Die folgende Erfindung bezieht sich auf ein Verfolgungssystem im Sport und spezieller auf ein Verfolgungssystem für eine Mehrzahl von Spielern, die sich auf einem Sportplatz oder einem ähnlichen Platz befinden. Das System kann auch das Verfolgen von anderen Objekten, wie beispielsweise Pferden auf einer Bahn oder Rennwagen, Segelschiffen usw. besorgen.

Die folgende Erfindung, die unter dem Namen SporTrack zu vertreiben ist, ist ein Verfolgungssystem, das den Ort von Spielern und anderen Objekten auf dem Feld mit hoher Genauigkeit und Videoaktualisierungsraten misst. Das System der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, hundert Spieler oder mehr gleichzeitig für lange Zeiträume in Echtzeit zu verfolgen.

Das System der vorliegenden Erfindung ist ein kooperatives Verfolgungssystem, das ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von kooperierenden Zielen innerhalb eines gegebenen Felds in Echtzeit mit hoher Präzision und extrem hoher Aktualisierungsrate zu verfolgen. Das System basiert auf Mikrowellenmodulen des neusten Stands der Technik und fortschrittlichen Verfolgungsalgorithmen, um eine genaue, unabhängige Spielerortung in jedem Videobild zu erreichen. Synchronisiert mit einer kalibrierten Videokamera gibt das System den exakten Ort jedes Spielers auf dem Schirm an, was eine sofortige digitale und virtuelle Wiederholung, viele unterschiedliche Statistiken und mehr erlaubt. Die derzeitige Mikrowellentechnologie erlaubt aufgrund von präzisen digitalen Komponenten, wie beispielsweise direkten digitalen Synthesizern (DDS), Hochfrequenz A/D-Wandlern und DSPs, ein niedrigenergetisches leichtgewichtiges Verfolgungssystem. Der Systembetrieb bei geringer Leistung (viel weniger als bei einem üblichen Mobiltelefon) und sorgfältig ausgewählten Betriebsfrequenzen stellt einen sicheren Betrieb in jeder menschlichen oder EMI-Umgebung sicher und geht mit den schärfsten internationalen und amerikanischem Standard konform.

Das Verfolgungssystem wird einen Spieler innerhalb des vorgesehenen Felds verfolgen, der eine Miniaturidentitätsmarke trägt. Diese Marke, die kleiner als eine Kreditkarte und leichter als 20 g sein kann, ist tatsächlich ein Transponder, der die Signale, die von einem Sender ausgesandt werden, reflektiert und jeden Spieler an seinem genauen Ort identifiziert. Dieses Verfahren wird gleichzeitig für alle Spieler ausgeführt und wird vorzugsweise mit jedem Videobild wiederholt. Das Verfolgen jedes Spielers ist unabhängig, und ein einzelner Spieler kann genauso verfolgt werden wie 50 Spieler, alle auf demselben Feld.

SporTrack verwendet einige der neuesten Mikrowellen- und DSP-Technologien. Der Hauptaufbaublock ist ein fortschrittliches Spread Spektrum-Niedrigleistungradar, das die Vorteile von MMIC- (Miniature Microwave Integrated Circuits) -Komponenten und -Leistungssignalprozessoren einschließt.

Die Verwendung dieser Mikrowellenkomponenten erlaubt es das System nicht nur klein und leichtgewichtig zu sein, sondern auch preisgünstig. Aufgrund der Tatsache, dass das System vorgesehen ist, auf kurze Entfernungen zu arbeiten, und aufgrund der Verwendung der Spread Spektrum-Techniken ist die mittlere und die Spitzensendeleistung so gering, dass sie gänzlich unberührt durch EMI/RFI und vollständig sicher für Menschen ist. Tatsächlich liegen die sorgfältig ausgewählten Sendefrequenzen und die Ausgangsleistungen klar unterhalb jeglicher internationaler Strahlungsstandards einschließlich der schärfsten FCC-Empfehlungen in den USA. Die kleinen Transponder, die von den Spielern getragen werden, sind ähnlich den "Smart Cards", die heutzutage überall auf der Welt für unterschiedliche Anwendungen entwickelt werden. Das kleine Volumen und das geringe Gewicht des Transponders macht ihn nahezu unmerkbar für den Spieler, der so wie vorher weiterspielen kann.

