nicht anders realisieren lassen, könnte sogar über WLAN eine Kamera eingebunden werden, was aber aufgrund der niedrigeren Übertragungsgeschwindigkeit und der damit verbundenen schlechteren Bildqualität (Auflösung) nur bedingt empfehlenswert ist.

Für die Anwendungsbereiche, die im Verlauf dieser Fallstudie vorgestellt werden, sollte man auf eine Kamera zurückgreifen, die sowohl am Tag als auch in der Nacht eingesetzt werden kann, da z.B. auch nachts hochauflösende Bilder von pflegebedürftigen Menschen zur Verfügung stehen sollten. Des Weiteren wird für die automatische Personenerkennung eine relativ hohe Bildauflösung vorausgesetzt, um entsprechende Fehlerkennungen zu minimieren. Um die im Haus installierten Kameras direkt für die Kommunikation (z.B. Videotelefonie) zu nutzen, bietet es sich an, ein Kameramodell zu wählen, dass direkt das Bildmaterial via Netzwerk zum Hauptserver streamt.

4.2.4 Speicherlösung

Je nach dem Anwendungsgebiet der Videoüberwachung im Smart Home unterscheidet sich natürlich auch der benötigte Speicherplatz, da teilweise die Verwendung des Materials erst nach einiger Zeit (z.B. zum Zweck der Überwachung) oder aber zeitnah zur Aufnahme (z.B. Videostreaming bei der Kommunikation) stattfindet. Da diese Fallstudie Themengebiete bearbeitet, bei der die Videoaufnahmen für einen gewissen Zeitraum gespeichert werden müssen, gehen wir bei der Auswahl der Speicherlösung davon aus, dass ein relativ großes Datenvolumen im Bereich von 1-2 Terabyte entsteht, was in etwa 500 - 1000 Stunden Film in DVD-Qualität entspräche. Da aber ein Großteil der eingesetzten LAN-Kameras nicht über eine solch hohe Auflösung und Videoqualität verfügt, dürfte die tatsächliche Speicherkapazität gemessen in Stunden um ein vielfaches größer sein.

Für die zentrale Speicherung der anfallenden Videodaten bietet sich ein Network Attached Storage (NAS) an, da so die Daten jederzeit und von jedem Ort über das Intranet bzw. Internet abgerufen werden können. Ein weiterer Vorteil des NAS besteht darin, dass viele Geräte über RAID verfügen, in dem man mehrere Festplatten zu einem Verbund zusammenschließen kann und/oder die Daten redundant auf getrennten Festplatten ablegen kann. Außerdem ist die Speicherung auf Festplatten momentan eine der günstigsten Alternativen und bietet eine hohe Performance.

Ein Beispiel für ein solches NAS ist das Modell TS-409Pro^[2] des Herstellers QNAP, in welchem bis zu 4 Festplatten verbaut werden können. Das Gerät bietet die RAID-Level 0, 1 und 5. Aus Gründen der Datensicherheit bieten sich jedoch die Level 1 und 5 an, da bei diesen die Daten redundant gespeichert werden. Durch Wechselrahmen in Verbindung mit HotSwap-Unterstützung lassen sich sowohl defekte Laufwerke ohne ein Herunterfahren des Gerätes austauschen, als auch die Speicherkapazität erweitern. Somit entstehen keine Ausfallzeiten, wodurch eine lückenlose Überwachung ermöglicht wird. Die Datensicherheit lässt sich zusätzlich über eine Remote-Replikation mit einem anderen Gerät gleichen Herstellers steigern. Diese Replikation kann auch über eine verschlüsselte Verbindung über das Internet erfolgen, wodurch das Backup-System örtlich entfernt platziert werden kann. Zudem bietet das Gerät eine Funktion als "Videoüberwachungsserver" an, über welchen mehrere ausgewählte IP-Kameras angesteuert und verwaltet werden können. Die Ansteuerung über ein Web-Interface ermöglicht die Konfiguration und Administration von nahezu jedem PC im Netzwerk, der über einen Internet-Browser verfügt. Bei Nutzung eines DynDNS-Accounts ist sogar eine Verbindung von jedem PC möglich, der eine Verbindung zum Internet hat.

4.2.5 Absicherung vor unbefugtem Zugriff

Da im Smart Home per Videoüberwachung eine große Menge an persönlichen Daten gesammelt werden, die auf der einen Seite zum Teil unter das Bundesdatenschutzgesetz fallen und auf der anderen Seite sehr private und nur für einen selbst bestimmte Aufnahmen beinhalten, gilt es, das gesamte System vor einem unbefugtem Zugriff zu schützen und somit die Privatsphäre der im Smart Home wohnenden Personen und deren Besucher zu wahren. Insgesamt kann man festhalten, dass es grundsätzlich zwei Szenarien eines unbefugten Zugriffs gibt, die man beide mit geeigneten Maßnahmen unterbinden muss:

• Unbefugter Zugriff von außerhalb des Smart Home
• Unbefugter Zugriff von innerhalb des Smart Home

4.2.5.1 Unbefugter Zugriff von außerhalb des Smart Home

Wie bereits im Abschnitt "Netzwerkverkabelung" erläutert, ist es durchaus denkbar, dass einige schwer erreichbare Bereiche über so genannte WLAN-Kameras überwacht werden müssen. Des Weiteren kann man festhalten, dass auch für andere Anwendungsbereiche im Smart Home ein drahtloses Netzwerk im Haus installiert werden muss und Somit ist theoretisch ein Angriff auf das vorhandene Drahtlosnetzwerk von außerhalb des Hauses denkbar. Um einem solchen Angriff entgegenzuwirken, gibt es unterschiedliche Techniken zur Absicherung des Drahtlosnetzwerkes.

• MAC-Adressenfilterung

Die MAC-Adresse ist eine eindeutige und unverwechselbare Adresse für alle Geräte, die an ein Netzwerk angeschlossen werden können. Bei dieser Adresse handelt es sich um eine 48 Bit lange Hardware-Adresse, die zur eindeutigen Identifkation eines Knotens im Netzwerk dient. Gespeichert wird die MAC-Adresse in einem PROM (PROGRAMMABLE READ ONLY MEMORY) und kann daher nicht verändert werden. In der Regel befindet sich die entsprechende MAC-Adresse auf einem Aufkleber am Gehäuse des entsprechenden Gerätes [1].

Bei der MAC-Adressfilterung werden also alle MAC-Adressen von im Haus befindlichen Netzwerkgeräten in eine sogenannte "White-List" (Weiße Liste) eingetragen und eine Kommunikation im Netzwerk erlaubt. Alle anderen Geräte, deren MAC-Adressen nicht im entsprechenden Router oder Access Point auf der White-List hinterlegt sind, werden von dem Router/Access Point geblockt und können somit keine Verbindung mit dem Drahtlosnetzwerk herstellen.

• WPA-Verschlüsselung

Bei der WPA-Verschlüsselungsmethode handelt es sich um eine Verschlüsselungsmethode, die auf dem statischen Verschlüsselungssystem WEP aufbaut. Im Gegensatz zu einer WEP-Verschlüsselung bringt sie zusätzlichen Schutz durch die Verwendung dynamischer Schlüssel und bietet die Möglichkeit für Teilnehmer, sich über so genannte "Pre-Shared keys" zu authentifizieren. Nur wer über einen entsprechenden Pre-Shared Key verfügt, ist in der Lage, sich mit dem drahtlosen Netzwerk zu verbinden.

4.2.5.2 Unbefugter Zugriff von innerhalb des Smart Home

Nachdem sichergestellt wurde, dass niemand von außerhalb in das Netzwerk des Smart Home eindringen kann, um so Daten zu manipulieren oder auszuspionieren, gilt es nun, einem unbefugtem Zugriff von innerhalb des Smart Home entgegenzuwirken.

Zunächst einmal ist es notwendig festzustellen, welcher Bewohner des Smart Home auf welche Datensätze (in diesem Fall das aufgezeichnete Videomaterial) zugreifen dürfen soll oder muss. Um beispielsweise die Privatsphäre einer Person "A" nicht zu verletzen, ist es zwingend erforderlich, dass eine andere Person "B" unter keinen Umständen in die Lage versetzt wird, auf Videoaufnahmen, die z.B. in den Privaträumen von Person A aufgenommen wurden, zuzugreifen.

Es gilt also an dieser Stelle zunächst ein passendes Rechtesystem zu erstellen, durch das die einzelnen Benutzer nur auf die entsprechenden Daten zugreifen können. Dies lässt sich realisieren, indem sich jeder Benutzer am System zunächst autorisieren muss. Um eine solche Autorisation durchzuführen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die von einer gewöhnlichen Benutzerkennung- und Passwortabfrage bis hin zu einer automatischen Personenerkennung durch eben dieses System reichen.

4.3 Rechtliche Grundlagen

Bei den rechtlichen Grundlagen zur Videoüberwachung gilt es, zunächst einmal zu unterscheiden, ob es sich bei dem zu überwachenden Gebiet um so genannten privaten Raum oder um einen öffentlichen Raum handelt.

Als privaten Raum bezeichnet man einen Bereich, der im Gegensatz zum öffentlichen Raum nicht direkt betretbar ist (z.B. das Smart Home). Dadurch wird der private Raum direkt durch den Besitzer kontrollierbar.

Im Gegensatz dazu gibt es den öffentlichen Raum, der direkt und für jeden betretbar ist (z.B. die Straße vor dem Smart Home). Auf diesen Bereich hat keine Person direkten Einfluss.

In dem Moment, wo man sich entscheidet, einen bestimmten Bereich per Video zu überwachen, müssen eine Anzahl von Gesetzen und Bestimmungen beachtet werden, da andernfalls mit Beschwerden oder juristischen Folgen zu rechnen ist. Aus diesem Grund sollte man stets genau darauf achten, ob eine Videoüberwachung in dem geplanten Bereich überhaupt - bzw. mit welchem Aufwand bezüglich Genehmigungen - realisierbar ist. Ingesamt kann man sagen, dass eine Videoüberwachung des öffentlichen Raumes nur mit großem Aufwand überhaupt durchgeführt werden darf, während bei privaten Räumen nur auf gewisse Teilaspekte, die im folgenden noch erläutert werden, Rücksicht genommen werden muss.

4.3.1 Videoüberwachung von privaten Räumen

Als private Räume bezeichnet man, wie bereits oben erwähnt, alle Räume, die direkt von einer bestimmten Person kontrollierbar sind und für die Öffentlichkeit nicht direkt zugänglich sind.

