WO2003033091A2 - Verfahren und vorrichtung zur echtzeitlokalisierung von personen und spielgerät bei mannschaftssportarten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur echtzeitlokalisierung von personen und spielgerät bei mannschaftssportarten Download PDF

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WO2003033091A2
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Norbert Dahmen
Zdenko Dimic
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RHINE-TEC Gesellschaft für virtuelle Instrumentierung mbH
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    • G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/75—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors
    • G01S13/751—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal
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    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location

Definitions

  • the present invention relates to the planning, implementation, observation, analysis and recording and reproduction of the movement sequences (temporal and spatial-geometric positions) of players (including the referee) in typical team sports such as e.g.
  • the present invention relates in particular to the temporal and spatial / geometric recognition as well as electronic recording and online representation of the position sequence of each player, including the game object (ball, puck, etc.).
  • Accurate detection of the positions of the players or the gaming device is useful in several ways. On the one hand, an accurate game analysis for training and documentation purposes is made possible. On the other hand, critical game decisions, such as the application of the sales rule in football, can be decided much more reliably than would be possible by referees and line judges.
  • moving images of the playing field - generally from different perspectives - are created by means of electronic cameras, from which the exact positions of the players and of the players can then be generated using methods of image processing Object to be analyzed.
  • the individual players are usually differentiated from one another on the basis of different distinguishing features - for example, faces or shirt numbers. However, this task places the highest demands on both the image processing hardware and the software.
  • reliable detection of the individual positions is not possible in all situations, for example in duel situations or in unfavorable visibility conditions due to weather or smoke from fireworks in stadiums. In such situations, however, a reliable position analysis is particularly urgently needed.
  • the object of the invention is to improve a method or a device of the type mentioned at the outset in such a way that more reliable detection is achieved with less hardware and software expenditure.
  • the system is able, according to specifications (game rules) certain game situations - such as the offside situation in football, goal-out or side-out in football - to be recognized automatically. This applies in particular if the gaming device (eg the ball) is in the air (in flight) at the time of the event under consideration.
  • game rules game rules
  • the system is able at any time based on the knowledge of the exact positions of all players and the ball and their distance vectors to one another, e.g. to differentiate between the passive and active offside situation and to react accordingly (passive offside -> warning, active offside -> alarm).
  • the playing field is covered with an imaginary coordinate network and, as a result, the field is virtually digitized.
  • a recorded game can be played back along the time axis at any time (also step by step), so that the (subsequent) analysis by the trainer and team allows the relevant (game-determining) moves to be considered and new game strategies to be developed.
  • the system serves in particular as a generally applicable training aid in the training of players for team sports, in particular football, hockey, etc. It can be used particularly efficiently for planning and testing moves by replaying with direct control or observation on the edge of the field or in the Hall (training or classroom) and comparison with the planned course of the game.
  • the system has decisive advantages over camera systems or visual observation systems: + The system is much more precise than known camera systems with much less effort.
  • the player positions are recorded and displayed or displayed in the top view of the field, i.e. without geometric distortion (representation as usual during training and when planning the turn strategies).
  • the position detection is robust (fault-tolerant) against foreign objects lying on the field.
  • the system can be set up or operated both mobile (as self-calibrating with regard to the playing field dimensions) and permanently installed.
  • the system allows a high fault tolerance through multiple location / localization of every moving object and a special compensation algorithm.
  • the sensors are essentially based on (inexpensive) transponder technology for the identification of every moving object and on the location receivers for microwave distance measurement, which are set up on the edge of the playing field (stationary, e.g. in the corner flag poles near the soccer field).
  • the system preferably includes algorithms for playing field configuration and automatic playing field measurement.
  • the system also preferably includes algorithms for interactive team configuration (team editor).
  • the system preferably comprises a device for recognizing a player change (player exchange or player substitution and the associated day change).
  • the object tags are preferably implemented as a foil transponder with an integrated microprocessor and microwave antenna and can be easily integrated into the back number of the player's jersey as well as preferably into the game shoes.
  • the data can be used to overlay the situation parallel to the action replay in television broadcasts of team games.
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of a receiving device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a basic illustration of the computer architecture;
  • Figure 4 is a schematic representation of an alternative position determination arrangement.
  • the measuring arrangement and the principle of the localization calculation are explained below with reference to FIG. 1 using the example of a soccer field.
  • the RFID tag emits a response to the signals from the RFID loc receivers.
  • the distances d SA to d SB can be determined from signal processing of the response signals (see below).
