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Innovative, leistungsstarke Bildverarbeitungssysteme zum Sport-Tracking: Ausgabe 09/2019, 31.05.2019

Schnell zu objektiven Analysen

Speziell bei komplexen und schnell ablaufenden Bewegungen reicht das menschliche Wahrnehmungsvermögen meist nicht aus, um Details sportlicher Techniken zweifelsfrei zu erfassen und zu bewerten. Unter Zuhilfenahme von Bildverarbeitungstechnologie ist es möglich, Abläufe im Sport objektiv zu analysieren.

Autor: Mark Williamson

Bilder: 4attention,Quintic, Flight Club Darts

Weltweit kommt Bildverarbeitungstechnologie in Systemen zum Einsatz, die in Sportarten wie Fussball, Tennis oder Cricket zur Überprüfung der Schiedsrichterentscheidungen eingesetzt werden. Die Systeme sind von führenden Sportinstitutionen anerkannt und sind mittlerweile ein wesentlicher Bestandteil von Sportübertragungen geworden.

Sieben Kameras überwachen das Fussballtor
In Stadien verteilte Kameras erstellen beispielsweise individuelle Bilder des bewegten Balls. Diese werden unter Anwendung einer ausgeklügelten Software trianguliert, um einen korrekten 3D-Verlauf des Balls in Echtzeit wiederzugeben. Solche Systeme werden in Kombination mit einer Bildschirmgrafik unter anderem beim Tennis eingesetzt, um Schiedsrichterentscheidungen an der Aussenlinie zu überprüfen. Bei der Torlinientechnik im Fussball überwachen die Systeme kontinuierlich jedes Tor mit sieben Kameras.
Die aufgenommenen Bilder werden verarbeitet, um den Ball innerhalb des Bildes zu bestimmen, und ebenso zur Identifizierung derjenigen Bereiche, wo der Ball definitiv nicht ist. Eine spezielle Steuerungssoftware kombiniert die Informationen aus allen Kameras und ist in der Lage, den Ball millimetergenau innerhalb des Torbereichs zu verfolgen. Sobald das System feststellt, dass der Ball die Torlinie überquert hat, benachrichtigt das System die Offiziellen des Spiels automatisch. Stemmer Imaging engagiert sich schon seit vielen Jahren im Bereich von Ball-Tracking-Technologien und arbeitet in diesem Segment intensiv mit der britischen Hawk-Eye Innovations (www. hawkeyeinnovations.com) zusammen.

Echtzeitreaktion auf die Ballverfolgung

Eines der eindrucksvollsten Beispiele für die Echtzeitverfolgung von Bällen in Hochgeschwindigkeit stellt der automatisierte Torhüter «RoboKeeper» dar. RoboKeeper wurde vom Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik (www.iml.fraunhofer.de) in DE-Dortmund entwickelt und wird von der Sportmarketingagentur 4attention (http://4attention.de) als Besucherattraktion bei grossen Veranstaltungen vermarktet.
Die Besucher sind eingeladen, einen Strafstoss mit neun statt der üblichen elf Meter Abstand gegen den RoboKeeper zu schiessen, der ein Tor von 2 × 4 m hütet. Der Flug des Balls wird unter Verwendung eines Kamerasystems von Stemmer Imaging verfolgt, das aus zwei Farbflächenkameras mit GBitEthernet-Schnittstelle besteht und oberhalb und seitlich des Tors befestigt ist. Eine vom Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik entwickelte Bildverarbeitungssoftware bewertet anschliessend die Bilder mit einer Bildrate von bis zu 90 Bildern pro Sekunde.