Die hohe Aktualisierungsrate und die Verwendung von fortschrittlichen Wellenformen machen es nötig, große Mengen an Daten in sehr kurzer Zeit zu verarbeiten. Dies ist der Grund, warum der Hauptprozessor mit dem Analogue Device SHARC-Prozessor entwickelt wurde, einem leistungsstarken DSP, der umgangreich überall auf der Welt eingesetzt wird.

Der Prozessor handhabt lange FFTs und IFFTs sowie speziell zugeschnittene CFAR(Constant False Alarm Rate) -Algorithmen. Der Prozessor und diese Algorithmen mit hoher Rate sind zusammen entwickelt, um die hohe Effizienz zu erreichen, die für einen Echtzeitbetrieb benötigt wird. Andere oder mehr situationsabhängige Algorithmen, wie beispielsweise die verschiedenen Stufen der Verfolgungsprozedur. werden in einem anderen DSP verarbeitet, der ebenfalls ein Teil des Hauptprozessors ist.

Viel Aufmerksamkeit wird auf die Integration des Verfolgungssystems in die Videokameras und die Graphikcomputer gerichtet. Die erfolgreiche Integration bedeutet ein synchronisiertes System, das eine sofortige Umwandlung von Feldkoordinaten in Pixelorte in jedem einzelnen Bild ermöglicht.

Fernsehsendungen von Sportereignissen verwenden unterschiedliche graphische Effekte, wie beispielsweise ein Hervorheben eines Spielers, die Markierung seiner Spur, das Messen seiner Position und mehr. Um die Graphiken in Echtzeit auf dem Schirm anzuzeigen oder sofortige Wiederholungen, müssen die Positionen des Objekts bekannt sein. Derzeitige Verfolgungsverfahren erlauben die Bildverfolgung, haben aber den Nachteil, dass sie offline arbeiten, und die meisten Verfahren sind nicht robust. So braucht es eine lange Zeit, um einen Spieler innerhalb eines Videoclips zu verfolgen, und der Benutzer muss den Vorgang überwachen. Dies verhindert sofortige Wiederholungen mit graphischen Effekten von interessanten Spielen bei einer Livesendung.

Die GB-A-2 298 098 offenbart ein Verfolgungssystem zum Verfolgen von Objekten in einem Bereich, das erste und zweite Mikrowellenantennen aufweist, wobei eine Antenne einen Mikrowellensender und eine einen -empfänger aufweist, und das codierte Transponder umfasst, die von einem oder mehreren der Objekte, die in dem Bereich zu verfolgen sind, getragen werden, wobei der Empfänger zur Berechnung der Position oder Identität jedes Objekts codierte Signale empfängt und verarbeitet.

Die FR-A- 2 711 069 offenbart ein System zum Verfolgen von Spielern auf einem Sportplatz unter Verwendung einer Mehrzahl von Radiotranspondern.

Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen, das Objekte automatisch mit hoher Präzision und in Echtzeit verfolgt.

Die vorliegende Erfindung stellt deshalb ein Verfolgungssystem zum Verfolgen von Spielern oder Objekten auf einem Sportplatz bereit, wobei das System eine erste und eine zweite Mikrowellenantenne, wobei eine Antenne einen Mikrowellensender und einen -empfänger und die andere nur einen Empfänger aufweist, aufweist und einen oder mehrere codierte Transponder, die jeweils von einem oder mehreren Spielern oder Objekten auf dem Platz getragen werden, umfasst, wobei elektronische Empfänger eine elektronische Verarbeitungsschaltung aufweisen, die angeschlossen ist, um Signale von den Transpondern zu empfangen, die sowohl an der ersten als auch an der zweiten Antenne empfangen werden, um die Position und die Identität jedes Spielers auf dem Platz zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Transponder einmalig ist und Mittel zum Empfangen eines Mikrowellensignals bei einer definierten Frequenz von einer Antenne, Mittel zum Verschieben der Frequenz des empfangenen Signals um eine einmalige Frequenz und Mittel zum Senden des verschobenen Frequenzsignals zurück zu der Antenne aufweist.

