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Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungssystem zum Erkennen von Strukturen in einem dreidimensionalen Raum, ein Markierungselement zur Kennzeichnung von Strukturen in einem dreidimensionalen Raum sowie die Verwendung eines oder mehrerer Markierungselemente zum Definieren von geometrischen Strukturen in einem dreidimensionalen Raum.
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Bildverarbeitungssysteme, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, werden insbesondere bei Sportveranstaltungen, wie z. B. Fußball- oder Handballspielen, eingesetzt, um die Bewegungen einzelner Spieler oder die Bewegung relevanter Gegenstände (z. B. Ball) im dreidimensionalen Raum zu messen und automatisiert auszuwerten. Auf dieser Grundlage werden Kenngrössen, wie z. B. die von einem Spieler zurückgelegte Strecke, die Anzahl der Pässe, die Laufgeschwindigkeit oder andere Größen ermittelt.
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Bekannte Bilderverarbeitungssysteme bedienen sich in der Regel mehrerer Kameras, die das Spielfeld und die Bewegung der Spieler aufzeichnen, sowie einer Datenverarbeitungseinrichtung mit einer Bildverarbeitungssoftware, die die von den Kameras aufgenommenen Bilddaten verarbeitet und auswertet. Solche Bildverarbeitungssysteme sind heute – mit Einschränkungen – in der Lage, sowohl einzelne Spieler als auch verschiedene andere Strukturen, wie z. B. Linien, Tore, Seitenmarkierungen, etc. zu lokalisieren. Derartige Systeme werden auch als Video basierte „LPM-Systeme” (Local-Positioning-Measurement-Systeme) bezeichnet. Bekannte video-basierte LPM-Systeme funktionieren aber nicht vollautomatisch, sondern bedürfen einer konstanten Überwachung durch geschultes Fachpersonal. Im Besonderen gilt:
- (a) Um einzelne Spieler eindeutig zu identifizieren, muss geschultes Fachpersonal das Bildverarbeitungssystem kontinuierlich bedienen. Der vollautomatische Betrieb des Bildverarbeitungssystems ist nicht möglich,
- (b) Um geometrische Strukturen (Linien, Tore, Seitenmarkierungen) automatisch erkennen zu können, ist es erforderlich, diese Strukturen zuvor in das LPM-System einzugeben. Jede Veränderung der geometrischen Strukturen erfordert allerdings einen neuerlichen Eingriff durch geschultes Fachpersonal.
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Bei Sportarten wie Fußball oder Handball werden im Übungs- und Trainingsbetrieb in der Regel geometrische Strukturen (z. B. Linien, Punkte, Polygonzüge, Flächen, Zonen oder Tore) auf dem Übungsfeld angeordnet. Beispielsweise werden Polygonzüge mit Hütchen markiert, und die Übungsteilnehmer laufen einen Slalom zwischen dem Polygonzug, oder es werden Zonen (Rechtecke) auf dem Boden mit Hütchen definiert, und die Übungsteilnehmer üben Pässe von Zone zu Zone. In der Praxis geschieht dies gleichzeitig auf einem großen Übungsfeld. Die Strukturen werden vom Trainer im Laufe der Durchführung geändert, um eine Übung zu optimieren oder neu zu gestalten.
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Mit der bekannten LPM-Technologie können Messungen und Lokalisierungen in so einem komplexen und sich ändernden Umfeld, wie es der Übungs- und Trainingsbetrieb darstellt, nur durchgeführt werden, wenn:
- (a) Die komplexen, sich ändernden geometrischen Strukturen auf dem Übungsfeld für die durchzuführenden Messungen irrelevant sind. Dies ist beispielsweise bei der kontinuierlichen Überwachung von Herzfrequenzen der Spieler der Fall.
- (b) Das LPM-System kontinuierlich von geschultem Fachpersonal überwacht und bedient wird.