Allerdings müssen selbstverständlich auch in solchen Räumen bestehende Gesetze und Vorschriften eingehalten werden, und es darf nicht ohne Weiteres eine entsprechende Videoüberwachung stattfinden. Allgemein kann man sagen, dass eine Videoüberwachung überhaupt nur dann zulässig ist, wenn sie zur Aufgabenerfüllung öffentlicher Stellen, zur Wahrnehmung des Hausrechts, oder zur Wahrnehmung berechtigter Interessen für konkret festgelegte Zwecke erforderlich ist und keine Anhaltspunkte vorliegen, dass schutzwürdige Interessen der Betroffenen überwiegen (vgl. § 6b Absatz 1 BDSG). Sollte eine Videoüberwachung aufgrund dieses Aspektes zulässig sein, gilt es, den Umstand der Videoüberwachung und die entsprechenden Stellen durch geeignete Maßnahmen zu kennzeichnen (vgl. § 6b Absatz 2 BDSG). Hierzu reicht es in der Regel aus, ein entsprechendes Hinweisschild z.B. an der Eingangstür des Smart Home anzubringen, so dass jeder Besucher über die Videoüberwachung beim Betreten des Objektes aufmerksam gemacht wird.

Nachdem Daten im Smart Home aufgezeichnet wurden und die betroffenen Personen ausreichend auf die Aufzeichnung hingewiesen wurden, ist es zulässig, die Daten zum Erreichen des verfolgten Zwecks zu nutzen. Dabei gilt es stets zu prüfen, ob nicht schutzwürdige Interessen der betroffenen Personen überwiegen und somit eine Verwertung der gesammelten Daten strafbar ist. Soweit die Nutzung nicht zur Abwehr von Gefahren für die staatliche und öffentliche Sicherheit dient, darf keine, gegen den ursprünglichen Zweck stehende Nutzung stattfinden (vgl. § 6b Absatz 3 BDSG). Sobald die aufgezeichneten Daten zur Erreichung des Zwecks nicht mehr erforderlich sind, müssen die Daten umgehend gelöscht werden (vgl. § 6b Absatz 5 BDSG).

Im Falle der Nichteinhaltung der oben erläuterten juristischen Grundlagen, droht dem Verantwortlichen in der Theorie ein Bußgeld, das je nach Härte des Verstoßes variieren kann. Da es sich allerdings in den meisten Fällen einer privaten Videoüberwachung um kleinere Verstöße handelt, wird der Verantwortliche in der Praxis zunächst auf die entsprechenden Verstöße hingewiesen und ihm auferlegt, diese Missstände schnellstmöglich zu beseitigen. In der Praxis handelt es sich dabei meist um eine nicht ausreichende Kennzeichnung des überwachten Bereichs, wo der Missstand schnell und unkompliziert durch die Anbringung einer entsprechenden Beschilderung beseitigt werden kann.

4.3.2 Videoüberwachung von öffentlichen Räumen

Als öffentlichen Raum bezeichnet man, wie bereits in der Einleitung beschrieben, ein Gebiet, das der Öffentlichkeit frei zugänglich ist.

Im Allgemeinen spricht man z.B. bei Verkehrsflächen (Straßen und Bürgersteige) sowie Parkanlagen und Platzanlagen von einem solchen Raum. Verallgemeinernd kann man festhalten, dass es sich um einen öffentlichen Raum handelt, wenn dieser nicht direkt einer einzelnen privaten Person zugeordnet werden kann und nicht eine private Person über diesen Raum frei verfügen kann.

Will man einen solchen öffentlichen Raum mit Hilfe von Videokameras überwachen, gilt es, eine Reihe von Vorschriften zu beachten:

Bei der Videoüberwachung von öffentlichen Räumen sind die speziellen Kompetenzen hauptsächlich in den entsprechenden Landespolizeigesetzen (z.B. § 15a PolG NRW) geregelt und somit ist es einer Privatperson so gut wie unmöglich, einen öffentlichen Raum zu überwachen. Selbst für die einzelnen Behörden, wie z.B. der Landespolizei, gilt es, zunächst eine Reihe von hohen gesetzlichen Hürden zu überwinden, um überhaupt eine Genehmigung zu erhalten, einen bestimmten Bereich überwachen zu dürfen.

Selbstverständlich sind aber auch dann nicht die üblichen Gesetze, wie u.A. das Bundesdatenschutzgesetz außer Kraft gesetzt und es muss speziell auf § 6b Rücksicht genommen werden. Wie bereits im Abschnitt "Videoüberwachung von privaten Räumen" erläutert, sind entsprechende Aufnahmen zweckgebunden und die betroffenen Personen müssen auf eine Überwachung durch eine ausreichende Beschilderung hingewiesen werden. Außerdem gilt es, die Aufnahmen zu löschen, nachdem der damit verbundene Zweck erreicht wurde.

4.3.3 Datenschutz

Wenn die Entscheidung gefallen ist, ein Smart Home mit entsprechender Videotechnologie zu überwachen, gilt es, sich mit den verschiedenen Bestimmungen des Datenschutzes vertraut zu machen.

Grundsätzlich kann man sagen, dass die aufgezeichneten Videobilder in dem Moment den Datenschutzbestimmungen unterliegen, in denen, durch die bildliche Darstellung der aufgezeichneten Personen, diese identifizierbar werden. Da bei sämtlichen Anwendungsgebieten im Smart Home die Personen identifizierbar sein werden, fallen also sämtliche Aufzeichnungen auch automatisch unter diese Bestimmungen.

Während in einem öffentlichen Raum hauptsächlich so genannte Normalbürger von der Überwachung betroffen sind, wird hier von einer Unschuldsvermutung ausgegangen. Dabei muss man beachten, dass in einem solchen Raum die betroffenen Personen kaum, bzw. nur sehr eingeschränkt in der Lage sind, die Betreiber der Videoüberwachung ausfindig zu machen und die Speicherfristen des aufgenommenen Bildmaterials zu kontrollieren.

Da aber grundsätzlich sehr hohe juristische Hürden zu überwinden sind, um einen öffentlichen Raum mit Videokameras zu überwachen, kann davon ausgegangen werden, dass das entsprechende Material den oben genannten Bestimmungen entsprechend behandelt und nach Erfüllung des Zwecks gelöscht werden.

Im privaten Raum hingegen ist das Ausmaß der Videoüberwachung sehr viel schlechter zu kontrollieren, und da die Bestimmungen weniger streng sind als bei einem öffentlichen Raum, kann auch nicht direkt davon ausgegangen werden, dass der Betreiber des überwachten Raumes das Material nach Erfüllung des Zwecks wieder löscht. Zudem ist es möglich, dass das Videomaterial vom Betreiber zu Zwecken missbraucht wird, die gegen den Willen der aufgenommenen Personen sind. So ist es beispielsweise möglich, eine automatische Personenerkennung anhand des aufgezeichneten Bildmaterials durchzuführen, ohne, dass die betroffene Person direkt davon Notiz nimmt.

Eine weitere Gefahr solcher aufgenommenen Bilder besteht in der verhältnismäßig leichten Manipulierbarkeit des Bildmaterials. Dem Betreiber ist es also relativ einfach möglich, das aufgezeichnete Bildmaterial zum Nachteil der aufgezeichneten Person zu verändern. So könnten beispielsweise Zeit und Datum einer solchen Aufnahme verändert, und die Beweiskraft des Materials beliebig verändert werden.

5 Anwendungsgebiete

Die Videotechnik hat die Eigenschaft, vielseitig einsetzbar zu sein. Einerseits kann sie die Kommunikation unterstützen und Abläufe dokumentieren, andererseits kann aber auch das gewonnene Bildmaterial entweder manuell oder durch Anwendung bestimmter mathematischer Auswertungsverfahren analysiert werden.

Durch diese Möglichkeiten bietet sich die Videotechnik für den Einsatz in gewissen Anwendungsfeldern an. Die hier aufgeführten Themen befassen sich mit der klassischen videogestützten Objektsicherung, der biometrischen Personenidentifikation und der damit verbundenen Steuerungsmöglichkeiten, der Videokommunikation und den durch die Videotechnik ermöglichten Verbesserungen der Überwachungs- und Pflegemöglichkeiten pflegebedürftiger Personen.

5.1 Objektsicherung

Bei der Objektsicherung gibt es zwei unterschiedliche Strategien: Die verdeckte und die offensichtliche Überwachung. Beide bringen Vor- und Nachteile mit sich, sodass hier abzuwägen ist, für welche Strategie man sich entscheidet.

5.1.1 Abschreckung

Fühlt ein Mensch sich beobachtet, neigt er zu normenkonformem Handeln^[3]. Ein solcher"Beobachtungsdruck" kann auch mit Videokameras erzielt werden.

Das Phänomen kennt man aus dem Straßenverkehr. Werden an einer Stelle Geschwindigkeitskontrollen durchgeführt, wird oft zurückhaltend und mit verringerter Geschwindigkeit gefahren, als es sonst üblich ist. Sprich: wenn ein "Raser" weiß, dass eine Kontrolle naht, fährt er die erlaubte Geschwindigkeit. Ist die "Gefahr" vorbei, fällt er in seine alten Gewohnheiten zurück.

Auch im Smart Home kann Videoüberwachung sich präventiv auswirken - vorausgesetzt, die Personen bemerken die Überwachung. So könnte man etwaiges Hauspersonal, wie Reinigungskräfte oder Handwerker mit der Überwachungstechnik kontrollieren. Die Technik ist jedoch noch nicht in der Lage, fehlerhaftes Verhalten zu erkennen, sodass der Hausbewohner die Überprüfung des Videomaterials selbst durchführen müsste. Anders ist es bei Aufenthalten in nicht für das Personal freigegebenen Bereichen. Es besteht die Möglichkeit, überwachte Bereiche freizugeben, sodass eine Alarmierung nur bei Verlassen dieser Bereiche ausgeführt wird. Da sich das Personal seiner Überwachung bewusst ist, wird es kaum zu fehlerhaftem oder kriminellem Verhalten kommen.

Im Verbrechensfall, wie bei einem Einbruch, kann jedoch die Videoüberwachung lediglich zur Täterermittlung eingesetzt werden, also wenn das Verbrechen schon längst begangen wurde. Hierzu gestaltet es sich jedoch häufig schwierig, die Täter zu identifizieren, da diese - ebenfalls präventiv - oftmals vermummt auftreten. Bei einer offensichtlichen Videoüberwachung besteht zudem die Gefahr, dass Verbrechen absichtlich an Orten begangen werden, die nicht von Videokameras erfasst werden. Somit wird der Ort des Verbrechens lediglich verschoben.

5.1.2 Beweissicherung

Um im Verdachtsfall gezielt Beweismittel zu sichern, wendet man die verdeckte Videoüberwachung an. Hierbei kommen oft kleindimensionierte Kameras zum Einsatz, welche in Geräte, wie Uhren, Rauchmeldern oder Lampen eingesetzt werden. Neben Produkten für den Einbau gibt es auch bereits fertig präparierte Geräte, wie die Logitech DVS Clock Camera^[4], eine WLAN IP-Kamera, welche als Tischwecker getarnt ist. Der Vorteil der verdeckten Überwachung ist, dass der Beobachter den Beobachteten nicht beeinflusst, da sich der Beobachtete seiner Überwachung nicht bewusst ist.

