Warum ist Bildverarbeitung für Sportanwendungen so interessant?
15. März 2023 | Lesezeit: 3 min
Wenn Sportler gegeneinander antreten, ist oft Bildverarbeitung im Spiel, um Schiedsrichterentscheidungen zu überprüfen, Statistiken zu erstellen oder das Training effektiver zu gestalten. Denn mit hochauflösenden Bildern lassen sich Details erkennen, die für das menschliche Auge kaum sichtbar sind: Ob kleinste Veränderungen in der Körperhaltung, die exakte Flugbahn eines Balls oder minimale Abstände auf der Torlinie – Bildverarbeitungstechnologie macht den Sport fairer und spannender.
Warum und welche Bildverarbeitungslösungen für den Sport so interessant sind und wie das Projekt-Team von STEMMER IMAGING Kunden aus der Sportbranche genau unterstützen kann, erklärt Maurice Lingenfelder, Teamleiter Projektmanagement.
Maurice Lingenfelder, Teamleiter Projektmanagement
STEMMER IMAGING konnte in den letzten Jahren einen enormen Zuwachs an Kundenprojekten im nicht-industriellen Umfeld, insbesondere im Sport, verzeichnen. Warum ist Bildverarbeitung gerade für Sportanwendungen so interessant?
Die Digitalisierung und die damit einhergehende Sichtbarkeit und Teilbarkeit der Daten im Alltag wird für die Menschen zunehmend normal, besonders im Sport. Die Wenigsten gehen heutzutage eine Runde joggen, ohne dass sie mindestens Distanz, Zeit oder Puls aufzeichneten. Und für viele Nutzer ist es mittlerweile selbstverständlich geworden, solche Statistiken über die eigene Performance mit dem persönlichen Umfeld zu teilen. Gleichzeitig gibt es für sämtliche Sportarten den Drang nach immer neueren und besseren Statistiken über die Leistungen und das aktuelle Niveau der Sportler.
Die Bildverarbeitung spielt eine große Rolle dabei, diese Nachfrage an Daten zu befriedigen. Sie liefert preiswerte Möglichkeiten, automatisiert und zuverlässig an Informationen zu gelangen, für die es früher ganze Fernsehübertragungsteams oder Sportmediziner benötigt hätte.
Neben den wettbewerblichen Aspekten des Sports gibt es zunehmend aber auch eine Verknüpfung von Sport mit Entertainment. Der Sport wird durch Live-Tracking und Augmented Reality in speziellen Indoor-Anlagen gamifiziert.
Die Zielgruppe geht damit weit über den Sportler und seine persönliche Leistung hinaus, das soziale Event steht im Vordergrund. Und auch hier sind aufgenommene Daten als Grundlage für jede Auswertung unerlässlich. Solche Anlagen müssen deshalb mit Bildverarbeitungssensorik und passender Software ausgestattet werden.
Du hast gerade gesagt, dass Bildverarbeitung preiswert Möglichkeiten liefert, um automatisiert und zuverlässig an Informationen zu gelangen. Kannst Du uns das näher erläutern? Welche Möglichkeiten sind das zum Beispiel?
Eine typische Aufgabe in Anwendungen im Sportbereich ist z.B. das Tracken von Positionen von Sportlern oder Gegenständen (z.B. Bälle). Dafür braucht es wirklich nicht viel. Für eine Positionsbestimmung reicht im einfachsten Fall bereits eine einzelne Standard-2D-Flächenkamera mit Objektiv, Kabel und PC aus.
Und die Qualität und Sicherheit der gefundenen Positionen steigt mit der Hinzunahme weiterer, weniger Kameras schnell stark an. Dann braucht es eine leistungsstarke Software. Und auch das ist mit zunehmender Verfügbarkeit von passenden Trainingssets, bzw. neuronalen Netzen nicht mehr so aufwändig und kostenintensiv wie früher.
Wichtig an dieser Stelle zu erwähnen ist aber, dass auch die beste künstliche Intelligenz nur das auswerten kann, was an Daten in den Bildern tatsächlich da ist. Bei den Komponentenpreisen gibt es also durchaus Grenzen der Sinnhaftigkeit, die einem bewusst sein sollten. Zusätzlich ist die Zuverlässigkeit der Daten in vielen Anwendungen essenziell.
