Fußball durch die Augen des Computers

Fußball im Fernsehen: Ein Pass nach links außen, eine Lücke in der Verteidigung, ein freistehender Stürmer kurz vor dem Strafraum. Plötzlich friert das Fernsehbild ein. Linien und Diagramme erscheinen zwischen den Spielern. Ein Pfeil zeigt einen sicheren Pass zu dem freien Stürmer an, weitere Linien signalisieren dessen Schussfeld aufs Tor. Grafische Analysen wie diese sind aus Fußballübertragungen nicht mehr wegzudenken. Sie helfen, das Spiel in seiner Dynamik und Taktik zu verstehen und die Entscheidungen der Spieler nachzuvollziehen. Hinter den Kulissen bedeuten sie aber zunächst einmal viel Arbeit. Das Fernsehteam muss die Grafiken live während des Spiels unter Zeitdruck erstellen. Bis die Diagramme fertig sind, ist die Spielsituation längst vorbei, so dass die Grafiken typischerweise im Nachhinein als Rückblenden eingespielt werden. Wie einfach wäre es, wenn all dies von selbst ginge, wenn der Fernseher all diese Grafiken ohne Zeitverzug selbst einblenden könnte? Informatiker der Universität Konstanz machen nun genau dies möglich: Sie entwickeln eine Software, die all diese Arbeitsschritte automatisiert. Die Konstanzer Software analysiert das Spielgeschehen bis zu 30 mal pro Sekunde und blendet die entscheidenden Diagramme live und ohne Zeitverzug direkt ins Fernsehbild ein. Sie ist unter anderem in der Lage, Dominanzbereiche der Mannschaften im Spielfeld anzuzeigen und Passmöglichkeiten in Echtzeit einzublenden. Sie signalisiert, wie stark einzelne Spieler unter Druck gesetzt werden, und ist sogar in der Lage, Was-wäre-wenn-Szenarien von alternativen Spielverläufen durchzuspielen.

Der Kopf hinter dieser Software ist Manuel Stein, Informatiker und Doktorand an der Universität Konstanz im Forschungsbereich „Collective Behaviour“ (Kollektivverhalten). Mit seiner Software will er einerseits Fußballanalysten die Arbeit erleichtern, andererseits die Muster eines Fußballspiels sichtbar machen – die wechselseitigen Einflüsse und Interaktionen zwischen den Spielern und Mannschaften. „Jeder versucht, Daten im Fußball zu sammeln, aber kaum einer weiß, was er damit anfangen soll. Wir versuchen, Wissen daraus zu generieren“, schildert Manuel Stein.

Dem Computer Fußball beibringen

Um den Computer zum Spielfeld-Analytiker zu machen, muss Manuel Stein ihm aber zunächst einiges über Fußball beibringen. Nicht die Regeln, auch nicht Mannschaftsnamen oder Tabellenplätze, sondern ein sehr viel grundlegenderes Unterscheidungsvermögen: Was auf dem Fernsehbild ist ein Spieler, was ist der Ball? Wohin schaut der jeweilige Spieler, wie schnell bewegt er sich, wie rasch könnte er beim Ball sein? Bis zu 30 mal pro Sekunde ermittelt der Computer die Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung jedes einzelnen Spielers sowie des Balls. Auf dieser Grundlage berechnet er nun für jeden Quadratmeter des Spielfelds, welcher Spieler dort zuerst sein könnte und wie viele Feldspieler jeder Mannschaft diesen Punkt bedrohen. Sein Ergebnis legt er im Bruchteil einer Sekunde als Diagramm über das laufende Fernsehbild: Eine dynamische, sich stets wandelnde Karte der Einflusszonen jeder Mannschaft. Durch einfache Farbsignale zeigt Manuel Steins Software unter anderem, wie stark jeder Spieler von der gegnerischen Mannschaft bedroht ist, wo Freiräume sind und wo sich sichere Pässe anbieten. Für all dies sind weder GPS-Sender an den Trikots der Spieler nötig, noch komplizierte Techniken der Kamera-Erfassung. Alles, was Manuel Stein braucht, ist das bloße Fernsehbild.

Intelligente Filter

Mit all diesen Farbsignalen kann ein Spielfeld schnell sehr bunt werden. Damit der Zuschauer nicht Gefahr läuft, „den Wald vor lauter Bäumen nicht zu sehen“, lassen sich die verschiedenen Analysefunktionen separat an- und ausschalten und als Filter übereinanderlegen. Die intelligente Software macht zudem Vorschläge, welche Filter in der aktuellen Situation sinnvoll sind, und schaltet sie auf Wunsch auch automatisiert zu oder ab, um das Spielgeschehen übersichtlich zu halten.

An den Fernsehzuschauer auf dem heimischen Sofa richtet sich die Software jedoch nur sekundär. Als Zielgruppe hat Manuel Stein vielmehr Fußballanalysten und Sportjournalisten im Blick. Ihnen erlaubt die Software, Diagramme von Spielsituationen im Bruchteil von Sekunden zu erstellen und diese ohne Zeitverlust als Fernsehbild aufzubereiten.

Was wäre wenn?