Aus diesem Grunde bietet der Einsatz versteckter Kameras im Gegensatz zu sichtbaren eine unverfälschte Verhaltensweise der Täter und somit eine sehr gute Beweisqualität.

Ein Nachteil dieser Strategie ist, dass das Verbrechen nicht verhindert wird, sondern nur aufgezeichnet.

5.1.3 Entscheidungsfindung im Alarmfall

Für einen Alarmfall können beliebige Systemereignisse konfiguriert werden^[5]. Neben der automatischen Benachrichtigung an die Polizei oder den Notruf wäre eine Benachrichtigung per Mail/SMS/MMS mit Bildmaterial vom Alarmauslöser an den Hausbewohner oder eine Audio/Video-Verbindung zwischen Mobiltelefon und Haus möglich, um die Möglichkeit zur Gefahreneinschätzung und der Wahl über die weitere Vorgehensweise zu bieten. Dies bringt den Vorteil mit sich, Fehlalarme zu vermeiden.

Ebenso wie beim Einsatz von verdeckter und offensichtlicher Überwachung, gibt es für den Alarmfall ebenfalls unterschiedliche Alarmierungsstrategien, wie den stillen Alarm und den akustischen Alarm.

Im Falle des stillen Alarms ist sich der Täter des ausgelösten Alarmes nicht bewusst und fährt in seinem Tun fort, während im Hintergrund möglicherweise schon die Polizei oder der Sicherheitsdienst unterwegs ist.

Beim akustischen Alarm hingegen ist es das Ziel, den Täter in Panik zu versetzen um ihn zu verscheuchen und somit den Schaden zu minimieren.

5.2 Personenidentifikation und Steuerung

Verschiedene Personen haben unterschiedliche Bedürfnisse, Vorlieben und Angewohnheiten, welche man zu einem „Profil“ zusammenfassen kann. Um das Wohnen für die in einem intelligenten Haushalt lebenden Personen komfortabler zu machen, kommt schnell die Idee auf, das Verhalten des Smart Homes an diese Profile anzupassen. Es stellt sich jedoch die Frage, wie die Technik die jeweilige Person erkennen soll. Zur grundsätzlichen Identifikation von Personen kommen sowohl Karten-, PIN- und Schlüsselsysteme, als auch neue biometrische Systeme in Frage. Zunächst sollte man sich jedoch Gedanken machen, welches System an welchem Ort bestmöglich eingesetzt werden kann.

Der Wohnbereich

Im Hausinneren spielt der Wohnkomfort eine wichtige Rolle. Daher ist es nötig, den durch die Bewohnerprofile ermöglichten potenziellen Komfortzuwachs so komfortabel wie möglich nutzbar zu machen. Aus diesem Grund sollten Systeme zum Einsatz kommen welche keine direkte Interaktion wie Benutzung einer Karte oder die Eingabe einer PIN benötigen. Da Bewohner während ihres Aufenthalts im Hausinneren häufig die Räume wechseln, wäre es komfortabel, wenn das System die Person automatisch erkennt und die Gegebenheiten wie Licht, Musik oder Temperatur dem Profil entsprechend anpasst. Ermöglicht werden kann dies durch ein Videosystem, welches die biometrischen Gesichtsdaten der Person, die den Raum betritt, erfasst und anhand dieser Daten ihre Identität erkennt. Voraussetzung hierfür ist eine hochauflösende Videotechnik, damit ihre Gesichtsmerkmale besser erfasst werden können.

Der Zutrittsbereich

An Orten, die Zutritt zum Haus verschaffen, spielt der Sicherheitsaspekt eine große Rolle. Daher sollten zum einen Technologien eingesetzt werden, die täuschungssicher sind, aber auch eine niedrige Fehlerquote aufweisen. Da Gesichtserkennungssysteme eine hohe Toleranz benötigen, besteht bei ihnen die Gefahr, einem Unbefugten Zutritt zu gewähren, oder einem Berechtigten den Zutritt zu verweigern. Daher ist diese Technologie für sensible Bereiche weniger geeignet. Der Fingerabdrucksensor und die Iriserkennung eignen sich eher für dieses Einsatzgebiet. Beide bieten eine eindeutige und sichere Erkennung. Eine Kombination beider Erkennungssysteme würde als sicher genug geltenm den Haustürschlüssel zu ersetzen.

5.2.1 Biometrische Systeme

Biometrische Erkennungsverfahren basieren auf Auswertungen bestimmter körperlicher Charakteristika, welche bei jeder Person einzigartig sind^[6]. Zu den bekanntesten und zuverlässigsten dieser biometrischen Charakteristika gehören der Fingerabdruck, die Irisstruktur und die Gesichtsgeometrie. Sie können durch Geräte wie Kameras und Sensoren digitalisiert werden und bieten eine gute Identifikations- und Verifikationsbasis nicht nur für den öffentlichen und industriellen Gebrauch, sondern auch für den privaten Einsatz.

5.2.1.1 Die Gesichtsfelderkennung

Die Gesichtsfelderkennung vergleicht über 2000 Merkmale mit einem abgespeicherten Referenzbild. Vorteile der Gesichtsfelderkennung sind sowohl die automatisierbare Erkennung von Personen und somit keine zwangsläufige Interaktion mit Sensoren als auch die durch alleinigen Sichtkontakt gewahrte Hygiene. Trotz äußerlicher Veränderungen an Frisur, Bart oder Schmuck/Kleidung, ist die Gesichtsfelderkennung in der Lage, Personen wieder zu erkennen, was die Benutzerfreundlichkeit erhöht. Voraussetzung hierfür ist jedoch der Anspruch auf eine ideale Ausleuchtung des zu analysierenden Gesichtes, eine optimale Bildlage sowie eine genügend große Auflösung.

5.2.1.2 Der Irisscan

Sicherer und effizienter als die Gesichtsfelderkennung ist der Irisscan, welcher die Iris rund um die Pupille als Vergleichsgegenstand nutzt^[7]. Die Iris des Menschen hat die Eigenschaft, einzigartig und dazu noch über Jahrzehnte beständig zu sein. Selbst die Iris des linken und rechten Auges eines Menschen unterscheiden sich. Hierbei wird mittels einer herkömmlichen Kamera zunächst unter Beleuchtung im Infrarotbereich ein Bild aufgenommen. Dieses Licht durchdringt den Farbstoff Melanin im Auge besser als das sichtbare Licht, wodurch eine bessere Erkennung bei Menschen mit dunkler Augenfarbe möglich ist. Danach werden aus dem Bild der Rest des Auges entfernt und die runde Iris in Streifenform gebracht, um die weitere Verarbeitung zu vereinfachen. Mit Hilfe komplexer mathematischer Berechnungen entsteht eine Bitfolge, die einzigartig ist.

In den hier gezeigten Abbildungen werden die Arbeitsschritte bei einer Iriserkennung aufgeführt. Ein Teil des aufgenommenen Abbildes der Iris wird hierfür in Streifenform gebracht und in zwei Schritten in ein Template umgewandelt.

5.2.1.3 Die Fingerprinterkennung

Der Fingerabdruck eines Menschen verändert sich im Laufe seines Lebens nur wenig. Man unterscheidet Fingerabdrücke durch kleine Unregelmäßigkeiten, den so genannten Minuzien, voneinander. Diese sind bei jedem Menschen unterschiedlich positioniert und ausgeprägt. Im Gegensatz zur DNA-Analyse ist dieses biometrische Merkmal auch bei eineiigen Zwilligen unterscheidbar.

Schon seit über hundert Jahren nutzt die Kriminaltechnik den Fingerabdruck als einem Menschen eindeutig zuordbares Erkennungsmerkmal. Mittlerweile gibt es auch Sensoren, die in Kombination mit entsprechender Software eine solche Erkennung durchführen können. Ein Fingerprintsensor ist ebenso sicher und benutzerfreundlich wie der Irisscan. Er kann aufgrund seiner geringen Größe in viele Geräte integriert werden. Die Sensoren arbeiten mittlerweile auf Basis von mehreren Messverfahren. Zu diesen gehören etwa optische, kapazitive und thermische Sensoren.

Bei der Fingerabdruck-Erkennung wird aus dem gelieferten Abbild des Fingerabdrucks die wesentlichen Merkmale klassifiziert und in einem Template gespeichert.

5.2.2 Anlernen und Funktion des Systems

Zum Anlernen eines biometrischen Systems muss zunächst in einem so genannten "Enrolment" unter optimalen Bedingungen eine Referenzaufnahme der Iris, des Gesichts oder des Fingerabdrucks gemacht werden. Diese Aufnahmen werden anhand spezieller Algorithmen in ein Template umgewandelt. In diesem Template sind die charakteristischen Merkmale der Aufnahmen zusammengefasst, womit Templates nur einen Bruchteil an Speicherplatz im Gegensatz zu einer Originalaufnahme in Anspruch nehmen. Die geringe Größe des Templates verringert zudem die für den späteren Vergleich benötigte Rechenzeit.

Bei einer anstehenden Identifikation wird eine Aufnahme gemacht, das Template errechnet und mit den in einer Datenbank gespeicherten Referenzdatensätzen verglichen. Das ähnlichste wird ausgewählt und die Abweichung mit dem zuvor gesetzten Schwellenwert verglichen. Befindet sich die Abweichung innerhalb des Toleranzbereichs, besteht eine Übereinstimmung (Match), liegt sie außerhalb, besteht keine Übereinstimmung (non-Match).

5.2.2.1 Der Schwellenwert

Über den Schwellenwert (Threshold) kann die Empfindlichkeit des biometrischen Systems eingestellt werden. Da die Gesichtsfelderkennung auf Vergleichen basiert und eine hundertprozentige Übereinstimmung der Datensätze so gut wie nie vorkommt, muss ein Schwellenwert festgelegt werden. Anhand dieses Schwellenwertes wird entschieden, ob der Grad der Übereinstimmung für eine Akzeptanz hoch genug ist.

Durch die Verwendung dieses Schwellenwertes entstehen jedoch Gefahren. Zunächst besteht die Gefahr der Rückweisung einer berechtigten Person, die so genannte Falschrückweisungsrate (FRR).

Versucht man nun, die Wahrscheinlichkeit einer Falschrückweisung durch Herabsetzung der Akzeptanzschwelle zu senken, „entschärft“ man das System. Dies hat zur Folge, dass die Falschakzeptanzrate (FAR) und somit die Gefahr, dass eine nichtberechtigte Person akzeptiert wird, steigt.

In der nebenstehenden Abbildung wird der Zusammenhang grafisch beschrieben.

Bei einem Einsatz der Gesichtsfelderkennung sollte man also den Schwellenwert gemäß dem Einsatzort wählen. Da beispielsweise beim Hauszutritt der Sicherheitsaspekt eine große Rolle spielt, würde man hier den Schwellenwert sehr hoch setzen und somit Falschrückweisungen, also Komfortverlust in Kauf nehmen. Zur Nutzung von Komfortfunktionen innerhalb des Hauses, würde man hingegen einen relativ niedrigen Schwellenwert wählen, um eine schnellere und komfortable Erkennung zu gewährleisten.