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Bekannte LPM-Systeme können zwar Markierungselemente (wie Hütchen) lokalisieren, aber nicht den logischen Zusammenhang mehrerer Markierungselemente erkennen. So können bekannte LPM-Systeme beispielsweise nicht erkennen, dass eine bestimmte Anzahl von vier Hütchen gemeinsam eine rechteckige Fläche auf dem Boden definieren, und eine andere Anzahl von z. B. sechs Hütchen einen Polygonzug bilden sollen. Dies muss bekannten LPM-Systemen durch manuelle Programmierung entweder vor, während oder nach der Messung „mitgeteilt” werden. Dies erfordert die kontinuierliche Überwachung des LPM-Systems durch geschultes Fachpersonal. Aus diesem Grund wird die bekannte LPM-Technologie in der Praxis des Übungs- und Trainingsbetriebs nicht eingesetzt, falls die sich ändernden geometrischen Strukturen auf dem Feld relevant für die Messung sind.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bildverarbeitungssystem zu entwickeln, das ein- oder mehrdimensionale Strukturen (z. B. Linien, Punkte, Polygonzüge, Flächen und Zonen, Tore, etc.) im überwachten Raum automatisch und sicher erkennen kann. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Markierungselement zur Kennzeichnung geometrischer Strukturen im dreidimensionalen Raum zu schaffen, mittels dessen ein Bildverarbeitungssystem eine geometrische Struktur, welche durch eines oder mehrere solcher Markierungselemente definiert wird, automatisch erkennen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Bildverarbeitungssystem vorgeschlagen, das mehrere Kameras aufweist, die einen dreidimensionalen Raum überwachen, und das ferner eine Bilddatenverarbeitungseinrichtung umfasst, die die von den Kameras aufgezeichneten Bilddaten verarbeitet und darin bestimmte Strukturen oder Personen erkennt. Die erfindungsgemäße Bilddatenverarbeitungseinrichtung ist dabei derart eingerichtet, dass sie in der Lage ist, im überwachten Raum angeordnete Markierungselemente automatisch zu erkennen und außerdem eine an den Markierungselementen vorgesehene Markierung als eine zusätzliche Information über eine Richtung einer Struktur und/oder die Position des jeweiligen Markierungselements innerhalb einer geometrischen Struktur zu interpretieren. Das erfindungsgemäße Bilderverarbeitungssystem ist somit in der Lage, einzelne, zu einer bestimmten Struktur gehörige Markierungselemente logisch zusammenzufassen und zu gruppieren (z. B. vier zur Kennzeichnung eines Rechtecks auf dem Boden angeordnete Markierungselemente als rechteckige Fläche zu interpretieren) und dadurch eine auf einem Spielfeld gesetzte Struktur automatisch zu erkennen.
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Unter der Bezeichnung „Struktur” werden im Rahmen dieser Erfindung unter anderem, aber nicht ausschließlich, beliebige ein- oder mehrdimensionale Formen oder Figuren, wie z. B. Linien, Punkte, Polygonzüge, Flächen und Zonen, Tore, usw. verstanden.
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Die Richtung einer auf dem Spielfeld vorgegebenen Struktur, wie z. B. die Richtung einer Linie oder der Seitenumrandung eines Feldes, wird erfindungsgemäß mittels einer speziellen Markierung angezeigt, die auf einem Markierungselement angebracht ist. Außerdem kann durch bestimmte Markierungen angezeigt werden, an welcher Position sich das jeweilige Markierungselement innerhalb einer geometrischen Struktur befindet, wie z. B. am Ende oder in der Mitte einer Linie, in der Ecke eines Dreiecks, Rechtecks oder Vielecks, oder an einer mittleren Position oder am Ende eines Polygonzugs. Durch entsprechendes Anordnen verschiedener Markierungselemente können somit nahezu beliebige geometrische Strukturen definiert werden, die dann vom Bildverarbeitungssystem eindeutig und automatisch erkannt werden. Auch wenn sehr viele Markierungselemente gleichzeitig in einem Spielfeld angeordnet sind, kann das erfindungsgemäße Bildverarbeitungssystem selbständig und eindeutig erkennen, welche Markierungselemente zu einer bestimmten ersten Struktur gehören, welche Markierungselemente zu einer anderen Struktur gehören, und um welche Strukturen es sich handelt.
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Ein erfindungsgemäßes Markierungselement zur Definition von geometrischen Strukturen im dreidimensionalen Raum besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper, der mit einer Markierung versehen ist, die dem Bildverarbeitungssystem eine zusätzliche Information über eine Richtung einer Struktur und/oder eine Position des Markierungselements innerhalb einer geometrischen Struktur liefert.
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Das Markierungselement kann beispielsweise hütchen-, platten-, stab- oder blattförmig ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Markierungselement ein Hütchen, an dessen Außenseite eine zusätzliche Markierung vorgesehen ist.
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Für den Einsatz in der Halle oder auf festen Untergründen kann ein Haftmittel, wie z. B. weiches Silikon, an der Unterseite des Markierungselements angeordnet sein. Für den Einsatz auf Rasen bzw. weichen Untergründen kann eine Verankerung wie z. B. ein oder mehrere Stifte oder eine Schraube, vorgesehen sein.