  • the position of the object x s (t i ) or y s (t i ) at the time t L is calculated based on this as follows:
  • the RFID tags are preferably in the form of a film or plastic chip (for example in half a credit card format) consisting of a microcontroller chip, RAM and EEPROM as well as an HF / microwave interface and antenna.
  • the receiver antennas are equipped with so-called RFCs (Receive Station
  • Controllers These control an RF signal output for tag excitation and receive a TX signal for recognizing the tag IDs and for running time measurement t d , by means of which the
  • all RSCs are connected via a LAN or a fieldbus system (e.g. field point) to an RTLS computer (Real Time Locating System) which is used for playing field representation, the representation of player positions, the recording and detection of special game situations (e.g. offside football).
  • RTLS computer Real Time Locating System
  • the actual application software runs on the RTLS computer.
  • the various RSCs can also be combined to form an RSC cluster.
  • the antennas are then preferably connected to the RSC cluster via a (microwave) multiplexer.
  • RSC cluster e.g. a PXI system (19 "rack system) can be used.
  • rack system e.g. the RTLS computer can also be integrated into the PXI system.
  • the antennas and the RFID tags (which have to be implemented especially for the distance measurement) all components can be realized on the basis of standard components.
  • the individual RFID tags are addressed individually in time-division multiplexing and the respective responses to runtime measurement are evaluated.
  • the RFID tags can also be localized in the space division multiplex method by scanning using rapidly rotating receiver antennas using the cross-direction finding method (cf. FIG. 4). This has the advantage that the playing field is covered to a certain extent by a network of cross-bearing points and the location can be achieved by simple event detection.
  • the required rotation of the antennas can be achieved either by a mechanical drive or by an electronic simulation of the rotation using a multiplexed antenna array.
  • the receivers In addition to arranging the receivers in the corner flags, they can also e.g. sunk or buried at any position in the field or arranged above the field (e.g. on a hall ceiling).

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Planung, Durchführung, Beobachtung, Analyse sowie Aufzeichnung und Wiedergabe der Bewegungsabläufe von Spielpersonen bei typischen Mannschaftssportarten. Hierzu weisen die Spielpersonen und die Spielobjekte (z.B. ein Fussball) Sender (S) auf, deren Signale mittels ortsfester Empfangseinrichtungen (A...F) empfangen und hieraus die Positionen der Spielpersonen und Spielobjekte bestimmt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Echtzeitlokalisierung von Personen und Spielgerät bei MannschaftsSportarten
Die vorliegende Erfindung betrifft die Planung, Durchführung, Beobachtung, Analyse sowie Aufzeichnung und Wiedergabe der Bewegungsabläufe (zeitlich und räumlich-geometrische Positionen) von Spielpersonen (einschließlich der Schiedsrich- ter) bei typischen Mannschaftssportarten wie z.B.
+ Fußball,
+ (Feld-) Handball
+ Hockey
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die zeitlich und räumlich/geometrische Erkennung sowie elektronische Aufzeichnung und Online-Darstellung der Positionsabfolge jedes Spielers einschließlich des Spielgegenstandes (Ball, Puck etc. ) .
Eine genaue Erkennung der Positionen der Spieler bzw. des Spielgeräts ist unter mehreren Aspekten nützlich. Zum einen wird eine genaue Spielanalyse zu Trainings- und Dokumentati- onszwecken ermöglicht. Zum anderen können kritische Spiel- entscheidungen, wie z.B. die Anwendung der Absatzregel beim Fußball, wesentlich zuverlässiger entschieden werden, als dies durch Schiedsrichter und Linienrichter möglich wäre. Bei bekannten Ansätzen zur Erkennung der Positionsabfolge von Spielern werden mittels elektronischer Kameras bewegte Bilder des Spielfeldes — in der Regel aus verschiedenen Perspektiven — erstellt, aus denen dann mit Methoden der Bildverarbeitung die genauen Positionen der Spieler und des Spielgegenstandes analysiert werden. Dabei werden die einzelnen Spieler in der Regel anhand verschiedener Unterscheidungsmerkmale — z.B. der Gesichter oder anhand von Rückennummern - voneinander unterschieden. Diese Aufgabe stellt jedoch höchste Anforderungen sowohl an die Bildverarbeitungshardware als auch an die Software. Trotz großen Aufwands ist eine zuverlässige Erkennung der einzelnen Positionen nicht in allen Situationen möglich, beispielsweise in Zweikampfsituationen oder bei ungünstigen Sichtverhältnissen bedingt durch Witterung oder Rauch von Feuerwerkskörpern in Stadien. Gerade in derartigen Situationen wird jedoch eine zuverlässige Positionsanalyse besonders dringend benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass mit geringerem Hard- und Softwareaufwand eine zuverlässigere Erkennung erreicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 2. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Echtzeit-Positionserkennung bzw. -ortung der Spielperso- nen erfolgt bevorzugt nach einem speziellen Verfahren, das RFID- und RTLS-Konzepte in geeigneter Weise kombiniert (RFID = Radio Frequency IDentification, RTLS = RealTime Locating System) .