5.2.3 Steuerung verschiedenster Anwendungen

Wie oben bereits angesprochen, kann durch die automatische Personenerkennung das Raumklima anhand von Personenprofilen individuell an die Bedürfnisse und Vorlieben der erkannten Person angepasst werden. Hierzu können die Temperatur, die Lichtintensität und -farbe sowie die musikalische Untermalung zählen.

Ebenso durchaus vorstellbar wäre die Zufahrt zur Garage mittels Erkennung des KFZ-Kennzeichens oder der Zutritt zum Haus mittels Irisscans als Schlüsselersatz. Bei der Nutzung von TV könnte per Fingerabdruck die zuschauende Person identifiziert werden und die Fernsehinhalte anhand eines voreingestellten Profils an Alter und Interessen angepasst werden. Gleiches wäre auch bei der Nutzung des PCs und somit auch des Internets denkbar.

5.2.4 Fehleranfälligkeit und Probleme

Ein großer Nachteil der genannten Systeme sind die Qualitätsanforderungen an das Vergleichsmaterial, welche sich in Form von hoher Fehleranfälligkeit bemerkbar machen. Da diese Systeme mit Vergleichen arbeiten, kann es vorkommen, dass eine Person zurückgewiesen wird, da sie sich nicht optimal im Bild befindet. Die viel größere Gefahr besteht allerdings in einer Verwechselung zweier Personen. Die Notwendigkeit einer ausreichenden Beleuchtung macht die Nutzung zur Steuerung der Beleuchtung widersprüchlich.

5.2.4.1 Leistungsfähigkeit

Die Leistungsfähigkeit biometrischer Systeme wird anhand der so genannten Gleichfehlerrate gemessen. Dies ist der Punkt, an welchem sich die Kurven der Falschakzeptanzrate und der Falschrückweisungsrate schneiden. Je niedriger die Gleichfehlerrate ist, desto eindeutiger kann das System einen zu vergleichenden Gegenstand als falsch oder richtig erkennen. Da die Gleichfehlerrate bei der Gesichtsfelderkennung noch zu hoch ist, ist eine sichere Authentifikationsmöglichkeit noch nicht gegeben und somit für den Einsatz im Zutrittsbereich noch nicht geeignet. Einen besseren Wert erzielt hierbei die Erkennung über den Iris- und Fingerprintscan.

5.2.4.2 Manipulation

Auch bei biometrischen Systemen ist eine Manipulation möglich. Dadurch, dass die optischen Sensoren auf Basis von Videomaterial arbeiten, ist es prinzipiell möglich, ihnen ein Foto vorzuhalten. Im Falle des Hauszutritts wäre diese Sicherheitslücke fatal. Um etwaigen Täuschungsversuchen zu entgehen, muss die Echtheit des Bildmaterials festgestellt werden. Es gibt hier mittlerweile Lösungsansätze, wie beispielsweise die Unterscheidung der Reflektionen eines Fotos und der eines dreidimensionalen Gesichtes. Bei der Fingerprinterkennung werden anhand der Temperatur und des Hautwiderstandes zumindest einfache Täuschungsversuche abgewehrt. Doch selbst diese Sicherheitsvorkehrungen sind bereits durch einfache Mittel erfolgreich überlistet worden. Wenn in sensiblen Bereichen, wie dem Hauszutritt ausdrücklich biometrische Systeme gewünscht sind, sollten hier mehrere Verfahren zum Einsatz kommen, um Falschakzeptanzen größtenteils auszuschließen. Bei jedem Einsatz von biometrischen Erkennungsverfahren bleibt jedoch ein gewisses Restrisiko.

5.3 Videotelefonie und Kommunikation

Mit Hilfe von aktuellen Technologien ist es möglich, verschiedene Möglichkeiten der Kommunikation im Smart Home zu nutzen. Hierbei ist die aktuellste und noch am wenigsten verbreitete Technik die Videotelefonie.

Durch Videotelefonie werden im Vergleich zum Telefon oder E-Mail gleichzeitig mehrere Sinne gefordert. Durch Gespräche mit Bild, Ton, Gestik, Interaktion und Bewegung wird das Gefühl vermittelt, dass man im direkten Kontakt mit seinem Gesprächspartner steht. Selbst im Smart Home ist diese Interaktion und Kommunikation von zentraler Bedeutung. Mit Hilfe von verschiedenen Endgeräten können die Bewohner aus dem Gebäude oder im Umfeld (z.B. Garten) mit Freunden, Verwandten und Geschäftspartnern per Video kommunizieren. Bei dieser Kommunikation ist die Interaktion der wichtigste Aspekt. Leider sind hier durch die Technik Grenzen gesetzt, da die Übertragung von Audio und Video nur mit Verzögerungen erfolgt. Der richtige Umgang mit der Technik muss erst geprobt und gelernt werden, um ein akzeptables Ergebnis zu erzielen.

Videotelefonie stellt höchste Anforderungen an das lokale Datennetz und an die Netzanbindung. Datendienste, die über das Internet zugreifen und in Echtzeit Videodaten übertragen, sind nicht automatisch hierfür geeignet, da die Videotelefonie eine konstante und verlustfreie Datenübertragung benötigt. Meist ist es nicht möglich, der Videotelefonie eine garantierte Bandbreite zur Verfügung zu stellen, weil geschäftskritische Anwendungen höhere Prioritäten in IP-Netzwerken haben. Das Gleiche gilt für den Breitbandanschluss im Smart Home. Diesen kann man zwar von einem ISP (Internet Service Provider) mit einer garantieren Bandbreite ausstatten lassen, dies ist aber mit enormen zusätzlichen Kosten verbunden.

Die benötigte Bandbreite für eine qualitativ hochwertige Verbindung liegt zwischen 384 und 1920 kbit/s. Diese Bandbreite wird heute flächendeckend von diversen ISP angeboten (z.B. 2048 kbit/s SDSL-Leitung(Symmetric Digital Subscriber Line)).

Falls es Engpässe oder Fehler in der Übertragung gibt, gehen Daten verloren und es kommt zu Darstellungsfehlern oder Audiostörungen.

Trotz der heute verfügbaren Bandbreite wären die Daten für eine qualitativ hochwertige Übertragung immer noch zu groß. Aus diesem Grund werden die Daten mit Hilfe eines so genannten Codecs komprimiert. Dieser Codecs arbeitet so effektiv, dass die Daten um ca. 1/20 bis 1/160 der Ursprungsgröße reduziert werden können. Die Komprimierung ist dabei sehr stark von der Qualität der Videodaten abhängig.

5.3.1 Historie

Bereits im Jahre 1936 war es in Deutschland möglich, eine Art Videotelefonie zwischen Berlin und Leipzig zu benutzen. Die Deutsche Reichspost stellte einen so genannten Bildfernsprechdienst zur Verfügung, mit dem es ermöglich wurde, dass sich 2 Personen telefonierend auf einem Bildschirm sahen. Die Sprache wurde im Gegensatz zur heutigen Videotelefonie direkt übers Telefonnetz übertragen. ^[8] Der Dienst wurde wegen zu hoher Kosten im Jahre 1940 eingestellt.

Im Jahre 1964 wurde auf der Weltausstellung in New York das Picturephone ^[9] der Firma AT&T präsentiert. Obwohl dieses Gerät für den privaten Gebrauch entwickelt wurde, hielt sich der Einsatz bei Privatpersonen sehr in Grenzen, da es ein fast unlösbar großes Problem für die Privatpersonen gab: Die Bandbreite. Beim Picturephone war die benötigte Bandbreite für einen Videokanal ca. 333mal so hoch, wie ein Audiokanal aus dem öffentlichen Telefonnetz bereitstellt. Die Kosten für das Betreiben eines Picturephones waren gigantisch: $ 125 pro Monat plus $ 21 pro Minute ^[10]

In den folgenden Jahren wurden dann so genannte Videokonferenzstudios eingerichtet, die man mit einem Breitbandanschluss ausstattete, damit die Audio und Videosignale übertragen werden konnten. Weltweit entstanden ca. 200 dieser Räume, die hauptsächlich von Firmen genutzt wurden. Für Privatpersonen war bis zu diesem Zeitpunkt eine Videotelefonielösung nicht realisierbar.

Durch die Entwicklung und Verbreitung von digitalen Netzen, wurde es möglich, sehr kostengünstige Breitbandanschlüsse anzubieten. Seit diesem Zeitpunkt ist Einsatz von Videotelefonie auch für Privatpersonen möglich. Mit dem Ausbau des DSL-Netzes wird in Zukunft jeder Haushalt über einen performanten Breitbandanschluss verfügen, mit dem Videotelefonie unter Teilnehmern aus der ganzen Welt realisiert werden kann.

5.3.2 Videotelefonie über ISDN (H.320)

Das digitale Netzwerk ISDN kann Daten mit einer festen Bandbreite von 2x 64 kbit/s übertragen. Im Gegensatz zu dem analogen Telefonnetz wurde ISDN klassisch für Videotelefonie mit Bild und Ton entwickelt. Das H.320^[11] Protokoll enthält spezielle Spezifikationen, in denen die Kommunikation von Audio, Video, Daten, das Multiplexen und Mehrpunktverbindungen geregelt sind. Dieses für niedrige Bandbreiten entwickelte Protokoll ist im Gegensatz zu TCP/IP ein verbindungsorientiertes Protokoll, somit ist eine gesicherte Verbindung zwischen den Endgeräten und ein Austausch von Sende- und Empfangsbestätigungen nötig. Das Protokoll H.320 ist in der letzten Fassung seit 2004 gültig.

Um die Audio- und Videodaten zu übertragen, werden diese durch spezielle Codecs komprimiert. Da die Bandbreite bei ISDN relativ klein ist, kommt es beim Komprimieren zu Verlusten bei der Audio und Videoqualität. Falls diese Verluste nicht tragbar sind, ist es möglich das H.320 Protokoll mit einem Primärmultiplexanschluss zu nutzen. Die maximale Bandbreite liegt hier bei 1920 kbit/s (30 ISDN-Kanäle). Hierbei ist zu berücksichtigen, dass gleichzeitig 30 Verbindungen zur Gegenstelle aufgebaut werden und auch für diese 30 Anschlüsse Telefonkosten anfallen. Falls beim anderen Teilnehmer nur ein herkömmlicher ISDN-Anschluss verfügbar ist, ist eine Verbindung von maximal 2x64kbit/s möglich.

H.320 kann man als übergeordnetes Protokoll für die Basisfunktion von Videotelefonie für ISDN-Endgeräte sehen. Untergeordnete Protokolle für die verschiedenen Funktionen sind:

• Audio: G.711, G.722, G.728
• Video: H.261, H.263, H.264
• Daten: T.120, H.239
• Multiplexen: H.221
• Mehrpunktverbindungen: H.230, H.231, H.243

Bei ISDN Videotelefonie mit 2 Kanälen wird im einfachsten Fall ein Kanal für Audio und ein Kanal für Video benutzt. Aktuelle Endgeräte arbeiten mit dem Protokoll H.264 und können über einen ISDN-Kanal ein Videosignal mit einer Auflösung von 320x240 Bildpunkten übertragen.