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Die am Markierungselement vorgesehene zusätzliche Markierung kann beispielsweise streifen-, punkt-, dreiecks- oder rechteckförmig sein und wenigstens eine Farbfläche umfassen. Eine Markierung kann ein oder mehrere Elemente umfassen, wie z. B. einen oder mehrere Streifen, Dreiecke, Rechtecke oder Punkte. Die Markierung kann auch farbig ausgeführt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Markierung auf dem Grundkörper aufgedruckt. Sie kann aber beispielsweise auch aufgeklebt sein. Alternativ kann sie auch z. B. mit einem Stift aufgezeichnet werden.
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Die auf dem Grundkörper vorgesehene Markierung kann als eine Fläche oder als ein dreidimensionales Element, wie z. B. eine Erhebung und/oder Vertiefung im Grundkörper, ausgeführt sein.
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Ein erfindungsgemäßes Markierungselement kann auch mit einer Nummer versehen sein. Die Nummer kann beispielsweise als Ziffer oder in codierter Form, z. B. mit Punkten oder Strichen, vorgesehen sein.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann ein Markierungselement auch Mittel zum Befestigen des Markierungselements an einem anderen Gegenstand aufweisen. So kann das Markierungselement z. B. blattförmig sein, wobei auf einer Seite des blattförmigen Grundkörpers ein Haftmittel, wie z. B. eine Haft- oder Klebeschicht, und auf der anderen Seite die Markierung vorgesehen ist.
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Gemäß der Erfindung werden Markierungselemente, wie sie vorstehend beschrieben wurden, zum Definieren einer geometrischen Struktur in einem dreidimensionalen Raum verwendet, um einem bildverarbeitenden System alle notwendigen Informationen über die geometrische Struktur zu geben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Bildverarbeitungssystem zur Überwachung eines dreidimensionalen Raums;
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2 den vom Bildverarbeitungssystem überwachten Raum aus 1, in dem verschiedene geometrische Strukturen definiert sind;
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3 eine Aufsicht auf ein hütchenförmiges Markierungselement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4a zwei im Abstand zueinander angeordnete Markierungselemente gemäß 3 zur Markierung einer Linie;
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4b das Ergebnis der Bilddatenauswertung der Anordnung von 4a;
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5 eine Aufsicht auf ein hütchenförmiges Markierungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine Aufsicht auf ein hütchenförmiges Markierungselement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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7a eine Anordnung von vier Markierungselementen gemäß 6 zur Markierung eines rechteckigen Feldes;
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7b das Ergebnis der Bilddatenauswertung der Anordnung von 7a;
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8 eine Aufsicht auf ein hütchenförmiges Markierungselement, das nummeriert ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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9 eine Aufsicht auf ein hütchenförmiges Markierungselement, das nummeriert ist, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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10 eine Aufsicht auf ein hütchenförmiges Markierungselement, das nummeriert ist, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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11a eine Anordnung der Markierungselemente der 8–10 auf einem Spielfeld;
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11b das Ergebnis der Bilddatenauswertung der Anordnung von 11a;
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12 ein Tor, das mit mehreren Markierungselementen markiert ist;
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13a ein blattförmiges Markierungselement mit einer speziellen Markierung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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13b ein blattförmiges Markierungselement mit einer speziellen Markierung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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14 eine Anordnung aus zwei Markierungsstäben, die im Abstand zueinander angeordnet sind; und
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15 das Ergebnis der Bilddatenauswertung der Anordnung von 14.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Bildverarbeitungssystems 1 mit mehreren Kameras 2, die einen dreidimensionalen Raum 7 überwachen, der hier in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die von den Kameras 2 aufgezeichneten Bilddaten werden von einer Datenverarbeitungseinrichtung 3 mit einer entsprechenden Bildverarbeitungssoftware 4 verarbeitet und ausgewertet. Die Bildverarbeitungssoftware 4 ist dazu ausgelegt, bestimmte geometrische Strukturen S1–S4 zu erkennen, wie sie in 2 dargestellt sind. Darüber hinaus ist das Bildverarbeitungssystem 1 auch in der Lage, verschiedene Personen eindeutig und vollautomatisch zu identifizieren, die sich im Raum 7 aufhalten (nicht gezeigt). Dadurch ist es möglich, bestimmte Kenngrössen der Personen, wie z. B. die Anzahl der Pässe, die Passqualität mit linkem und rechtem Fuss, die Passgeschwindigkeit, die Qualität der Ballannahme, die Geschwindigkeit der Ballannahme u. v. m. zu bestimmen oder den Aufenthaltsort der Personen in Relation zu einer vorgegebenen Struktur, wie z. B. zu einem vorgegebenen Feld oder einer Linie, zu ermitteln.
