Bildverarbeitung für Golfsimulatoren

Autoren: Gianna Figueroa, Adarsha Sarpangala, Jayesh J Nair

Bildverarbeitung für Golfsimulatoren

Durch den Einsatz moderner Technologien im Sportbereich können sowohl Profigolfer als auch Freizeitsportler Golfsimulatoren nutzen, die es ermöglichen, den Sport drinnen in einer virtuell simulierten Umgebung auszuüben. Der weltweite Markt für Golfsimulatoren wurde im Jahr 2022 auf 1,5 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2031 mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9,2% wachsen.¹ Golfsimulatoren sind digitale Golfanlagen, die das reale Spiel nachahmen und den Spielern helfen, ihren Schwung und die Flugbahn des Balls zu analysieren, ihre Schwächen zu erkennen und ihr Spiel zu verbessern. Hierbei werden Bildverarbeitungsobjektive und -kameras, Infrarotsensoren oder Radarsensoren eingesetzt, um die Bewegung des Sportlers, seines Schlägers und des Balls zu verfolgen.

Verschiedene Golfsimulator-Typen

Es gibt drei Haupttypen von Golfsimulatoren: fotometrische, infrarote und radargestützte Simulatoren. Photometrische Simulatoren sind flexible, kamerabasierte Systeme, die sowohl im Innen- als auch im Außenbereich eingesetzt werden können. Sie sind der beliebteste Simulatortyp sowohl bei professionellen Golfspielern als auch bei Freizeitgolfern. Photometrische Golfsimulatoren nehmen zahlreiche Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Golfballs vor, während und nach dem Aufprall des Schlägers sowie von der Position des Schlägerkopfs während des Schwungs auf. Die Bilder werden von einer Software verarbeitet und es werden Messungen in Bezug auf den Spin, die Geschwindigkeit und die Richtung und den Schwung des Balls vorgenommen.

Infrarot-Simulatoren nutzen Infrarot-Lichtsignale, um die genaue Position des Schlägerkopfs zu erfassen. Diese Daten werden analysiert und an den Golfer weitergegeben, sodass er verschiedene Informationen erhält, die er zur Anpassung und Verbesserung seines Schwungs nutzen kann.

Radargestützte Simulatoren verfolgen den Ball mit Hilfe der Doppler-Radar-Technologie. Die Radargeräte senden ein Mikrowellensignal aus, das nach dem Schlag vom Golfball zurückgeworfen wird. Dieser Ansatz eignet sich am besten für den Einsatz im Freien, da der Ball eine längere Strecke zurücklegen muss, damit die Technologie den Weg des Balls nach dem Schlag erkennen kann.

Vergleich der Simulator-Technologien

In größeren Außenbereichen, in denen die gesamte Flugbahn des Balls beobachtet werden kann, liefert die radargestützte Technologie oft die besten Ergebnisse. Für Golfsimulatoren in Innenräumen und bei beengten Platzverhältnissen ist die fotometrische und die infrarote Technologie besser geeignet. Die meisten eingesetzten Golfsimulatoren befinden sich auf Flächen mit beschränktem Platz und verwenden die kamerabasierte, fotometrische Technologie. Ein wichtiger Bestandteil dieser fotometrischen Simulatoren sind Bildverarbeitungskameras und Objektive.

Bildverarbeitung für fotometrische Simulatoren

Die für die Golfanalyse verwendeten Bildverarbeitungssysteme enthalten Kameras, Objektive und eine geeignete Beleuchtung. In den meisten fotometrischen Simulatoren werden mindestens zwei Kameras verwendet. Je nach Anwendung und Anzahl der gewünschten Ansichten können auch noch mehr Kameras eingesetzt werden. Einige der Kameras werden zur Aufnahme von Bildern des Schlägerschwungs verwendet, während andere zur Analyse des Puttens oder der Flugbahn des Balls in der Luft eingesetzt werden. Bei den verwendeten Objektiven handelt es sich in der Regel um Weitwinkelobjektive, die im Vergleich zu anderen Objektiven mit kleinerem Bildwinkel ein größeres Sichtfeld erfassen können.