ISDN-Verbindungen können durch Verschlüsselungsboxen gesichert werden, die zwischen dem Endgerät und dem Telefonnetz eingesetzt sind. Durch diese Boxen ist sichergestellt, dass nur die beiden Gegenstellen miteinander kommunizieren und kein Dritter mithört oder mitsieht.

5.3.3 Grundlagen der Videotelefonie in IP-Netzen

Im Smart Home bildet die Technik Videotelefonie über IP-Netze den Schwerpunkt, da heute flächendeckend Breitbandanschlüsse auf IP-Basis zur Verfügung stehen.

Videotelefoniegespräche sind verbindungsorientiert, das heißt, es muss eine direkte Verbindung zwischen beiden Kommunikationspartnern bestehen. Nach dem Gespräch wird diese Verbindung wieder abgebaut.

IP ist allerdings ein verbindungsloses Protokoll, bei dem zur Übertragung von Daten keine Verbindung zwischen den Partner bestehen muss. Um eine Videotelefonieverbindung über IP aufzubauen, wird ein zusätzliches Protokoll benötigt, das im OSI-Modell^[12] oberhalb der IP Schicht liegt. Dieses Protokoll übernimmt den Auf- und Abbau eines Gesprächs, sowie die Auswahl des benutzten Codecs, damit die Endgeräte korrekt miteinander kommunizieren können.

Die beiden wichtigsten Protokolle hierbei sind SIP(Session Initation Protocol) und H.323.

Um Echtzeitkommunikation in einem IP-Netz zu gewährleisten, muss der Informationsaustausch ohne Zeitverzögerung ablaufen. In der Empfehlung G.114^[13] der ITU-T wurde festgelegt, dass die Verzögerung unter 150ms liegen sollte. Eine Verzögerung von 150 bis 400 ms ist laut der Empfehlung grade noch akzeptabel.

5.3.4 Videotelefonie nach H.323

Das am weitesten verbreitete Protokoll ist H.323^[14], das 1996 von der ITU verabschiedet wurde. Das Protokoll wurde ursprünglich für Videokonferenzen im LAN entwickelt und besteht aus einer Sammlung von Standards, die sich auf Sicherheit, Kodierung, Verbindung und Zusatzdienste beziehen.

1998 wurde das Protokoll um das H.450 Protokoll ergänzt, welches die Rufumleitung und Gesprächsübergabe regelt^[15]. Zusätzliche Dienste wie Anrufnachsendung, Parken und Halten eines Anrufs wurden mit integriert. Ab diesem Zeitpunkt konnte das H.323 für Videotelefonie in öffentlichen Netzen genutzt werden.

Nach weiteren Überarbeitungen wurden eine Faxfunktion, Rückfrage und Rufnummernübermittlung implementiert und es gab keinen Leistungsunterschied mehr zum aktuellen ISDN-Netz.

Nachfolgende Komponenten werden für eine erfolgreiche Mehrpunktvideokonferenz benötigt, die allerdings nicht zwingend innerhalb der eigenen Infrastruktur (besonders in Bezug auf das Smart Home) bereitgestellt werden müssen:

5.3.4.1 H.323-Terminal

H.323 Terminals sind alle Videotelefonie-Endgeräte.

Beispiele:

• Desktop-Videokonferenzsysteme sind PC-Systeme, die mit einer Kamera, Headset oder Mikrofon und Lautsprecher ausgestattet sind. Desktop Systeme bieten den Vorteil, dass man gemeinsam Dokumente bearbeiten (Application Sharing) kann und bei größeren Konferenzen alle Teilnehmer auf einem Bildschirm sieht.

• Raumsysteme erzeugen eine hervorragende Bild- und Tonqualität und bieten die beste Qualität. Im Smart Home könnte ein solches Raumsystem im Wohnzimmer integriert sein, um Videotelefonie zwischen Gruppen zu ermöglichen. Bestandteil dieser Raumsysteme sind Raumkameras, leistungsfähige Mikrofone, mehrere Monitore und diverse Peripherieanschlüsse. Die Kosten für ein solches System sind relativ hoch.

• Bildtelefone sehen aus wie normale Telefone, haben jedoch einen zusätzlichen kleinen Bildschirm und eine eingebaute Kamera. Zusätzlich ist das Bildtelefon mit einer erweiterten Tastatur ausgestattet.

5.3.4.2 MCU (Multipoint Control Unit)

MCUs werden bei Gruppenkonferenzen benutzt, um die Verbindung zwischen den einzelnen Endgeräten herzustellen. Falls nur eine Punkt-zu-Punkt Verbindung hergestellt werden soll, ist die MCU nicht nötig. Die MCU kann eine Soft- oder Hardwarelösung sein und arbeitet immer mit einem Gatekeeper zusammen. Hardwarelösungen sind hierbei viel performanter als Softwarelösungen und deshalb für gößere Konferenzen besser geeignet. Es ist außerdem möglich, die MCU direkt in ein Endgerät zu implementieren, aber auch diese Lösung bietet keine gute Performance und sollte vernachlässigt werden.

Eine MCU ist in der Lage, mehr als eine Gruppenkonferenz zu steuern und zu verwalten.

Die Aufgabe der MCU bei einer Gruppenkonferenz ist das Empfangen aller Datenströme (Video, Audio, Daten) und die gebündelte Rücksendung an die Teilnehmer. Die eingehenden Audioströme werden durch die MCU gemischt und zurückgeben (in Full-Duplex). Jeder Teilnehmer kann also gleichzeitig etwas sagen und die anderen hören. Die eigene Stimme wird durch die MCU gefiltert und nicht mit zurückgegeben.

Die Videodaten können auf verschiedene Weisen weiterverarbeitet werden:

• Bei Continuous Presence ist der Bildschirm in verschiedene Bereiche aufgeteilt, die jeden Teilnehmer der Konferenz gleichzeitig anzeigen. Falls mehr Teilnehmer als Bildschirmteile vorhanden sind, wechselt der Bildausschnitt jeweils zum momentan sprechenden Teilnehmer. Falls die Verbindung über ein Telefon und ein Gerät mit einem kleinen Display hergestellt wurde, eignet sich dieser Modus nicht.

• Bei Voice Switching wird immer der sprechende Teilnehmer angezeigt. Der sprechende Teilnehmer sieht allerdings nicht sich selbst, sondern immer den Teilnehmer, der als letztes gesprochen hat. Dieser Modus ist perfekt für kleine Videotelefonie-Endgeräte geeignet.

Im Smart Home wird hauptsächlich das Voice Switching eingesetzt werden, da Videotelefonie von mehreren Endgeräten möglich ist.

5.3.4.3 Gatekeeper (optional in H.323)

Ein Gatekeeper ist eine logische Komponente, die verschiedene Dienste anbietet. Er kann eine Windows, Linux oder Unix Software, eine Komponente der MCU, Gateways oder Teil eines Routers sein.

Angebotene Dienste sind:

• Adresstransformation
• Zugangskontrolle
• Bandbreitenmanagement

Falls ein Gatekeeper vorhanden ist, ist zwingend erforderlich, dass sich Endgeräte an dem Gatekeeper anmelden. Nicht angemeldete Endgeräte können keine Verbindung zu anderen Endgeräten herstellen.

5.3.4.4 Gateway

Ein Gateway ist für die Anbindung zwischen IP-Netz und Telefonnetz verantwortlich. Die Kommunikation funktioniert dabei in beide Richtungen. Die einzige Funktion des Gateway ist hierbei die Umsetzung der Protokolle: H.323 in H.320 und umgekehrt. Falls das Videotelefoniegespräch nur in einem IP-Netz geführt wird, ist ein Gateway nicht nötig.

5.3.4.5 Sicherheit

Die Sicherheit nach H.323 ist mit der Sicherheit einer E-Mail zu vergleichen.

• Dritte können mithören
• Es kann eine Verbindung zum falschen Teilnehmer aufgebaut werden
• Es können unbemerkt Verbindungen aufgebaut werden
• Nicht geschlossene Verbindungen können umbemerkt weiter bestehen

Wie bei einer E-Mail gibt es auch bei der Videotelefonie Möglichkeiten, seine Daten zu schützen.

Das Mithören ist immer möglich, wenn Daten in ungesicherten Netzen (IP oder Telefon) übertragen werden. Falls die Daten abgehört und mitgeschnitten werden, ist es mit einem Mediaplayer sehr einfach möglich, das Gespräch wiederzugeben. Um das Mithören zu verhindern, ist im H.235 Standard definiert, wie die Daten in einem IP-Netz verschlüsselt werden. Der Gatekeeper kann so sicherstellen, dass nur autorisierte Endgeräte an dem Gespräch teilnehmen.

5.3.5 Videotelefonie nach SIP (Session Initation Protocol)

Das SIP Protokoll wurde von der IETF (Internet Engineering Task Force) entwickelt und orientiert sich an Internetanwendungen. Bei der Entwicklung wurde der Schwerpunkt auf leichte Implementierung, Skalierbarkeit und Flexibilität gelegt. SIP verwaltet meistens Sessions von Teilnehmern, da die eigentliche Kommunikation durch dafür geeignetere Protokolle übernommen wird. Diese sind: SDP (Session Description Protocol) und RTP (Realtime Transport Protocol).

SDP handelt zwischen den Endgeräten den Codec und das Transportprotokoll aus.

RTP transportiert den Datenstrom, d.h. dass es die Daten komprimiert, verpackt und über UDP (User Datagram Protocol) versendet.

Der große Vorteil von SIP-Geräten ist, dass sie direkt miteinander kommunizieren können, wenn die URL des jeweils anderen Geräts bekannt ist. In der Praxis werden meistens SIP-Server eingesetzt, die eine Infrastruktur für Routing, Registrierung und Authentifizierung liefern.

SIP verwendet eine vergleichbare Headerstruktur wie HTTP(Hyper Text Transfer Protocol) und wird deshalb auch als textbasiertes Protokoll bezeichnet.

5.3.5.1 User Agent

User-Agents sind Komponenten in SIP-Endgeräten (z.B. Videotelefon). Sie bilden eine Schnittstelle zwischen Endgerät und SIP-Netzwerk. Beim Einleiten eines Anrufs, kann der User-Agent entweder als Client oder Server auftreten. Wird von dem Endgerät ein Anruf gestartet, fungiert das Endgerät als User-Agent Client (UAC), wird ein Anruf empfangen, fungiert es als User-Agent Server (UAS).

Die Endgeräte sind ansonsten identisch zu den H.323 Terminals[[1]].