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2 zeigt den Raum 7 von 1 in dem beispielhaft mehrere geometrische Strukturen dargestellt sind. Im vorliegenden Fall sind ein Punkt S1, eine Linie S2 und eine rechteckige Fläche S3 am Boden des Raumes 7, sowie eine senkrechte Fläche S4 dargestellt. Die einzelnen Strukturen S1–S4 können von einer Position, wie z. B. dem Trainer einer Mannschaft vorgegeben werden, indem ein oder mehrere Markierungselemente 10, die nachfolgend noch näher beschrieben werden, entsprechend angeordnet werden. Die Markierungselemente 10 werden vom Bildverarbeitungssystem 1 als solche erkannt und definieren ferner eine Richtung und/oder eine Position innerhalb einer geometrischen Struktur S1–S4, wodurch das Bildverarbeitungssystem 1 bzw. dessen Software 4 in die Lage versetzt wird, die markierten geometrischen Strukturen, wie z. B. Linien, Flächen oder Punkte, besser zu erkennen.
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3 zeigt eine Aufsicht auf ein Markierungselement 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Im vorliegenden Fall umfasst das Markierungselement 10 einen plättchenförmigen Grundkörper 5, auf dessen äußerer Oberfläche eine Markierung 6 – hier eine Linie – aufgebracht ist. Ein Plättchen kann von einem Bildverarbeitungssystem 1 besonders gut als Markierungselement erkannt werden und ist zum Einsatz bei den meisten Hallen- oder Rasensportarten, wie z. B. Fußball, Handball, Hockey oder Basketball gut geeignet. Die auf der Oberfläche des Plättchens aufgebrachte Markierung 6 liefert dem Bildverarbeitungssystem eine zusätzliche Information über die Richtung einer geometrischen Struktur, wie z. B. einer Linie, und die Position des Markierungselements 10 innerhalb der geometrischen Struktur. Dies wird im Folgenden anhand der 4a und 4b näher erläutert.
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4a zeigt eine Anordnung aus zwei Markierungselementen 10 gemäß 3, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Markierungen 6 der beiden Hütchen sind aufeinander zu ausgerichtet. Das Bildverarbeitungssystem erkennt in diesem Fall die beiden Plättchen mit den Markierungen 6 und weiß aufgrund der Anordnung der Plättchen und deren Markierungen 6, dass damit eine Linie S2 angezeigt werden soll, wie sie in 4b zu sehen ist. Die beiden Markierungselemente 10 bzw. Plättchen bilden dabei die Endpunkte der Linie S2.
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5 zeigt eine Aufsicht auf ein Markierungselement 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Markierungselement 10 umfasst wiederum einen plättchenförmigen Grundkörper 5, ähnlich 3, der hier aber mit insgesamt vier Markierungslinien versehen ist, die jeweils unter einem Winkel von 90° in Umfangsrichtung zueinander angeordnet sind. Ein solches Markierungselement 10 wird vom System aufgrund der speziellen Art der Markierung 6 als punktförmiges Strukturelement S1 erkannt. Das hier dargestellte Markierungselement 10 wird also ein Punkt identifiziert. Bei einer Übung kann das Bildverarbeitungssystem 1 somit automatisch erkennen, ob ein Spieler das Markierungselement 10 z. B. mit einem Ball trifft oder in welchem Abstand ein Ball am Markierungselement 10 vorbeiläuft.
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6 zeigt eine Aufsicht auf ein plättchenförmiges Markierungselement 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die auf dem Plättchen vorgesehene Markierung 6 besteht im vorliegenden Fall aus zwei Linien, die im Winkel von 90° in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und in Falllinie verlaufen. Wird ein solches Markierungselement 10 vom Bildverarbeitungssystem 1 erkannt, wird dies als Ecke einer Fläche S3 interpretiert. Die angrenzenden Umfangslinien der Fläche S3 verlaufen dabei in die Richtungen, wie sie durch die Linien der Markierung 6 auf dem Plättchen angezeigt werden.