Bildverarbeitungskameras für Golfsimulatoren

Einige wichtige Faktoren, die bei der Auswahl von Bildverarbeitungskameras für Golfsimulatoren berücksichtigt werden sollten, sind:

1. Bildrate - Wird normalerweise in Bildern pro Sekunde (fps) angegeben. Für die Analyse von Zeitlupenvideos, wie z. B. Schwunganalysen, gilt: je höher die Bildrate der Kamera desto besser. Golfschwünge sind unglaublich schnelle Aktionen, die in einem Wimpernschlag ablaufen. Daher ist eine Bildrate von mindestens 160 fps erforderlich, um den Schwung in Zeitlupe zu analysieren, ohne dass wichtige Informationen verloren gehen.
2. Global Shutter - Für die Aufnahme von Hochgeschwindigkeitsereignissen empfiehlt sich eine Kamera mit Global Shutter, das heißt, die Kamera belichtet alle Pixel gleichzeitig, anstatt über den Sensor zu scannen. Dadurch wird verhindert, dass Bilder verzerrt werden, was bei der Verwendung einer Rolling-Shutter-Kamera, die Pixel zeilenweise von oben nach unten belichtet, passieren kann.
3. Digitale Schnittstelle (USB und GigE PoE) - USB-Kameras können meist nur mit einer Kabellänge von bis zu fünf Metern verwendet werden, da sich das Signal nach dieser Entfernung tendenziell verschlechtert. GigE-PoE-Kameras hingegen können mit Kabellängen von bis zu 60 Metern verwendet werden. Je nachdem, wo sich die Analyse-Hardware in Bezug auf die Kameras befindet, muss daher die für das System erforderliche Schnittstelle ausgewählt werden.
4. Auflösung - Kameras mit höherer Auflösung, d. h. mehr Pixeln, können mehr Details in einem einzigen Bild speichern. Kameras mit höherer Auflösung (größere Megapixelwerte) erzeugen jedoch auch größere Dateien und niedrigere Bildraten. Daher muss ein Kompromiss zwischen Kameraauflösung und Bildrate gefunden werden und der Hersteller des Simulators sollte abwägen, was für das System die beste Wahl ist. Ein guter Richtwert für fotometrische Golfsimulatoren ist eine Auflösung von etwa 1,3 Megapixeln.

Hier finden Sie verschiedene Bildverarbeitungskameras von Edmund Optics^®, die sich ideal für fotometrische Golfsimulatoren eignen:

Objektive für Golfsimulatoren

Für die Videoanalyse im Golfsimulator können sowohl Objektive mit fester Brennweite als auch Zoomobjektive verwendet werden. Normalerweise werden Weitwinkelobjektive mit vergleichsweise kurzen Brennweiten verwendet, um größere Bildfelder zu erfassen. Die Wahl des Objektivs hängt sowohl von der eingesetzten Kamera, als auch vom Bildfeld ab (horizontale und vertikale Dimensionen des Objekts, das Sie für die Analyse erfassen müssen). Des Weiteren ist auch der Arbeitsabstand ausschlaggebend für die Objektivwahl. Hier müssen Sie den Abstand zwischen der Kamera und dem Golfer sowie den für das Bildverarbeitungssystem zur Verfügung stehenden Platz berücksichtigen.