Man möge sich den Skandal vorstellen, dass Übertragungsfehler der Kameras im Fußball WM-Finale dazu führen, dass die Torlinientechnik im entscheidenden Moment versagt. Spätestens in einer Serienproduktion lohnt es sich also auf jahrelang erprobte Standards zu setzen. Und die kann die industrielle Bildverarbeitung bieten.
Unterscheidet sich die Herangehensweise an ein Kundenprojekt im nicht-industriellen Umfeld von der im industriellen Umfeld?
Im Gegensatz zum industriellen Umfeld, das bereits großflächig und seit vielen Jahren auf BV-Anwendungen zurückgreift, steht die Bildverarbeitung im nicht-industriellen Umfeld noch in den Startlöchern. Die konkrete Anwendung und der Startpunkt für eine gemeinsame Co-Entwicklung müssen erst identifiziert werden. Manchmal existiert lediglich eine grundlegende Vision im Kopf; manchmal gibt es schon funktionsfähige Prototypen, die mit unserer Hilfe dann für einen Serieneinsatz robust weiterentwickelt werden. Daher ist es noch wichtiger denn je, sich zu Anfang eines Projekts die Zeit zu nehmen, die benötigten Anforderungen mit den Kunden klar zu erfassen und ein gemeinsames und unter den Rahmenbedingungen realisierbares Ziel zu definieren.
Häufig sind es auch kleinere SW- oder KI-Unternehmen, die sich an solche neuen Themen wagen. Sie sind besonders auf eine breite Unterstützung im gesamten Ablauf eines Entwicklungsprojektes angewiesen, da ihnen einschlägige Erfahrungen oder Netzwerke in der Bildverarbeitung fehlen.
Ein deutlicher Trend ist daher, dass die Aufgaben in einer Co-Entwicklung klar verteilt sind. Unsere Kunden können sich darauf verlassen, dass wir ihnen ein vollständiges Subsystem zur Bildaufnahme aus einer Hand liefern, und sie sich vollständig auf ihre Kernkompetenz der Bildauswertung, Datengewinnung und Darstellung fokussieren können.
Bei der technischen Lösungsfindung für den Sports-Bereich muss auch die Tatsache berücksichtigt werden, dass Anwendungen fast immer mit hohen Stückzahlen verbunden sind; daher hat der Preis für das finale Produkt ein noch höheres Gewicht. Auch die Kompaktheit der finalen Subsysteme spielt in diesen Anwendungen eine wesentlich größere Rolle. Hier hilft es uns sehr, dass wir vor kurzem ein eigenentwickeltes Modular Embedded Board auf den Markt gebracht haben, das in vielen Sportanwendungen zum Einsatz kommen kann und die benötigte kompakte Bauform mit ausreichender Rechenpower für KI-Anwendungen verknüpft.
Kannst Du uns das Modular Embedded Board näher beschreiben?
Das Board basiert auf der leistungsstarken NVIDIA Jetson Hardware und bietet Plug-and-Play Effizienz für die schnelle Umsetzung von Embedded Vision und AI-Projekten. Es ist ausgestattet mit einem Tensor Core Grafikprozessor, der eine massive Beschleunigung ermöglicht.
Es ist vollständig GenICam-kompatibel, was eine umfassende Auswahl an Kameras für alle gängigen Schnittstellen wie GigE, USB oder MIPI ohne spezielle Programmierkenntnisse bedeutet.
Die integrierte TCP-Offload-Technologie entlastet den Prozessor und ermöglicht gleichzeitig maximale Leistung bei geringem Stromverbrauch. Das Board ist Teil unseres umfassenden Ecosystems STEMMER IMAGING Modular Embedded, das eine leistungsfähige Hardware-Auswahl mit den besten Software-Tools und individuellen Service-Paketen kombiniert.