Dies erlaubt eine Echtzeit-Funkortung und eine Echtzeit-Entfernungsmessung für frei bewegliche Objekte.
Das System ist in der Lage, nach Vorgabe (Spielregeln) bestimmte Spielsituationen - wie z.B. die Abseitssituation beim Fußball, Tor-Aus oder Seiten-Aus beim Fußball - selbsttätig zu erkennen. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn sich das Spielgerät (z.B. der Ball) zum betrachteten Ereigniszeitpunkt in der Luft (im Flug) befindet.
Das System ist zu jedem Zeitpunkt aufgrund der Kenntnis der exakten Positionen aller Spieler und des Balls und deren Abstandsvektoren zueinander in der Lage, z.B. beim Fußballspiel zwischen der passiven und aktiven Abseitssituation zu unterscheiden und entsprechend zu reagieren (passives Abseits —> Warnung, aktives Abseits —> Alarm).
Im Rahmen der Erfindung wird das Spielfeld mit einem imaginären Koordinatennetz überzogen und damit quasi eine Digitalisierung des Feldes erreicht.
Ein aufgezeichnetes Spiel kann jederzeit (auch einzelschrittweise) entlang der Zeitachse wieder abgespielt werden, so dass im Sinne der (nachträglichen) Analyse durch Trainer und Mannschaft die interessierenden (spielentscheidenden) Spielzüge betrachtet werden und neue Spielzug- Strategien entwickelt werden können.
Das System dient insbesondere als allgemein anwendbare Trai- ningshilfe bei der Ausbildung von Spielern für Mannschafts- sportarten, insbesondere Fußball, Hockey etc. Es kann besonders effizient zur Planung und Erprobung von Spielzügen durch Nachspielen bei direkter Kontrolle bzw. Beobachtung am Spielfeldrand bzw. in der Halle (Trainings- oder Unter- richtsraum) und Vergleich mit dem geplanten Spielzugverlauf eingesetzt werden.
Das System weist gegenüber Kamerasystemen bzw. visuellen Beobachtungssystemen entscheidende Vorteile auf: + Das System ist bei wesentlich geringerem Aufwand wesentlich genauer als bekannte Kamerasysteme.
+ Die Spielerpositionen werden in der Draufsicht des Spielfeldes, also ohne geometrische Verzerrung, erfaßt und eingeblendet bzw. dargestellt (Darstellung wie beim Training und bei der Planung der Spielzugstrategien üblich) .
+ Es gibt keine (geometrischen) Verzerrungen, wie sie durch die Kamera- oder Standortperspektive bei kamerabasierten Systemen üblich sind und die zu Fehlinterpretationen der Spielsituation seitens der Beob- achter (aber auch seitens der mitbewegten Schiedsrichter) führen können.
+ Das System ist funktionsbedingt in viel größerem Maße witterungsunabhägig als Kamerasysteme.
+ Die Positionserkennung ist robust (fehlertolerant) gegenüber Fremdkörpern, die auf dem Spielfeld liegen.
+ Die Objektlokalisierung ist überdies auch bei Flut- lichtspielen mit ausgeprägten Schattenwürfen der Objekte gewährleistet. Eine optisch-visuelle Objektlokalisierung ist unter diesen Bedingungen sonst nur mit allergrößtem Aufwand möglich.
+ Die Objektlokalisierung erfolgt auch dann noch korrekt, wenn aus Sicht eines Kamerasystems sich Spieler gegenseitig abschatten. + Das System ist um Größenordnungen kostengünstiger und damit preiswerter als ein auf Kamerasystemen basierendes System zu realisieren.
+ Das System kann sowohl mobil (da selbstkalibrierend hinsichtlich der Spielfeldabmessungen) als auch festinstalliert aufgebaut bzw. betrieben werden.
+ Das System erlaubt eine hohe Fehlertoleranz durch Mehrfachortung / -lokalisierung jedes bewegten Objektes und eine spezielle Ausgleichsalgorithmik.