Für die Anwendung werden in der Regel Objektive mit hoher Lichtstärke (kleiner Blendenzahl) bevorzugt, da eine hohe Lichtstärke den Lichtdurchsatz erhöht und Bildverarbeitungssysteme höhere Bildraten erzielen können. Die Aufnahme von möglichst vielen Bildern pro Sekunde (fps) ist entscheidend für die Erfassung der sich schnell bewegenden Golfbälle. Kurze Brennweiten und niedrige Blendenzahlen führen zu mehr optischen Abbildungsfehlern. Die Auflösung ist in Golfsimulatoren aber oft zweitrangig, solange der Ball erfasst werden kann, sodass die Nachteile niedriger Blendenzahlen meist in Kauf genommen werden. Die höhere Verzerrung, die mit niedrigen Blendenwerten einhergeht, wird durch Software korrigiert, um die Systemgenauigkeit zu verbessern. Indoor-Golfsimulatoren benötigen häufig besonders niedrige Blendenwerte, da keine hellen Beleuchtungsquellen bei der Bildaufnahme verwenden werden können. Diese würden die auf den Bildschirm des Simulators projizierten Bilder stören. Die schwache Beleuchtung macht eine hohe Lichtstärke der Objektive noch wichtiger. Die Systeme können Bildraten von 250 bis 350 fps erfordern.

Hier finden Sie verschiedene Bildverarbeitungsobjektive von Edmund Optics^®, die sich ideal für fotometrische Golfsimulatoren eignen:

Software für Golfsimulatoren

In Verbindung mit der oben genannten Hardware verfolgt und analysiert die Analysesoftware jeden Schlag, um dem Spieler nützliches Feedback für die Anpassung seines Schwungs zu geben. Die automatische Ball- und Flugbahnverfolgung erfolgt durch Objekterkennung, bei der in jedem Bild Deep-Learning-Algorithmen zur Lokalisierung/Identifizierung des Golfballs eingesetzt werden. Der für die Objekterkennung verwendete Algorithmus unterscheidet sich von Software zu Software, daher ist es wichtig, die für Ihre Bedürfnisse geeignete Variante zu wählen. Es gibt zwei Haupttypen von Software für die Golfanalyse: die Schlag-Analyse und die Ziel-Analyse. Die Schlag-Analyse konzentriert sich auf den Schwung des Golfers und den Kontakt des Schlägers mit dem Ball. Die Ziel-Analyse hingegen erkennt den Ball in der Luft und bestimmt, wo er landen wird.

Einige Beispiele für Analysesoftware:

Swing Catalyst

• Verwendet für die Schlag-Analyse
• Unterstützt Live-Videoaufzeichnung von bis zu vier Kameras gleichzeitig (vollständig synchronisiert)
• Zeichenwerkzeuge, Zeitlupenwiedergabe, Videoüberlagerung und Seite-an-Seite-Vergleich
• Bietet Sensorplatten zur Messung von Gewichtsverlagerung, Fußdruckverteilung und Bodenreaktionskraft
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V1 Golf

• Verwendet für die Schlag-Analyse
• Zeichenwerkzeuge, Videoüberlagerung, Wiedergabe mit Zeitlupe oder Zeitraffer
• Verwendet voraufgezeichnete Videos von Schwüngen zur Durchführung der Analyse
• Bietet Networking-Plattform, um mit zertifizierten Trainern in Kontakt zu treten und das Spiel zu verbessern
• ***Die Kamerasoftware muss in der Lage sein, Videomaterial zu exportieren, um mit V1 Golf kompatibel zu sein.***
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Die obigen Informationen können als Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Golfsimulatorsystems dienen. Wenden Sie sich an unsere erfahrenen Anwendungsingenieur*innen, die Sie bei der Auswahl der richtigen Komponenten beraten, damit Ihr System ein Erfolg wird.

Literatur

1. Straits Research. (2022). Golf Simulators Market Size, Growth, Trends, Forecast to 2031. https://straitsresearch.com/report/golf-simulators-market

Weitere Informationen

• Anwendungshinweis: Informationen zu Brennweite und Bildfeld
• Anwendungshinweis: Systemdurchsatz, Blende und numerische Apertur
• Anwendungshinweis: Kameras
• Wie wird ein EO-Objektiv hergestellt?