Aktuell arbeitet Manuel Stein an einer „Was-wäre-wenn“-Analyse – einer Prognose, wie das Spiel unter anderen Bedingungen verlaufen wäre – auf Grundlage seiner Software. In dieser Funktion können Schlüsselsituationen eines Spiels aufgerufen und in alternativen Szenarien neu abgespielt werden. Der Computer berechnet dabei auf Grundlage der Positionsdaten und Einflussfaktoren jedes Spielers einen schlüssigen, realistischen Verlauf des Szenarios. Was wäre geschehen, wenn der Spieler den Ball nach rechts und nicht nach links gepasst hätte? Wie hätte sich die Dynamik des Spielfelds verändert, wenn ein Verteidiger fünf Meter weiter rechts gestanden hätte? Wie hätte sich eine Mannschaft optimal positionieren können, um dem Gegner keinen Raumgewinn zuzulassen? Diese Analyse-Tools sind mit Sicherheit auch für Trainer wertvoll, zum Beispiel in der Nachbesprechung eines Spiels.

Zusammenarbeit mit Mannschaften und Sendern

Je mehr Daten Manuel Steins Software vorliegen, desto präziser kann sie das Spielfeld einschätzen und ihre Auswertungen treffen. In der aktuellen Praxis sind die Informationen jedoch auf das Fernsehbild beschränkt. Was sich außerhalb der Kamera abspielt, weiß der Rechner nicht und kann es nur vage abschätzen. Die Konstanzer Informatiker sind daher an Kooperationen mit Mannschaften und Fernsehsendern interessiert, die Bild- und Positionsdaten von Fußballspielen erheben. Wenn diese ihre Daten zur Verfügung stellen, können die Informatiker im Gegenzug präzisere Analysen liefern. Das Angebot ist nicht auf Fußball begrenzt; die Analyse-Software kann auf jeden Mannschaftssport angewendet werden.

Collective Behaviour

Manuel Steins Forschung findet im Rahmen des Konstanzer Forschungsbereichs „Collective Behaviour“ statt. Dieses junge Forschungsfeld befasst sich mit den wechselseitigen Einflüssen und Interaktionen zwischen Mitgliedern eines Kollektivs. Die Wissenschaftler interessieren sich insbesondere für das Entscheidungsverhalten innerhalb einer Gruppe und die Frage, wie sich die Individuen eines Schwarms gegenseitig koordinieren. Beispiele sind das Verhalten von Tierschwärmen und Schwarmintelligenz, die Koordination von selbstfahrenden Autos, aber auch ökonomische Netzwerke oder das Verhalten von Menschengruppen. Im Sportbereich finden die wissenschaftlichen Methoden unter anderem in der Analyse von Mannschaftsverhalten Anwendung: Welche Muster zeichnen sich in der Taktik einer Mannschaft ab? Wie reagieren zwei Mannschaften aufeinander und wie beeinflussen sich die Spieler in ihren Entscheidungen gegenseitig?

Faktenübersicht:
– Konstanzer Informatiker realisieren eine automatisierte Spielanalyse für Fußballübertragungen.
– Der Computer ermittelt Position, Geschwindigkeit und Richtung jedes einzelnen Spielers sowie des Balls. Aus diesen Daten berechnet er unter anderem Einflussbereiche beider Mannschaften, Passmöglichkeiten und Was-wäre-wenn-Szenarien.
– Die Auswertung wird als Diagramm live und ohne Zeitverzögerung in laufende Fernsehübertragungen eingeblendet. Grundlage der Computeranalyse ist das reine Fernsehbild, weitere Daten sind nicht erforderlich.
– Die Software richtet sich insbesondere an Fußballanalysten und Sportjournalisten, aber auch an Trainer. Sie ist prinzipiell auch für andere Mannschaftssportarten einsetzbar.

Hinweis an die Redaktionen:
Ein Video kann im Folgenden heruntergeladen werden:

http://www.uni-konstanz.de/shared/Fussballanalyse.mp4
Erläuterung: So nimmt der Computer ein Fußballspiel wahr: Diese Erfassung von Spielern und Ball bildet die Grundlage für die automatisierten Analysegrafiken, die im folgenden Schritt in das reale Fernsehbild eingeblendet werden.
Copyright: Universität Konstanz

Für Videobeispiele der Analysegrafiken können Sie sich gern an Manuel Stein, E-Mail: stein@dbvis.inf.uni-konstanz.de, wenden.

Fotos können im Folgenden heruntergeladen werden:

1) https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2018/Bilder/Fussball_durch_d…
Bildunterschrift: Screenshot der automatisierten Spielanalyse. Die Farbflächen markieren freie Räume, die für die Torsituation relevant sind. Die Software reagiert dabei in Echtzeit auf die Ereignisse und passt die eingeblendeten Markierungen bis zu 30 mal pro Sekunde an. Weitere Analysegrafiken können mit eingeblendet werden, darunter Dominanzbereiche der Mannschaften und Passmöglichkeiten.
Copyright: Dietmar Wallner

2) https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2018/Bilder/Fu%C3%9Fballanal…
Bildunterschrift: Manuel Stein, Entwickler der Analyse-Software. Manuel Stein ist Informatiker und Doktorand im Forschungsbereich „Collective Behaviour“ (Kollektivverhalten) an der Universität Konstanz.
Bild: Manuel Stein

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