Badminton Smash Speed
Echtzeit Geschwindigkeitsmessung von Badminton-Schmetterbällen in einem laufenden Spiel
Finanziert durch die Hasler Stiftung (2011-2012).
Projektziele
Im Gegensatz zu internationalen Tennisturnieren gibt es bei entsprechenden Badmintonturnieren keine Badminton-Shuttle Geschwindigkeitsmessungen, welche für die Zuschauer eine zusätzliche Bereicherung darstellen. Im Rahmen dieses Projektes soll eine geeignete Technik entwickelt werden, welche diese Lücke zu schliessen vermag.
Die Anforderungen an eine solche Geschwindigkeitsmessung lassen sich in zwei Hauptpunkte zusammenfassen: In erster Linie dürfen die Spieler und das Spiel nicht beeinträchtigt werden und in zweiter Linie sollen die Zuschauer möglichst schnell und möglichst korrekt über die Shuttle-Geschwindigkeit informiert werden.
Ausgangslage
Eine Geschwindigkeitsmessung in Badminton ist mit verschiedenen Schwierigkeiten konfrontiert. Die im Tennis verwendete Radartechnik zur Messung der Aufschlagsgeschwindigkeit ist in Badminton nur bedingt einsetzbar, da im Gegensatz zu Tennis die Geschwindigkeit von Smashs von Interesse sind, welche irgendwo im Spielfeld und irgendwann im Verlauf des Spiels auftreten können. Die dazu notwendige, frontale Fokussierung des Shuttles ist somit im normalen Spielablauf kaum realisierbar.
Um die Zuschauer möglichst schnell und mit aktuellem Bezug zum Smash über die Geschwindigkeit informieren zu können, ist es notwendig, dass die Geschwindigkeitsmessung in beinahe Echtzeit, d.h. innerhalb von zwei Sekunden erfolgen kann.
Resultate
Für die Shuttle-Detektion haben wir eigene funktionstaugliche und sehr effiziente Algorithmen entwickelt und diese sowohl in der PC-Software entwickelt. Da wir nicht davon ausgehen durften, dass wir alle Bilder zwischen dem Bildeintritt des Shuttles am oberen Bildrand und dem Schlag zur Verfügung haben, mussten wir wesentlich mehr Aufwand treiben, um den Shuttle möglichst präzise lokalisieren zu können; was uns aber gelungen ist. Sobald der Shuttle im Bild detektiert ist, lässt sich aus der Bildgrösse des Shuttles der Abbildungsmassstab bestimmen und zusammen mit der Bildrate der Kamera und dem Bewegungsvektor des Shuttles im Bild die Geschwindigkeit berechnen. Da der Bewegungsvektor in der Bildebene bestimmt wird, ist er nur zweidimensional. Die damit ermittelte Geschwindigkeit entspricht somit nicht genau der realen Shuttle-Geschwindigkeit, sondern nur der projizierten Shuttle-Geschwindigkeit. Um die wirkliche Shuttle-Geschwindigkeit berechnen zu können, bedarf es zusätzlicher Tiefeninformation. Dazu muss aus der Bildgrösse des Shuttles und den Abbildungseigenschaften der verwendeten Kamera inklusive Objektiv die räumliche Distanz zwischen Kamera und Shuttle berechnet werden. Aus diesen räumlichen Distanzen lassen sich dann der räumliche Flugweg und somit auch die wirkliche Geschwindigkeit des Shuttles rekonstruieren.
Die Genauigkeit der Distanzmessung hängt also wesentlich von der Genauigkeit der Grössenmessung des Shuttles im Bild ab. Infolge der starken Verformungen des Shuttles unmittelbar nach dem Schlag ist eine solche Grössenmessung nicht immer mit gleicher Qualität möglich. Erschwerend kommt hinzu, dass infolge der hohen Shuttle-Geschwindigkeit nur wenige relevante Einzelbilder nach dem Schlag zur Verfügung stehen und dass aus den daraus gemessenen Shuttle-Grössen möglichst exakt die räumliche Flugbahn interpoliert werden muss. Dabei führen kleinste Messabweichungen rasch zu einem Geschwindigkeitsmessfehler von +/- 10%.
Tests an Badminton Swiss Open 2011 – 2013
An den Badminton Swiss Open 2011, 2012 und 2012 testeten wir unsere Software laufend, überarbeiteten sie und präsentierten in den Finalspielen am Sonntag auch erste Messresultate den Zuschauern. 2012 stiess die Geschwindigkeitsmessung noch auf verhaltenes Interesse, was primär damit zusammenhing, dass wir die gesteckten Ziele noch nicht erfüllten konnten. Infolge der fehlenden automatischen Bildauslösung in der Kamera, mussten wir die Kamera manuell auslösen und dadurch eine wesentlich grössere Anzahl Bilder zum Computer übertragen. Mit etwas Übung waren wir zwar in der Lage, in einer Sequenzlänge von 0.2 Sekunden (100 Bilder) die für die Geschwindigkeitsmessung relevanten Bilder einzufangen. Bis zur Anzeige der Geschwindigkeit verstrichen dann jedoch bis zu 10 Sekunden, anstatt der erhofften zwei Sekunden. Dadurch war die Geschwindigkeitsmessung nur noch bei einem Ballwechsel mit abschliessenden Smash aussagekräftig.
An den Swiss Open 2013 stellten wir auf eine Streaming-Lösung basierend auf AOS PROMON um. Durch Reduktion der Framerate von 500 auf 300 fps und infolge der geringeren Lichtempfindlichkeit des Kamerasensors einer Erhöhung der Belichtungszeit von 0.15 auf 0.5 ms waren wir nun in der Lage, die Bilder in Echtzeit an einen handelsüblichen PC zu übertragen, die Geschwindigkeit zu ermitteln und auf einem Display in Echtzeit anzuzeigen.
Fazit
Eine Belichtungszeit von 0.5 ms bewirkt eine grössere Bewegungsunschärfe gegenüber einer Belichtungszeit von 0.15 ms und führt somit zu einer verminderten Bildqualität. Diese ist vor allem bei schnellen Schmetterbällen offensichtlich und erschwert die Federballerkennung und die genaue
Bestimmung der Grösse und Position. Dadurch leidet auch die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung. Reduziert man die Belichtungszeit, so reduziert sich
zwar die Unschärfe, aber die Sichtbarkeit des Federballs oder Teile davon reduzieren sich auch. Dadurch nimmt die Erkennungsrate von knapp über 90 %, welche im System von 2012 noch vorhanden war, stark ab.
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