+ Die Sensorik basiert wesentlich auf einer (preiswerten) Transponder-Technologie zur Identifikation jedes bewegten Objektes und auf den am Rande des Spielfeldes (ortsfest, z.B. in den Eckfahnenstangen beim Fußballfeld) aufgestellten Ortungsempfängern zur Mikrowellen-Distanzmessung.
+ Sichere Objektidentifikation durch eineindeutige ID- Nummerncodierung (Objektadressen) .
+ Simultane Beobachtung von 30 Objekten (Spielern,
Schiedsrichter, Linienrichter, Spielgerät) bei einer zeitlichen Auflösung von weniger als 300 Mikrosekun- den pro Objekt und einer räumlich / geometrischen
Auflösung von weniger als 0,2 m möglich.
+ Das System umfasst bevorzugt Algorithmen zur Spiel- feld-Konfiguration und automatischen Spielfeldvermessung. + Das System umfaßt weiterhin bevorzugt Algorithmen zur interaktiven Mannschafts-Konfiguration (Mannschafts- Editor) .
+ Das System umfaßt bevorzugt eine Einrichtung zur Erkennung eines Spielerwechsels (Spieleraustausch bzw. Spielereinwechselung und dem damit verbunden Tag- Wechsel) . i + Die Objekt-Tags sind bevorzugt als Folientransponder mit integriertem Mikroprozessor und Mikrowellenantenne realisiert und können sehr leicht sowohl in die Rückennummer des Spielertrikots wie auch bevorzugt in die Spielschuhe integriert werden.
+ Im Rahmen der Auswertung der Positionsdaten können weiterhin Internetoptionen zur (Online-)Beobachtung realer Spiele für Sportinteressierte vorgesehen sein. Hierzu kann eine spezielle Browsersoftware zum Down- load und Abspielen von aktuellen und historischen Spielen vorgesehen sein.
+ Weiterhin können die Daten zur Situationseinblendung parallel zum Action-Replay bei Fernsehübertragungen von Mannschaftsspielen eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze des Messaufbaus und des Auswer- tungsprinzips ;
Figur 2 eine Detaildarstellung einer Empfangseinrichtung gemäß Figur 1 ; Figur 3 eine Prinzipdarstellung der Rechnerarchitektur; und
Figur 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Positionsbestimmungsanordnung.
Anhand von Figur 1 wird nachfolgend die Messanordnung und das Prinzip der Lokalisierungsrechnung (Signalprozessor) am Beispiel eines Fußballfeldes erläutert. An den Positionen der Eckfahnen A, B, C, D eines Fußballfeldes befinden sich vier RFID-Loc-Receiver (vgl. auch Figur 2); ein Spieler oder ein Spielobjekt weist jeweils ein RFID-Tag auf. Auf die Signale der RFID-Loc-Receiver strahlt das RFID-Tag eine Ant- wort aus. Aus einer Signalverarbeitung der AntwortSignale (siehe unten) können jeweils die Distanzen dSA bis dSB bestimmt werden. Die Position des Objektes xs(ti) bzw. ys(ti) zum Zeitpunkt tL berechnet sich darauf basierend wie folgt:
Figure imgf000009_0001
dz +cz -d2 cos(ä)= SD sc
2 dSD -c oder auch gleichwertig 2- s : = c + dsc + dSD (Umfang)
Figure imgf000009_0002
(s-dsc)is- c) ■1 s <s -dSD)
Figure imgf000009_0003
Die Winkelsumme ist 180° und sollte stets überprüft werden. Die RFID-Tags sind bevorzugt als Folie oder Kunststoffchip (z.B. im halben Scheckkartenformat) bestehend aus einem Mi- krocontrollerchip, RAM und EEPROM sowie HF-/Mikrowellen- Interface und Antenne ausgebildet.
Die Empfängerantennen sind mit sog. RFCs (Receive Station
Controllern) verbunden. Diese steuern eine RF-Signalausgabe zur Tag-Anregung und empfangen ein TX-Signal zur Erkennung der Tag-IDs und zur LaufZeitmessung td, mittels derer der
Abstand dSA = h * td * c zum jeweiligen Tag bestimmt werden kann (td = Laufzeit des Mikrowellensignals, c = Lichtgeschwindigkeit) .
