Je leest:

Tennis kijken met haviksogen

Tennis kijken met haviksogen

De techniek van het Hawk-eye systeem

Auteur: | 28 juni 2010

Zoals bij vele sporten, zijn er ook bij tennis technische hoogstandjes te vinden. Neem bijvoorbeeld Hawk-Eye: een systeem van kunstmatige ‘haviksogen’ dat precies weet waar de bal de grond heeft geraakt. Hoe het dat doet? Door goed te kijken en veel te rekenen.

Inmiddels zijn we er gewend aan geraakt. Sterker nog, we rekenen er op: na een dubieuze call van de lijnrechter kijken we met z’n allen naar een animatie en zien we de bal in slow-motion de lijn net niet, of net wel, raken. Het ziet er geavanceerd uit en – belangrijker nog – het kan een cruciale rol spelen in de wedstrijd.

Achter de animatie zit het Hawk-Eye systeem, ontworpen door Hawk-Eye Innovations. De techniek werd al in 2001 door tv-stations gebruikt als extraatje voor het publiek, maar sinds 2005 mag het daadwerkelijk meebeslissen in een wedstrijd. In maart 2008 zijn er hiervoor officiële regels opgesteld. Daarin staat dat elke speler drie keer per set de Hawk-Eye mag inschakelen. Heeft de speler het bij het rechte eind en klopte de beslissing niet, dan blijven zijn drie mogelijkheden staan. Maar als de lijnrechter het toch goed had, gaat er één challenge af en kan hij nog maar twee keer protesteren.

De baan van de bal

Het Hawk-Eye systeem kan dus erg belangrijk zijn, maar hoe werkt het nou precies? Het begint allemaal met een stuk of tien camera’s. Die hangen door het hele stadion en meestal vrij hoog, zodat spelers niet zo snel voor het beeld zullen staan. Elke camera filmt het veld vanuit een andere hoek en legt zo vast hoe de bal zich ten opzichte van die camera verplaatst. De verschillende videobeelden komen allemaal terecht op een computer en worden daar gecombineerd tot één animatie. Daarin wordt de baan van de bal ‘nagespeeld’, zodat iedereen kan zien of de bal de lijn geraakt heeft.

De computer berekent de baan van de bal door voor elk frame (elk afzonderlijk filmbeeldje in de video) de positie van de bal vast te stellen. Dat gebeurt door te trianguleren, ook wel een driehoeksmeting genoemd.

Wanneer hoek A en B en afstand c bekend zijn, kun je door het gebruik van de sinus-regel de afstanden a en b uitrekenen. Dan weet je dus hoe ver de bal zich bevindt van de camera’s.

Met twee camera’s is de driehoeksmeting echter nog niet compleet, want de bal kan zich nog op meerdere posities bevinden en tóch steeds dezelfde afstand hebben tot de twee camera’s. Vandaar dat er meer dan twee camera’s gebruikt worden. In feite zouden drie camera’s genoeg zijn, want daarmee ligt de positie eigenlijk al vast. Maar hoe meer camera’s, hoe nauwkeuriger. Ook kan het natuurlijk zijn dat een camera even niet goed werkt, of dat er iets in beeld staat. Daarom worden er tegenwoordig zeker tien camera’s opgehangen.

Als de afstand van de bal tot camera 1 acht meter is (ergens op de blauwe cirkel) en de afstand tot camera 2 is zestien meter (ergens op de paarse cirkel) dan kan de bal zich nog steeds op twee verschillende posities bevinden.

Afstellen en aanpassen

Maar ook al hangen er 10 camera’s en ‘weet’ het systeem hoe het moet trianguleren, dan zijn we er nog niet helemaal. Bij de driehoeksmeting heb je namelijk altijd de volgende informatie nodig: de exacte hoeken A en B en afstand c. De waarde voor c is niet zo ingewikkeld, die kun je opmeten. De nauwkeurige bepaling van de hoeken A en B is echter een stuk lastiger.

Om hoek A (en hoek B) te bepalen, moet de camera in een rechte lijn naar de bal ‘kijken’. Dat is lang niet altijd het geval, want de bal gaat zo snel dat hij vaak niet precies in het midden van het beeld staat. Dit betekent dat de camera als het ware ‘langs de bal kijkt’ en dan loopt de lijn niet precies van de camera naar de bal.

Dit screenshot uit een wedstrijd laat zien wat één van de vele camera’s ziet. De bal staat duidelijk niet in het midden. Als er nu een driehoeksmeting wordt uitgevoerd, zal er waarschijnlijk niet veel van kloppen, want de camera wijst niet in één rechte lijn naar het middelpunt van de bal.
Flickr: tennisdude24

Wanneer de bal niet in het midden staat, maar het systeem wel direct gaat trianguleren, dan is de positie waar het op uitkomt niet goed. Het is te laat om de camera nog iets te draaien (het punt is tenslotte al gespeeld), maar er is wel een andere oplossing. Het systeem kan namelijk de berekening aanpassen om met een ‘verkeerd’ beeld tóch op de juiste positie uit te komen. Bij het trianguleren moet de computer dan rekening houden met het feit dat de camera niet recht op de bal gericht staat en daarvoor compenseren.