5.3.5.2 Registrar Server

Der Registrar ist die zentrale Stelle bei einer SIP Systemarchitektur. Falls ein Anwender online geht, wird er registriert und Informationen zu seiner Identität werden gespeichert. Alle SIP-Anwender schicken regelmäßig eine Nachricht an den Registrar, in der die SIP-Adresse und die IP-Adresse enthalten ist. Beide Informationen werden in einer Datenbank auf dem Registrar gespeichert.

5.3.5.3 Proxy Server

Der Proxy Server kann sowohl aus Server als auch als Client arbeiten. Als Client kann er in Vertretung für andere Clients Anfragen starten und die IP-Adresse eines Teilnehmers erfahren. Der Proxy Server ist lediglich am Aufbau und Abbau der Verbindung beteiligt. Sobald die Verbindung zwischen den beiden Endgeräten aufgebaut ist, erfolgt der Datenaustausch direkt zwischen den beiden Engeräten.

5.3.5.4 Redirect Server

Der Redirect Server hat Informationen über die Endgeräte und kann diese an einen anfragenden Proxy Server oder Endgerät weiterleiten. Falls ein Anwender sein Telefon zum Beispiel auf sein Mobilfunktelefon umgeleitet hat, gibt der Redirect Server die IP-Adresse des Mobilfunktelefons an die anfragende Stelle. Der Aufbau der Verbindung muss allerdings erneut von der anfragenden Stelle übernommen werden.

5.3.5.5 Location Server

Der Location Server speichert die SIP-Adressen, die vom Registrar Server übermittelt werden. Zusätzlich werden auch die Adressen anderer Location Server und SIP Server gespeichert. Ein Location Server hat keinen direkten Kontakt zum User Agent, sondern nur zum Registrar und zum Proxy Server. Die Kommunikation zwischen Location und Registrar bzw. Proxy Server erfolgt über das LDAP(Lightweight Directory Access Protocol).

5.3.5.6 Gateways

Gateways sind für die Übersetzung eines Protokolls in ein anderes Protokoll zuständig und arbeiten in zwei Richtungen. Folgende Protokolle können übersetzt werden:

• SIP/H.323

• SIP/ISDN-DSS1

• SIP/POTS (Plain Old Telephone Service)

5.3.5.7 MCU (Multipoint Control Unit)

Siehe MCU H.323. [2]

5.3.6 Videokomprimierung nach H.264

Bei der Videokomprimierung wird der zu komprimierende Frame (Einzelbild) in kleine Quadrate unterteilt, die man Makroblöcke nennt. Der Kodierer untersucht dann jedes dieser Quadrate und speichert die Veränderungen der einzelnen Makroblöcke zum vorhergegangenen oder nachfolgenden Frame. Falls der Makroblock im neuen Frame nicht verändert wurde, wird nur der Verweis auf den aktuell gültigen Makroblock gespeichert.

Bei herkömmlichen MPEG-4 wird der Frame in acht mal acht Pixel große Makroblöcke unterteilt, bei H.264 wird der Frame in viermal so feine, also in vier mal vier Pixel große Makroblöcke zerlegt. Durch die feinere Aufteilung wird die Anfälligkeit für Bildartefakte verringert und der Frame wird genauer analysiert. Feine Strukturen im Bild oder rauhe Oberflächen werden durch den H.264 kaum verwischt und deshalb deutlich schärfer dargestellt als bei älteren Formaten.

Sobald bei der Dekodierung der passende Makroblock gefunden wird, kann im aktuellen Frame die Textur des Makroblocks reproduziert werden. Hierzu wird nur ein Vektor als Verweis auf die passende Referenzstruktur mit den Informationen zum Texturunterschied benötigt. Falls bei der Dekodierung des Frames kein passender Makroblock gefunden wird, werden die Texturen der nahegelegenen Makroblöcke verwendet, um die Textur vorherzusagen. Kodierer können deshalb niemals das ursprüngliche Bild reproduzieren, sondern nur die Videoqualität so gut wie möglich erhalten. Die Veränderungen sind aber für den Menschen kaum wahrzunehmen.

Neben der Videotelefonie wird der H.264-Standard auch bei Blue-Ray, HD DVD und HD-Satellitenfernsehen eingesetzt. Im Vergleich zur DVD die mit MPEG-2 kodiert wird, ist H.264 ca. dreimal so effizient! (Gleiche Qualität 1/3 Datenrate)

5.3.7 Einsatz im Smart Home

Durch die immer mehr zunehmende Globalisierung verändert sich das Arbeitsverhalten in bezug auf die Reise zu entfernten Kunden, Niederlassungen oder Vertragspartnern. Meistens sind Niederlassungen im Ausland angesiedelt, um dort Produktionskosten zu sparen. Das Reisen wird durch steigende Mineralölpreise und höhere Sicherheitsauflagen immer teurer. Zusätzlich verursacht der Reisende schädliches CO2. Videotelefonie im Smart Home bietet die Möglichkeit, einen Teil dieser Dienstreisen einzusparen. Grade kurze, spontane Meetings können über den Videotelefonie-Dienst abgewickelt werden.

Im privaten Bereich ist es über Videotelefonie möglich, sich öfter von Angesicht zu Angesicht mit Verwandten oder Freunden zu unterhalten, die man sonst nur ein- bis zweimal im Jahr sieht. Die große Entfernung zwischen zwei Gesprächspartnern wird mit Videotelefonie auf Null reduziert. Obwohl man mit dieser Technik den sozialen Kontakt zu seinen Freunden und Verwandten verbessern kann, sollte man nicht vergessen, ab und zu persönlich vorbeizuschauen, da der reale persönliche Kontakt doch intensiver ist, als ein Kontakt über Bildschirme.

Um eine verlustfreie Übertragung zu gewährleisten, sollte das Smart Home mit einem 2048 kbit/s SDSL Breitbandanschluss ausgestattet werden. Dieser ist flächendeckend in Deutschland verfügbar und kostet mit Flatrate (unbegrenzter Datentransfer) je nach Anbieter zwischen 130,00 - 200,00 Euro im Monat.

Im Haus sollte eine Netzwerkinfrastruktur bereitstehen, die in allen Räumen Ethernetanschlüsse bietet und Gartenflächen per WLAN abdeckt. Um eine gute Qualität der Videoaufnahme zu gewährleisten, können entweder hochauflösende Raumkameras oder in Endgeräte eingebaute Kameras genutzt werden.

Der Einsatz eines SIP-Servers ist nicht nötig, da es mittlerweile VoIP-Anbieter gibt, die SIP Telefonanschlüsse kostenlos anbieten. Die Option, ein Videotelefoniegespräch zu führen, wird für ca. 30,00 € im Jahr angeboten. Bei den meisten Anbietern werden im Grundpaket direkt mehrere SIP-Rufnummern geliefert, so dass direkt alle Räume eine eigene Rufnummer bekommen können.

Sobald der Breitbandanschluss für das Smart Home verfügbar ist, können die SIP-Endgeräte konfiguriert werden und los geht es.

5.3.8 Lösungen fürs Smart Home

Für den Einsatz im Smart Home eignen sich für die verschiedenen Einsatzgebiete auch verschiedene Lösungen. Es wäre sinnlos, im Wohnzimmer für eine Gruppenkonferenz mit den entfernten Verwandten die gleiche Lösung zu nutzen wie für ein Gespräch zwischen der Tochter und ihrer besten Freundin. Nachfolgend werden zwei Lösungen für verschiedenen Anwendungen vorgestellt. Beim Einsatz einer Softwarelösung ist es möglich, bereits vorhandene Kameras zu benutzen und das Bild zu übertragen. Hierbei ist wichtig, dass die Geräte über das LAN zu adressieren sind.

5.3.8.1 Softwarelösung Ninja Lite

Ninja Lite^[16] ist eine kostenlose Softwarelösung, die Videotelefonie unter Windows Betriebssystemen ermöglicht. Die Software unterstützt folgende wichtige Funktionen:

• SIP Proxy Registrierung mit 1 Proxy
• Dynamische CODEC-Auswahl
• Video Codec H263
• Konferenzschaltungen mit 3 Teilnehmern
• 2 Leitungen für IP und/oder PSTN ermöglichen das parallele Führen mehrerer Gespräche
• 5 einstellbare Qualitätsstufen für Videoübertragung: niedrig, mittel, hoch, hervorragend und LAN
• Breitbandtest für automatische Konfiguration von FPS und Übertragungsqualität
• 65 Vorkonfigurationen für verschiedene SIP-Anbieter

Nach Installation der Software müssen nur noch die Zugangsdaten zum SIP-Provider eingetragen werden und schon kann man lostelefonieren. Falls die Gegenstelle Videotelefonie nicht unterstützt, wird nur eine normale VoIP-Verbindung aufgebaut.

5.3.8.2 Desktoplösung Polycom HDX 4000

Die Polycom HDX ^[17] Lösung vereint einen Flachbildfernseher mit einer Videotelefonielösung. Es ist möglich mit der eingebauten hochauflösenden Kamera ein Videobild mit einer Auflösung von 1280 x 720 Bildpunkten zu übertragen. Im gleichen Format kann das empfangene Signal auf dem Bildschirm ausgegeben werden. Zusätzlich bietet das Gerät die Möglichkeit als normaler Fernseher genutzt zu werden. Eine perfekte Lösung für das Büro oder Wohnzimmer.

Folgende Funktionen werden zusätzlich unterstützt:

• H.264[3], H.263++, H.261, H.239
• H.323[4] bis zu 4Mbit/s
• SIP[5]bis zu 4 Mbit/s
• 5 Megapixel-Kamera

5.4 Überwachung pflegebedürftiger Personen

Der demografische Wandel der deutschen Gesellschaft zeigt, dass in naher Zukunft ein Großteil der deutschen Bevölkerung zu den - meist pflegebedürftigen - Senioren zählt. Das Notfallpotenzial ist vor allem bei dieser Zielgruppe sehr hoch. Daher bietet sich der Einsatz einer informationstechnischen Infrastruktur in einem von dieser Zielgruppe bewohnten Wohnobjekt geradezu an, die Nutzbarkeit pflegeunterstützender Geräte zu erweitern. Hierzu zählt auch die Videoüberwachung.

5.4.1 Erkennung bedrohlicher Situationen

In einer Notfallsituation nimmt die Zeit einen bedeutenden Faktor ein. Oft hängt das Schicksal der zu rettenden Personen von wenigen Sekunden ab.

Umso wichtiger ist das rechtzeitige Benachrichtigen der Rettungsdienste.

Bislang gibt es bereits Haus-Notrufsysteme^[18], welche beispielsweise per Knopfdruck oder Rauchmelder ausgelöst werden. Bei einer Auslösung werden hierbei zuvor eingespeicherte Telefon-Rufnummern solange gewählt, bis ein Anruf angenommen wird. Bei Bedarf kann die alarmierte Stelle eine Sprachverbindung aufbauen, um die Ernsthaftigkeit der Lage genauer einschätzen und weitere Maßnahmen einleiten zu können.