RoboKeeper macht das Tore schiessen extrem schwierig
Wenn ein Ball mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 km/h flach geschossen wird, benötigt er rund 360 ms, um die linke oder rechte untere Ecke des Tors zu erreichen. Diese Positionen stellen die maximale Distanz dar, die sich der RoboKeeper bewegen muss. In dieser Zeit muss die voraussichtliche Flugbahn und der Eintreffpunkt des Balls in der Torebene extrapoliert werden und die komplette Bewegung des Torwarts inklusive aller Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge des Motors abgeschlossen sein, um einen Treffer zu verhindern. Das System erlaubt es dem RoboKeeper, diese Position innerhalb von 300 ms zu erreichen – was das Tore schiessen extrem erschwert.
Um Schwankungen der Lichtverhältnisse bei Aussenveranstaltungen auszugleichen, sind diese Kamerasysteme mit Objektiven mit automatischer Blendensteuerung und einer motorisierten Blende ausgestattet, die von einem Videosignal gesteuert wird. Diese Objektive verfügen über eine Brennweite von 3,5 mm und sind damit weitwinklig genug, um eine korrekte Ballerkennung vom Abschuss bis zum Tor zu gewährleisten. Es gibt auch eine Eishockeyversion vom RoboKeeper, die Kameras mit einer höheren Auflösung und einer höheren Bildrate verwendet. Dies ist deshalb erforderlich, da der Puck kleiner und viel schneller als ein Fussball und darüber hinaus keine Kugel ist. Dadurch rotiert er während des Fluges.

Effektives Sporttraining auch im Golfsport
Die Ballverfolgung ist auch ein wichtiger Bestandteil des Trainings und wird häufig im Zusammenhang mit Biomechanik verwendet. Stemmer Imaging hat während der Entwicklung des Quintic-Ball-Roll-Systems (www.quinticballroll.com) zur Analyse von Putt-Leistungen beim Golf eng mit Quintic Consultancy Ltd. (www.quintic.com) zusammengearbeitet. Quintic ist Spezialist für erstklassige Sportvideo-Analysesoftware, bei Sportbiomechanik und in der Leistungsanalyseberatung. Das System verwendet eine Hochgeschwindigkeitskamera in Kombination mit einer speziell entwickelten LED-Lichtleiste und nimmt 360 bis 1080 Bilder pro Sekunde auf, um den Putter und den Golfball bis zur Einschlagszone von rechtshändigen oder linkshändigen Golfern zu verfolgen.
Stemmer Imaging liefert für diese Systeme nicht nur Kameras, sondern hat mit dem Unternehmen auch intensiv bei der erfolgreichen Integration von Kameras und Software zusammengearbeitet. Das System misst sowohl grafisch als auch numerisch automatisch mehr als 45 Parameter in Bezug auf Putter und Ball. Diese Daten werden von der Software zur unverzüglichen Analyse, Überprüfung und Intervention angezeigt. Das System kann beim Golfunterricht, für Empfehlungen zur Ausstattung, zum Coaching, für die Auswahl eines spezifisch geeigneten Putters sowie als Unterstützung im persönlichen Training von Profis und Amateurgolfern gleichermassen eingesetzt werden.

Spielerverfolgung gehört zur Gesamtanalyse
Auch das Tracking von Spielern während eines Fussballspiels ist ein wesentlicher Bestandteil der Gesamtanalyse des Spiels. Der Bildverarbeitungsspezialist war bei der Entwicklung eines Spieler-Trackingsystems involviert, das bei Profifussballspielen zum Einsatz kommt. Die Statistikdaten der Aktivitäten jedes Spielers während eines Matches können live mit verschiedenen Kamerakonfigurationen erfasst werden.
Zwischen zwei und zehn Kameras von verschiedenen Anbietern sind dazu im Stadium positioniert, um die zugrundeliegenden Bilder für diese statistischen Ergebnisse aufzunehmen. Durch eine Kombination von MulticastImaging und intelligenter Bildverarbeitung auf mehreren Computern werden die Positionskoordinaten jedes Spielers, des Balls und des Schiedsrichters während des gesamten Spiels überwacht, um die Gesamtlaufleistung der Spieler, mit Durchschnitts- und Höchstgeschwindigkeiten, der Anzahl und Intensität von Sprints und die Kilometerleistung zu berechnen.