Gemäß Figur 3 sind alle RSCs über ein LAN bzw. ein Feldbussystem (z.B. Field Point) mit einem RTLS-Computer (Real Time Locating System) verbunden, der für die Spielfelddarstellung, die Darstellung der Spielerpositionen, die Aufzeichnung und Erkennung spezieller Spielsituationen (z.B. Abseits beim Fußball) zuständig ist. Auf dem RTLS-Computer läuft die eigentliche ApplikationsSoftware .
Die verschiedenen RSCs können auch zu einem RSC-Cluster zusammengefaßt werden. Die Antennen werden dann bevorzugt über einen (Mikrowellen- )Multiplexer mit dem RSC-Cluster verbunden.
Zur Realisierung eines RSC-Clusters kann z.B. auf ein PXI- System (19"-Einschub-System) zurückgegriffen werden. Auf diese Weise kann auch der RTLS-Computer in das PXI-System integriert werden.
Bis auf die RSCs, die Antennen und die RFID-Tags (die speziell für die Abstandsmessung realisiert werden müssen) können alle Komponenten auf der Basis von Standardkomponenten realisiert werden.
Die einzelnen RFID-Tags werden individuell im Zeitmultiplex- verfahren angesprochen und die jeweiligen Antworten zur LaufZeitmessung ausgewertet.
Alternativ kann die Lokalisierung der RFID-Tags auch im Raummultiplexverfahren durch Abscannen mittels schnell ro- tierender Empfängerantennen im Kreuzpeilverfahren erfolgen (vgl. Figur 4). Dies hat den Vorteil, dass das Spielfeld gewissermaßen von einem Netz von Kreuzpeilpunkten überzogen ist und die Lokalisierung durch einfache Ereignisdetektion erfolgen kann.
Die erforderliche Rotation der Antennen kann entweder durch einen mechanischen Antrieb oder über eine elektronische Simulation der Rotation mittels eines gemultiplexten Antennen- arrays bewirkt werden.
Neben der Anordnung der Empfänger in den Eckfahnen können diese auch z.B. im Spielfeld an beliebigen Positionen versenkt oder vergraben oder oberhalb des Spielfeldes (z.B. an einer Hallendecke) angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Echtzeitlokalisierung von Personen und/oder einem Spielgerät bei Mannschaftssportarten, gekennzeichnet durch
eine Sendeeinrichtung oder mehrere Sendeeinrichtungen (S1...Sn), die einer oder mehreren Personen und/oder dem Spielgerät jeweils zugeordnet ist bzw. sind,
dem Spielfeld ortsfest zugeordnete Empfangseinrichtungen (A...F) zum Empfang der Signale der Sendeeinrichtung bzw. der Sendeeinrichtungen, und
eine Auswertungseinheit, die durch eine Analyse der von den Empfangseinrichtungen enthaltenen Signale die Position der Personen und/oder des Spielgeräts bestimmt.
2. Verfahren zur Echtzeitlokalisierung von Personen und einem Spielgerät bei Mannschaftssportarten, dadurch gekennzeichnet, dass die Personen und das Spielgerät mit kodierten Hochfrequenzsendern ( S1. . . Sn) versehen und die aktuellen Positionen durch ortsfest im Spielfeldbereich angeordnete und miteinander synchronisierte Ortungsempfänger (A...F) erfasst und von einem angeschlossenen Rechner berechnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der empfangenen Signale - vorzugsweise trägerlos moduliert - miteinander verglichen und aus den Relationen die jeweiligen Positionen berechnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung durch eine Kreuzpei- lung erfolgt, wobei die Empfangsantennen (A...F) schnell rotierend angeordnet und mit einem Absolut- oder Inkrementalmesswertgeber gekoppelt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung durch eine Kreuzpeilung erfolgt, wobei eine simulierte Rotation der Emnpfangsantenne durch eine gemultiplexte Abfrage eines entsprechend ausgebildeten Antennenarrays erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung gemäß dem Prinzip der Funkortung erfolgt, wobei die Empfangsantennen (A...F) als Kreuzdipole ausgebildet sind und die Position aus dem Verhältnis der Maxima oder Minima berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass jeder Sender im Multiplexverfahren kurzzeitig aktiviert wird.
PCT/DE2002/003825 2001-10-12 2002-10-11 Verfahren und vorrichtung zur echtzeitlokalisierung von personen und spielgerät bei mannschaftssportarten WO2003033091A2 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005027886A1 (de) * 2005-06-09 2006-12-21 Abdelhak Sifeddine Verfahren und Einrichtung zur Sicherung zutreffender Entscheidungen bei Sportwettbewerben
WO2007006083A1 (en) * 2005-07-08 2007-01-18 Ian Alexander Mackay A game

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