Durch die Möglichkeiten der heutigen Videotechnologie könnte die Alarmierung um eine automatische Erkennung bedrohlicher Situationen wie Stürze oder Leblosigkeit erweitert werden. Der Vorteil einer aktiven Erkennung ist hierbei, dass die Gefahr der Unfähigkeit der betroffenen Person, den Auslöser zu betätigen, minimiert wird. Die Erweiterung um den visuellen Faktor kann zudem der alarmierten Person helfen, die Lage einzuschätzen.

5.4.2 Kopplung mit medizinischen Systemen

Eine Kopplung mit weiteren Systemen zur medizinischen Analyse wäre auch denkbar. So könnte in der Zeit in der der Rettungsdienst unterwegs ist, beispielsweise der Zustand von Blutdruck und Herzrhytmus durch mobile Kardiometer oder andere Messgeräte kontrolliert werden, um wertvolle Zeit zu nutzen. Zudem ist eine seelische Betreuung während der Wartezeit wichtig, um die Personen bei Bewusstsein zu halten und ihnen die Wartezeit zu verkürzen. Diese kann ebenfalls durch die bestehenden Kommunikationskanäle geboten werden.

6 Bewertung

Im Folgenden wird die Einsatzfähigkeit der vorgestellten Technologien und Anwendungsfelder kritisch bewertet.

6.1 Objektsicherung

Die Kosten einer IP-Kamera belaufen sich im Schnitt auf ca. 100 €. Geht man von einem 8-Zimmer-Haus aus, entstehen Kosten von ca 1600 € bei einer Installation von zwei Kameras je Raum. Zur Verwaltung der Kameras bietet sich entweder ein Network-Attached Storage an, welches eine solche Funktion bereits implementiert hat, oder ein gewöhnlicher PC an, welcher mit einer Software und genügend Festplattenspeicher ausgestattet werden muss.

Das bereits vorgestellte NAS ist ohne Festplatten für ca. 450 € erhältlich. Der zum Einsatz kommende Festplattenplatz orientiert sich jedoch an der erwarteten Datenmenge. Geht man von 16 Kameras aus, die mit einer Bildrate von 5 Bildern pro Sekunde bei einer Auflösung von einem Megapixel und 16 Bit Farbtiefe aufzeichnen, kämen bei einer Bildkompression von 1:20 eine Datenmenge von 7 Megabyte pro Sekunde zustande. Auf 24 Stunden hochgerechnet, würden ca. 650 Gigabyte Bilddaten entstehen. Ein großdimensionierter Speicherplatz ist daher angeraten. Der Preis einer 1,5 Terabyte-Festplatte liegt momentan bei ca. 120 €, wonach Kosten für eine Vollausstattung des NAS von weiteren 480 € entstehen würden. Man muss jedoch bedenken, dass dies dem Extremfall entspräche. Bei einer bewegungsausgelösten Aufzeichnung fiele die Bildmenge wesentlich geringer aus.

Alternativ zum NAS-System könnte ein bereits bestehender PC mit einer Smart Home - Steuerungssoftware zur Kameraverwaltung genutzt werden. Ein Beispiel für eine solche Software bietet die Firma Tobit unter den Namen "David.Zehn!" an, mit Preisen von ca. 500 € für die Business Edition und ca. 250 € für die Home Edition. Davon ausgehend, dass bereits eine Netzwerkverkabelung besteht, würden die Kosten für eine Videoüberwachungsanlage bei knapp 2500 € liegen.

Man muss sich jedoch vor Augen halten, dass bei der Objektsicherung die Videotechnik nur eine unterstützende Funktion einnehmen kann, wie die Beweissicherung, die Verifikation durch Einschreiten des Hausbesitzers und die Abschreckung. Im Falle eines Einbruches gelten nach wie vor die traditionellen Sensoren, wie Bewegungsmelder oder Magnetkontakte als robuster gegen Lichtverhältnisse oder ähnlicher Manipulation.

6.2 Personenidentifikation und Steuerung

Irisscan, Fingerprintsensor und Gesichtsfelderkennung bieten heutzutage ausreichend Sicherheit um beispielsweise Zutritt zum Haus zu erlangen. Man spricht bei diesen Verfahren von einer 98-prozentigen sicheren Erkennung, was heißt, dass in 2% der Fälle eine berechtige Person als falsch erkannt wird. Die Wahrscheinlichkeit einer Falschakzeptanz der Systeme liegt jedoch bei 1:1000.

Im Wohnbereich bleibt die automatische Gesichtsfelderkennung vorerst eine Vision, da hier eine konstante und ausreichende Ausleuchtung der zu erfassenden Personen benötigt wird. Eine solche Ausleuchtung bedeutet aber zugleich erheblichen Komfortverlust. Die mag auch der Grund sein, dass diese Technologie für den Heimgebrauch noch nicht erhältlich ist. Selbst für den Einsatz im öffentlichen Raum ist die Gesichtsfelderkennung noch in der Entwicklungsphase.

Der Irisscan und der Fingerprintsensor jedoch sind relativ robust gegen ungünstige Lichtverhältnisse, da beispielsweise die Iriserkennung über eine eigene nicht sichtbare Lichtquelle verfügt.

Ein großer Nachteil des derzeitigen Entwicklungsstandes liegt jedoch darin, dass es weder standardisierte Verfahren zur Template-Errechnung, noch standardisierte Messverfahren gibt, wodurch hohe qualitative Unterschiede zwischen einzelnen Produkten entstehen, die sich zum Einen in Fehleranfälligkeit, zum Anderen jedoch in Manipulierbarkeit wiederspiegeln.

6.3 Videotelefonie und Kommunikation

Aufgrund der flächendeckenden Verfügbarkeit von Breitbandanschlüssen und der sehr einfachen Einrichtung von Videotelefonielösungen ist der Einsatz im Smart Home empfehlenswert. Die geringen Kosten für die Anschaffung und das Betreiben der Lösung, sind ein zusätzlicher Aspekt, der für den Einsatz spricht. Beim Einsatz ist es möglich, einfache vorhandene Strukturen zu nutzen (z.B. WLAN, Kameras) und über einen Software-Client eine Videoverbindung herzustellen. Alternativ können direkt voll funktionsfähige Lösung implementiert werden, die nur eine Verbindung ins Internet benötigen.

Durch den Einsatz von Videotelefonie wird außerdem die Umwelt geschont und die Reisezeit verringert, da kleine Konferenzen direkt vom Heimarbeitsplatz abgehalten werden können. Die CO2-Belastung wird so zumindest leicht reduziert.

Der Einsatz von Videotelefonie und Kommunikation im Smart Home hebt durch gewissenhafte Nutzung die Lebensqualität der Bewohner an und bietet völlig neue Möglichkeiten mit weit entfernte Menschen in relativ persönlichen Kontakt zu treten und neue Freundschaften aufzubauen.

Für alle Freunde von Science Fiction ist mit Videotelefonie ein Teil einer Vision zur Realität geworden und für beinahe alle Menschen in Deutschland nutzbar.

Allerdings gibt es auch negative Seiten: Durch eine zu starke Nutzung geht immer mehr der direkte persönliche Kontakt zu seinen Freunden, Verwandte und Arbeitskollegen verloren und die Bewohner könnten sich in eine Art soziale Isolation begeben, in der eine Kommunikation mit der Außenwelt erfolgt, aber der reale persönliche Kontakt fehlt.

6.4 Überwachung pflegebedürftiger Personen

Ein um die Videotechnik erweitertes Hausnotrufsystem könnte sich bei aktiver Erkennung bedrohlicher Situationen sogar lebendrettend auswirken. Die derzeitigen Kosten für ein telefonisches Haus-Notrufsystem belaufen sich auf rund 500 €. Die Kosten für die Videoausrüstung würde denen einer Videoüberwachung entsprechen, jedoch ohne großer Datenspeicherung. Es bleiben somit insgesamt Kosten von ca. 2500 €. Hinzu kämen Kosten für weitere medizinische Geräte, die mit den informationstechnischen Systemen gekoppelt werden kann.

7 Ausblick in die Zukunft

Bereits in der heutigen Zeit gibt es eine Reihe von Forschungsgruppen die das Leben in einem Smart Home näher untersuchen und nach Möglichkeiten forschen, Prozesse des täglichen Lebens mit modernen Hilfsmitteln wie der Videoüberwachung zu unterstützen. Dabei liegt u.a. ein Schwerpunkt darauf, natürliche Bedürfnisse, wie der Wunsch, jederzeit und von jedem Ort aus kontrollieren zu können, was zuhause passiert, zu befriedigen, wodurch ein neues Gefühl von Sicherheit entstehen kann.

Natürlich verbergen sich hinter solch einer neuen Technologie immer auch neuartige Gefahren, auf die es einzugehen gilt, damit aufgenommenes Videomaterial nicht in die falschen Hände gerät und somit missbraucht werden kann. Aus diesem Grund gilt es, stets abzuwägen, ob der zu erzielende Nutzen einer kompletten Videoüberwachung im Smart Home die möglichen Gefahren übersteigt.

Sicherlich wird es in der Zukunft vorgefertigte Lösungen geben, die dann nur noch an die persönlichen Bedürfnisse angepasst werden müssen, wodurch der zurzeit große Aufwand eines persönlichen Rechtesystems wegfallen wird. Ein weiterer Aspekt sind die mit der Installation eines solchen Systems anfallenden Kosten.

Da heutige Häuser oftmals von der Bauweise nicht die optimalen Anforderungen unterstützen, ist es nur mit großem Aufwand möglich, bestehende Gebäude zu einem Smart Home umzurüsten. So ist es zum Beispiel schwierig, massive Steinhäuser nachträglich mit der entsprechenden Verkabelung zu versehen und einen zentralen Raum zu finden, in dem die gesamte Haustechnik untergebracht werden kann. Ein zusätzliches Problem stellen massive Betondecken dar, wenn man über den Einsatz von drahtlosen Überwachungskameras nachdenkt. Da aber bei in Zukunft gebauten Häusern auf entsprechende Anforderungen geachtet werden könnte und somit zumindest die einfache Infrastruktur wie z.B. die Verkabelung direkt verbaut werden könnte, wird das in Zukunft möglicherweise keine großen Probleme mehr verursachen.

Letztlich stehen zurzeit noch die verhältnismäßig hohen Kosten für ein komplettes Smart Home im Vordergrund, die beispielsweise beim Smart Home in Paderborn das Modellhaus um ca. 30.000 € teurer machten als ein normales herkömmliches Haus. Diese Kosten sind u.A. darauf zurückzuführen, dass viele der eingebauten Extras zurzeit noch keine Seriengeräte sind und speziell für das Smart Home in Paderborn entwickelt wurden. Es ist aber davon auszugehen, dass in einigen Jahren die Kosten für die entsprechenden Technologien auf einen Bruchteil sinken werden und man die entsprechenden Geräte als normale Seriengeräte erwerben kann. Somit werden sich die Mehrkosten eines solchen, voll vernetzten Hauses in den nächsten Jahren stark verringern und der Preisunterschied zu einem herkömmlichen Haus wird nur noch von marginaler Bedeutung sein.