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7a zeigt eine Anordnung aus vier Markierungselementen 10 gemäß 6, die hier im Rechteck angeordnet sind, um eine rechteckige Fläche zu markieren. Erkennt das Bildverarbeitungssystem 1 eine solche Anordnung aus Plättchen, interpretiert sie dies als eine rechteckige Fläche S3, wie sie in 7b dargestellt ist. Die einzelnen Markierungselemente 10 bilden dabei jeweils eine Ecke der Fläche S3. Die Umfangslinien der Fläche S3 verlaufen im Wesentlichen in einer Richtung, wie sie durch die Markierungslinien auf den Plättchen angezeigt werden.
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Die 8, 9 und 10 zeigen jeweils eine Aufsicht auf ein plättchenförmiges Markierungselement 10, das mit einer Nummerierung versehen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Plättchen mit einem, zwei und drei Punkten versehen, entsprechend der Zahlen 1, 2 und 3. Alternativ könnten natürlich auch Ziffern oder eine andere Codierung der Zahlen vorgesehen sein. Die Zahlen liefern dem Bildverarbeitungssystem 1 eine zusätzliche Information über die Reihenfolge der Markierungselemente innerhalb einer geometrischen Struktur.
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11a zeigt eine Anordnung aus drei Markierungselementen 10, wie sie in den 8 bis 10 dargestellt sind. Eine solche Anordnung wird vom Bildverarbeitungssystem 1 als Polygonzug interpretiert, wobei die Linie S5 vom Markierungselement mit der Nummer 1 ausgeht, zum Markierungselement mit der Nummer 2 verläuft und am Markierungselement mit der Nummer 3 endet. Ohne die Nummerierung der einzelnen Markierungselemente 10 wüsste das Bildverarbeitungssystem 1 beispielsweise nicht, wie die Linie verlaufen soll oder ob es sich gegebenenfalls um eine dreieckige Fläche handeln solle.
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12 zeigt ein Fußballtor mit mehreren am Rahmen angebrachten Markierungselementen 10. Erste Markierungselemente 10 mit einer ersten Markierung 6a sind dabei am unteren Bereich der Pfosten angebracht. Zweite Markierungselemente 10 mit einer zweiten Markierung 6b befinden sich an den oberen Ecken.
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Die einzelnen Markierungselemente 10 sind jeweils als blattförmige Aufkleber realisiert, die auf den Torrahmen aufgeklebt werden können. Jede Markierung 6a, 6b besteht aus einer Farbkombination aus zwei Farben. Eine Farbkombination mit zwei etwa gleich großen Flächen, deren Stoßkante in senkrechter Richtung verläuft, wird dabei vom Bildverarbeitungssystem 1 als Markierung eines Pfostens interpretiert; eine Markierung 6b, wie sie in 13b dargestellt ist, wird dagegen vom Bildverarbeitungssystem 1 als Ecke interpretiert. Ein Fußballtor kann somit vom Bildverarbeitungssystem 1 sehr gut erkannt werden. Dem Fachmann ist klar, dass er die Farbgebung und/oder Struktur einer Markierung 6, 6a, 6b im Prinzip nach beliebigen eigenen Gesichtspunkten festlegen kann.
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14a zeigt zwei stangenförmige Markierungselemente 10, die am Boden einer Halle aufgestellt sind. Am oberen und unteren Ende der Stangen befindet sich jeweils eine Markierung 6, die im vorliegenden Fall jeweils aus einem senkrechten Strich besteht. Die Markierungen 6 der einzelnen Stangen zeigen aufeinander zu. Wird eine solche Anordnung aus zwei Markierungsstangen vom Bildverarbeitungssystem 1 erkannt, wird dies als eine senkrechte Fläche interpretiert, die sich zwischen den beiden Markierungsstangen erstreckt. Das System kann somit automatisch erkennen, ob beispielsweise eine Person oder ein Gegenstand, wie z. B. ein Ball, durch die Fläche hindurchgetreten ist oder nicht.
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In der vorstehenden Figurenbeschreibung wurde anhand mehrerer Beispiele ausführlich erläutert, wie bestimmte Strukturen (Linien, Flächen, Punkte, Polygonzüge etc.) markiert werden können, so dass sie als solche vom Bildverarbeitungssystem 1 erkannt werden. Durch eine Auswahl bestimmter Markierungselemente mit bestimmten Markierungen ist es möglich, dem Bildverarbeitungssystem verschiedenste Strukturen vorzugeben. Dem Fachmann ist klar, dass neben den dargestellten Markierungselementen gleichsam nahezu beliebige andere Markierungselemente eingesetzt werden und je nach Art der gewünschten Struktur mit einer Markierung versehen werden können.