Afwijking op het scherm

Het systeem moet natuurlijk nog wel weten waar de bal in beeld te zien is. Om de bal te herkennen, kijkt de computer naar opvallende kleurwisselingen: een bal is vaak een plotselinge witte vlek op een egaal donker vlak. Deze methode levert in eerste instantie te veel op, want het vindt ook de lijnen, de spelers, het net, enzovoorts. Het systeem filtert daarom nog op grootte en vorm om het juiste middelpunt te vinden.

Hoeveel het systeem moet compenseren, kan het uitrekenen op basis van het beeld. De afwijking die de bal heeft ten opzichte van het midden (bv 8 cm hoger en 3 cm naar links) zegt iets over hoeveel de camera verkeerd staat. Die verhouding is voor elke camera en situatie weer anders en daarvoor worden de camera’s van tevoren afgesteld.

Dit kalibreren zorgt er voor dat het systeem weet wat een afwijking in beeld voor effect heeft op de locatie van de bal in het veld. Dus als er een bal in beeld verschijnt, bepaalt het systeem hoeveel de bal ‘uit het midden’ staat en past hiermee de berekening van de driehoeksmeting aan. Zo komt de triangulatie toch uit op de juiste positie.

Van animatie naar afdruk

Door het trianguleren weet het systeem voor een set opeenvolgende frames de positie van de bal. De animatie is nu slechts een kwestie van programmeren. De technici hebben namelijk al een 3D-model van het tennisveld klaar staan en hoeven daarin alleen nog maar aan te geven waar de bal zich bevindt.

Na de animatie zie je meestal de balafdruk van dichtbij. Dan kun je met eigen ogen zien of de bal al dan niet uit was.

Nu rest er nog één stap, het bepalen van de balafdruk. Deze zie je doorgaans aan het einde van de animatie, wanneer het systeem inzoomt op de plek waar de bal neerkomt. De vorm van de afdruk wordt bepaald door een rule-based system. Dat is een computersysteem dat op basis van een set regels een beslissing neemt. In dit geval zijn er regels die de snelheid, richting en positie van de bal gebruiken om te beslissen of het om een serveerslag, ‘gewone stuiter’ of half-volley gaat.

Er wordt tussen deze slagen onderscheid gemaakt omdat ze ook verschillende afdrukken achterlaten. Een service gaat namelijk vaak heel hard, waardoor de afdruk extra langgerekt is. Een half-volley is ook een speciaal geval omdat de bal dan direct na de stuiter geraakt wordt. Hierdoor ontbreekt de opgaande beweging van de bal. Die moet door de computer zelf ingeschat worden, wat iets meer rekenkracht kost.

Meer dan alleen een filmpje

Omdat het Hawk-Eye systeem heel nauwkeurig bijhoudt waar elke bal terecht komt, kan het ook gebruikt worden bij het verzamelen van statistieken. Je kunt precies zien welke kant Federer het meest kiest bij het serveren, of hoe hoog een bal opstuitert na een drop-shot van Nadal.

Het Hawk-Eye systeem wordt ook gebruikt om statistieken te visualiseren. Hier zie je waar Henin de ballen speelt bij een return: 68% van de ballen belandt in het veld, 32% er net buiten.

Daarnaast wordt Hawk-Eye ook gebruikt bij andere sporten. Vooral bij cricket is het systeem erg populair, met name bij het analyseren van slagen. Verschillende teams gebruiken de gegevens bij het trainen en het bepalen van hun speltactiek.

Het systeem wordt bij cricket echter nog niet gebruikt als officieel hulpmiddel, zoals bij het tennis. Daar is de Hawk-Eye inmiddels helemaal ‘ingeburgerd’, al zijn niet alle spelers even enthousiast. Roger Federer is bijvoorbeeld geen fan, dat bleek wel tijdens de finale van Wimbledon in 2007. Rafael Nadal gebruikte in de vierde set een challenge om een beslissing aan te vechten en Hawk-Eye gaf hem gelijk: zijn bal had de lijn nog nét geraakt. Hierdoor werd de bal toch ‘in’ gegeven en Federer kwam een dubbele break achter. Het mocht echter niet baten voor Nadal, want Federer won de wedstrijd uiteindelijk wel.

Lees meer over techniek in de sportwereld op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/techniek/sport/index.atom?m=en", “max”=>"7", “detail”=>"normaal"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 juni 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.