Aus diesen Gründen ist damit zu rechnen, dass der zukünftige Trend beim Bau von neuen Wohngebäuden zu den Smart Homes gehen wird und immer mehr solche Häuser gebaut werden. Dabei kann man heute noch nicht genau absehen, welche der Anwendungsfelder aus dieser Fallstudie im täglichen Leben zum Einsatz kommen werden und welche nicht. Man darf dabei auch nicht vernachlässigen, dass möglicherweise hier vorgestellte Anwendungsfelder gar nicht gewünscht werden, oder neue, hier nicht vorgestellte Anwendungsfelder hinzukommen. Des Weiteren kann man davon ausgehen, dass sich die gewünschten Anwendungsfelder mit den Bedürfnissen der Bewohner weiterentwickeln. Beispielsweise ist es möglich, dass Bewohner heute noch keinen Sinn in der Überwachung von pflegebedürftigen Personen sehen, aber genau auf solche Anwendungsfelder in 10 oder 15 Jahren zurückgreifen werden.

8 Fazit

Wie in dieser Fallstudie gezeigt wurde, bringt die Videoüberwachung im Smart Home vielseitige Einsatzmöglichkeiten mit sich, um die täglichen Bedürfnisse zu unterstützen und teilweise Aufgaben komplett automatisiert ablaufen zu lassen. Dennoch sind längst nicht alle Einsatzgebiete ohne Probleme umzusetzen und es gilt stets genau zu prüfen, ob und wie die Anwendungsfelder realisiert werden können, da es teilweise auch zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Umsetzung kommen kann.

Bei dem bearbeiten Anwendungsfeld der Objektsicherung per Videoaufnahmen im Smart Home muss man feststellen, dass die Videoüberwachung längst nicht herkömmliche Mittel, wie z.B. eine Überwachung mit Sensortechnik (z.B. Bewegungsmelder), ersetzen kann. Hierbei liegt das Problem darin, dass eine einfache Videoüberwachung nicht robust genug gegen ungünstige Lichtverhältnisse und andere Manipulationen ist. Dennoch sollte man nicht zwingend auf eine Videoüberwachung zur Objektsicherung verzichten, da die gesammelten Bildinformationen oftmals bei einem Einbruch wichtige Beweise repräsentieren, die später bei der Aufklärung der Straftat behilflich sein können. Zusätzlich ist festzuhalten, dass eine komplette Videoüberwachung neben der Beweissicherung im Falle eines Einbruchs auch präventiv als Abschreckung dienen und somit das Smart Home vor Einbrüchen schützen kann.

Im Gegensatz zur Objektsicherung, die durchaus in einem Smart Home durch Videoüberwachung unterstützt werden kann, ist die Personenidentifkation in einem Smart Home eher nicht zu gebrauchen. Zwar ist die Personenidentifikation per Video mittlerweile in einem ausreichendem Maße zuverlässig und gelingt in einer Testumgebung sogar zu 98 % ohne Fehlerkennungen, aber die entscheidenden Anforderungen, die man in einer Testumgebung findet, sind in einem Smart Home in der Regel nicht gegeben. So bedarf es unter Anderem für eine erfolgreiche Personenidentifkation guter Lichtverhältnisse. Dies bedeutet, dass die zu erkennende Person optimal ausgeleuchtet werden muss, was natürlich in einem Smart Home, welches prinzipiell als Wohngebäude genutzt wird, kaum zu erreichen ist. Wenn es dennoch gelingen würde, eine entsprechende Ausleuchtung der zu erkennenden Person zu gewährleisten, würde dies zu einem generellen Komfortverlust im Smart Home führen, den sicherlich niemand in Kauf nehmen würde. Es wäre bestenfalls denkbar, die Personenidentifikation als optionales Element in bestimmten Teilbereichen des Smart Home anzubieten. So könnte beispielsweise eine optionale Personenerkennung an Türen ermöglicht werden, nachdem die Beleuchtung den Anforderungen angepasst wurde. Dies aber zu automatisieren, ist mit heutiger Technik nicht realisierbar.

Ein Anwendungsfeld der Videoüberwachung im Smart Home, was voll überzeugen kann, ist die Kommunikation über die Videotelefonie. Zunächst muss man sagen, dass die Videotelefonie in den meisten Gebieten Deutschlands leicht zu realisieren ist, da in der heutigen Zeit in vielen Anschlussgebieten ein benötigter Breitbandinternetanschluss zur Verfügung steht. Außerdem ist davon auszugehen, dass diese Breitbandanschlüsse in den nächsten Jahren noch eine schnellere Datenübertragung erlauben werden und das die Zahl der Haushalte, die über einen solchen Anschluss verfügt, weiter steigen wird. Ein weiteres Argument für den Einsatz der Videotelefonie als neuartiges Kommunikationsmittel, sind die damit verbundenen Kosten. In der Anschaffung benötigt man lediglich die entsprechenden Endgeräte (Kamera und Display zum Anzeigen der empfangenen Bilddaten), die teilweise auch für andere Anwendungsfelder benötigt werden. Die laufenden Kosten verteilen sich hauptsächlich auf den Breitbandanschluss, der nötig ist, um ein entsprechendes Datenvolumen zu übertragen. Dabei ist aber auch zu bedenken, dass ein entsprechender Breitbandanschluss heute und vor allem in der Zukunft zum Standard gehören wird.
Insgesamt kann man sagen, dass die Videotelefonie als Kommunikationsmittel im Smart Home eine große Erleichterung bewirken kann, da ohne großen Aufwand viel Zeit eingespart werden kann, aufgrund der Tatsache, dass man viele kleinere Konferenzen direkt von zu Hause abhalten kann, ohne dafür beispielsweise ins Büro oder zu Geschäftspartnern fahren zu müssen. Es ist auch nicht zu vernachlässigen, dass bei der Videotelefonie die Kommunikation stark vereinfacht wird, da man auch auf die Gesichts- und Körpersignale des Gesprächspartners reagieren kann, was bei einer normalen Telefonkonferenz nicht der Fall ist. Dennoch muss man bei der Videotelefonie darauf achten, dass zu häufiges Nutzen dieser Technologie nicht zu einer sozialen Isolation führt. Man sollte stets im Hinterkopf behalten, dass Gesprächspartner einen persönlichen Kontakt oftmals als angenehmer empfinden.

Genau wie das Anwendungsfeld der Videoüberwachung kann auch die Überwachung von pflegebedürftigen Personen überzeugen. Da es hier im Ernstfall um Menschenleben geht und der Rettungsprozess durch genaue Informationen die durch eine Videoüberwachung gesammelt werden können unterstützt wird, sind die Mehrkosten zu einem herkömmlichen System zu vernachlässigen. Insgesamt belaufen sich diese Kosten nur auf ca. 2500 € was darauf zurückzuführen ist, dass ein Großteil der benötigten Hardware sowieso in einem Smart Home vorhanden ist (z.B. NAS/Server, Breitbandanschluss).

Abschließend ist festzuhalten, dass die Videoüberwachung im Smart Home sehr vielseitig ist und es eine Menge Anwendungsfelder gibt, die auf dieser Technologie aufbauen können. Dabei sollte man allerdings stets prüfen ob, und unter welchen Voraussetzungen ein Anwendungsfeld realisiert werden kann. Sicherlich sind einige Anwendungsfelder mit heutigen Mitteln noch nicht ohne weiteres realisierbar, da es noch verschiedene Probleme zu überwinden gilt und stets auch die Kosten einer möglichen Umsetzung im Auge behalten werden müssen. Dennoch ist zu erwarten, dass in der Zukunft die verschiedenen Technologien weiterentwickelt werden und somit bestehende Anwendungsfelder immer leichter zu realisieren sind bzw. neue Anwendungsfelder für eine Videoüberwachung im Smart Home entstehen werden.

9 Fussnoten

1. ↑ vgl. http://www.tomshardware.com/de/report-videoueberwachung,testberichte-1173.html Abruf 04.01.2009
2. ↑ vgl. http://www.qnap.com/pro_detail_feature.asp?p_id=85 Abruf 20.01.2009
3. ↑ vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cberwachungsdruck
4. ↑ vgl. http://www.logitech.com/index.cfm/webcam_communications/video_security_systems/devices/4325&cl=de,de Abruf 20.01.2009
5. ↑ vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Alarmanlage Abruf 05.01.2009
6. ↑ vgl. http://www.bsi.bund.de/fachthem/biometrie/index.htm Abruf 07.01.2009
7. ↑ vgl. http://www.computerwoche.de/heftarchiv/2005/30/1205971/ Abruf 10.01.2009
8. ↑ vgl. http://www.ib.hu-berlin.de/~wumsta/infopub/textbook/umfeld/rehm10.html Abruf 29.12.2008
9. ↑ vgl. http://www.corp.att.com/attlabs/reputation/timeline/70picture.html Abruf 29.12.2008
10. ↑ vgl. http://davidszondy.com/future/Living/picturephone.htm Abruf 29.12.2008
11. ↑ vgl. http://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-H.320-200403-I!!PDF-E&type=items Abruf 29.12.2008
12. ↑ vgl. http://standards.iso.org/ittf/PubliclyAvailableStandards/s020269_ISO_IEC_7498-1_1994(E).zip Abruf 29.12.2008
13. ↑ vgl. http://www1.cs.columbia.edu/~andreaf/new/documents/other/T-REC-G.114-200305.pdf Seite 2 Abruf 30.12.2008
14. ↑ vgl. http://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-H.323-199611-S!!PDF-E&type=items Abruf 30.12.2008
15. ↑ vgl. http://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-H.323-199802-S!!PDF-E&type=items Seite 74 Abruf 30.12.2008
16. ↑ vgl. http://www.globaliptel.com/deu/content/Content/Ninja/Lite.html Abruf 29.12.2008
17. ↑ vgl. http://www.videokonferenz.de/files/Polycom_HDX4000.pdf
18. ↑ vgl. http://www.datasi.de/Haus-Notrufsystem/haus-notrufsystem.html

10 Literatur- und Quellenverzeichnis

Titel	Autor	ISBN
H.264 & MPEG-4 Video Compression: Understanding and Implementing Video Compression	I.E.G. Richardson	978-0470848371
SIP, TCP/IP und Telekommunikationsnetze	Ulrich Trick, Frank Weber	978-3486582284
Telekommunikationstechnik	Otfried Georg	978-3540668459

11 Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr.	Abbildung
01	Qnap TS-409Pro
02	Logitech DVS Clock Cam
03	Gesichtserkennung
04	Bildaufnahme der Iris
05	Templateberechnung
06	Fingerabdruck-Analyse
07	Schwellenwert und Fehlerraten
08	SIP Protokoll
09	H.323 Protokoll
10	Mögliche Struktur im Smart Home
11	Ninja Software Client
12	Polycom HDX 4000