Zu den Services unseres Projektteams gehören z.B. Anforderungsanalyse, Lösungsdesign, Machbarkeitsstudien, SW- oder HW-Entwicklung oder Produktionsplanung. Damit grenzen wir uns intern von der klassischen Komponentendistribution ab, bei der nur einzelne Zusatzleistungen angeboten werden.
Gibt es Beispiele aus dem Sportbereich, die Du mit Deinem Team umgesetzt hast?
Gemeinsam mit einem Kunden haben wir eine kompakte Sensoreinheit für Fußballstadien entwickelt, die aufbereitete, qualitativ hochwertige Videoaufnahmen von mehreren Kameras über eine Cloud an einen Host-Rechner sendet. Dieser wertet die Aufnahmen mit Hilfe von künstlicher Intelligenz aus, um Spielerstatistiken automatisiert zu generieren und diese unter anderem auch TV-Sendern zur Verfügung zu stellen.
Unsere Aufgabe bestand darin, eine Systemauslegung zu entwerfen, die eine optimale Auswahl, Anzahl und Ausrichtung der Bildverarbeitungskomponenten enthält, um die gewünschten Anforderungen abdecken zu können. Die Bildaufnahme der einzelnen Kameras musste synchronisiert erfolgen und die Einstellungen der Kamera und des Objektivs wie Belichtungszeit und Schärfe mussten je nach Wetter und Tageslicht automatisch angepasst werden. Eine Kommunikationsschnittstelle zur Ersteinrichtung der Kameras per Remote war gewünscht, da die Einheit schwer zugänglich am Dach angebracht wurde.
Die Kameraeinheit selbst benötigte ein integriertes Auswertemodul, damit die Aufnahmen vor dem Transfer zum Host vorprozessiert, aufbereitet und komprimiert werden konnten, um eine Übertragung in Echtzeit zu gewährleisten. Hier hat unser Embedded Board große Vorteile geliefert. Design und Fertigung eines passenden Gehäuses hat ein Partner von uns übernommen. Die Beschaffung aller Komponenten, sowie Montage, Konfigurationen, Ausgangstests, Beschriftungen, etc. sind dann aber wieder Dienstleistungen, die wir für den Kunden anbieten konnten.
Zum Schluss ein Ausblick in die Zukunft: Was glaubst Du, wo wird die Reise hingehen in Sachen Bildverarbeitung im Sport-Umfeld?
Ich bin davon überzeugt, dass die Kombination von günstiger und kompakter BV-Sensorik und sich stetig verbessernden KI-Algorithmen dazu führen wird, dass alles, was im Profisport und durch Fernsehübertragungen bereits bekannt ist, auf die ein oder andere Art später auch dem Hobbysportler in entsprechender Form zur Verfügung gestellt wird.
Cloud-Videoübertragungen und Live-Statistiken aus dem Amateursport werden dazu führen, dass interessierte Großeltern das Kreisligaspiel ihres Enkels problemlos live aus 1000 km Entfernung verfolgen können. Gewinnerschläge vom Tennismatch mit meinem Vereinskollegen werde ich vergrößert und in Zeitlupe direkt im Anschluss auf meinem Handy abspielen können.
Oder ich werde von meinem letzten Skiurlaub ein interaktives 360°-Bild aus dem Funpark mit meinen Freunden teilen. All diese Liefestyle-Themen können durch die Bildverarbeitung jedem mit akzeptablen Preisen zugänglich gemacht werden.
Gleichzeitig wird der Profisport Innovationstreiber bleiben und immer weitere Daten anfordern, um sich Wettbewerbsvorteile verschaffen zu können. Ich bin mir sicher, da können wir noch viele überraschende Anwendungen und Innovationen erwarten. Und wir freuen uns darauf, unseren Teil dazu beizutragen, solche Ideen über gemeinschaftliche Entwicklungsprojekte in die Realität umzusetzen.
White paper
Big Data and Artificial Intelligence applied to Sport
Künstliche Intelligenz und Big Data sind große Zukunftsthemen, über deren Potenzial und Einsatzmöglichkeiten viel diskutiert wird. Erfahren Sie, wie diese Trends den Sport revolutioniert haben und welche Rolle Bildverarbeitung dabei spielt.