Zielsichere Dartpfeilerkennung
Darts ist vor allem in Grossbritannien fast so populär wie Fussball. Dass sich dieses Spiel auch in anderen Ländern zunehmender Beliebtheit als Freizeitaktivität erfreut, belegt die jüngste Eröffnung eines neuen Lokals von Flight Club Darts (https://flightclubdarts.com/) in Chicago. Dies ist neben Manchester und London Victoria das dritte Lokal des Clubs.
Im Mittelpunkt des Kundenerlebnisses steht ein automatisiertes Darts-Punktesystem, das über ein hochmodernes 3D-Bildverarbeitungssystem verfügt. Dieses Bildverarbeitungssystem verfolgt automatisch, wo die Dartpfeile auf das Dartboard treffen, und zeigt den erzielten Punktestand an. Kreidetafel und Taschenrechner gehören somit der Vergangenheit an. Das Scoringsystem verwendet drei hochleistungsstarke Farbkameras die oberhalb der Dartscheibe mit einem kundenspezifischen Rundum-Beleuchtungssystem montiert sind.

Darttreffer löst Algorithmen aus
Ein normaler Darttreffer auf der Scheibe löst die speziell von Flight Club Darts entwickelten 3D-Anpassungsalgorithmen aus, um die genaue Position, Stellung und die Punkte auf einen Bruchteil eines Millimeters zu erkennen und zu messen. Die Software verwendet drei virtuelle Darts mit Millionen von verschiedenen Ausrichtungen und Winkeln, um herauszufinden, wo der Dartpfeil auf dem Board gelandet ist.
Die Verwendung von mehreren Kameras verringert Verdeckungseffekte. Mit Milliarden von Berechnungen innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde arbeitet das System so schnell und reibungslos, dass die Spieler nie mehr auf die Berechnung der Punktstände warten müssen, unabhängig davon wie schnell sie werfen. Schummeln ist unmöglich, da die Pfeile von Hand nicht schnell genug platziert werden können, um das Auftreffen eines geworfenen Dartpfeils zu simulieren.

Leistungsfähige Kameratechnologie
In jedem Sport ist die Herausforderung für ein Bildverarbeitungssystem dieselbe – die Auswahl von Kameras, Objektiven und Datenübertragungsstandards muss die Anforderungen der Anwendung erfüllen und verlangt Sachverstand und Kenntnisse der Bildanforderungen. Die Kameratechnologie muss in der Lage sein, die Bilder in der geforderten Auflösung und Geschwindigkeit (Bildrate) über weite Entfernungen von den Kamerapositionen bis zum Kontrollraum zur Verarbeitung zu liefern. In vielen Fällen bewegt sich der Ball mit sehr hohen Geschwindigkeiten: So sind Cricketbälle mit Geschwindigkeiten von bis zu 160 km/h unterwegs und der AufschlagWeltrekord beim Tennis liegt sogar bei über 260 km/h. Da die meisten Sportarten im Freien ausgeübt werden, müssen die Kameras in der Lage sein, sich an die verschiedenen Beleuchtungsbedingungen anzupassen. Die gesamte Verarbeitungszeit dieser Systeme muss kurz genug sein, um den Spielfluss nicht signifikant zu unterbrechen.

Infoservice
Stemmer Imaging AG
Eichenstrasse 2, 8808 Pfäffikon SZ
Tel. 055 415 90 90, Fax 055 415 90 91
info@stemmer-imaging.ch, www.stemmer-imaging.com



Zwei Kameras sind seitlich oberhalb des Tores angebracht und verfolgen die Flugbahn des Balles


Der RoboKeeper benötigt nur rund 300 ms und somit eine kürzere Zeitspanne als selbst ein hart getretener Ball, um die errechnete Abwehrposition zu erreichen


Das Quintic Ball Roll-System v.3.4 erfasst 360 Bilder/s mittels einer USB3-Kamera


Die Wurflinie im Flight Club Darts, Bloomsbury, London, bei der die Kameras in Position zu sehen sind