Vorzugsweise sind in der Verarbeitungsschaltung jedes Empfängers Mittel zum Sortieren hereinkommender Frequenzsignale gemäß ihrer unterschiedlichen Verschiebungen und außerdem zum Bestimmen der Lage jedes verschobenen Signals gemäß der Zeitdifferenz zwischen einem ausgesendeten Signal und jedem verschobenen empfangenden Signal vorgesehen.

Vorzugsweise ist jeder Spieler mit einem Paar von Transpondern von unterschiedlicher Frequenzverschiebung versehen, und die Empfängerschaltung weist Mittel zum Aufzeichnen der Frequenzverschiebungsidentität von beiden Transpondern für jeden Spieler und weiterhin Mittel zum Dekodieren der Ausgabe jedes Paars von Transpondern auf, um die Richtung der Bewegung eines Spielers bereitzustellen.

Die vorliegenden Erfindung wird jetzt anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:

1 zeichnerisch eine Draufsicht auf einen Fußballplatz zeigt, die die Antennenposition illustriert;

2 zeichnerisch einen Teil des Platzes gemäß 1 zeigt, wobei die Position von zwei Spielern H1 und H2 illustriert ist;

3 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zeigt; und

4 ein Flussdiagramm zeigt, das zum Erzeugen der Daten für die Verfolgung einer Mehrzahl von Spielern geeignet ist;

5 ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, das die vorliegende Erfindung angewandt auf eine Pferderennbahn illustriert.

Das System umfasst vier Haupteinheiten:

• –MEU 16 – die elektronische Haupteinheit (Main Electronic Unit) mit den meisten der digitalen und RF-Komponenten
• –Sende-/Empfangs- (Tx/Rc) -einheit 18, 20 – der Sender, die Empfänger und ihre jeweiligen Antennen
• –Transponder – bis zu 100 Transponder, die von den Spielern getragen werden
• –O2 Arbeitsstation – zum ablaufen Lassen der verschiedenen Anwendungen, wie digitale Wiederholung, virtuelle Wiederholung, statistische Anzeigen und mehr.

Das in den 1 und 2 wiedergegebene Diagramm zeigt eine typische Installation mit zwei Antennen 10, 12; üblicherweise werden zum Zwecke der Redundanz jedoch vier Antennen verwendet.

Die Antennen 10, 12, die sehr kompakt sind, können je nach Station an verschiedenen Orten installiert sein, solange sie vorzugsweise 10 bis 20 m hoch und vorzugsweise mehr als 20 m von dem nächstliegenden Ende des Platzes entfernt liegen. Es wird keine direkte Sicht zu jedem Spieler benötigt, aber es sollten keine größeren Hindernisse zwischen den Antennen und dem Platz liegen. Nach einem kurzen Kalibrierungsprozess, in dem die Punkte a, b, c und d in der Zeichnung bestimmt werden, wird die Position jedes Spielers auf dem Platz relativ zu dem Platzmittelpunkt berichtet.

Die MEU 16 ist relativ kompakt (15 × 15 × 30 cm) und sollte in der Nähe der Sendeantenne installiert sein. Die MEU ist an eine 220 V oder 110 V Standardspannungsversorgung angeschlossen und versorgt alle anderen Einheiten mit Spannung.

Die Transponder T1, T2, die relativ klein und leichtgewichtig sind, werden von den Spielern getragen und bedürfen keiner speziellen Sorgfalt. Jeder Transponder kann vorzugsweise für etwa drei bis vier Stunden ohne Ersetzen oder Wiederaufladen der Batterie funktionieren.

SporTrack basiert auf fortschrittlichen Signalverarbeitungstechniken, die Continuous Wave (CW)- und Spread Spektrum-Wellenformen verwenden. Der Sender sendet ein Signal sehr hoher Bandbreite, das eine hohe Lageauflösung ermöglicht. Das Signal trifft auf die Transponder auf dem Platz und wird zurück zu den Empfängern reflektiert. Jeder Empfänger misst den Abstand zu allen Transpondern. Der Abstand von einem Transponder zu beiden Empfängern, die in einer bekannten Position installiert sind, wird verwendet, um den Ort des Spielers auf dem Feld zu berechnen.

Die Identifizierung jedes Spielers wird durch eine vorbestimmte Frequenzverschiebung auf der Marke bewirkt. Jede Marke empfängt die Trägerfrequenz, die von der Antenne gesendet wird, verschiebt sie um eine einzigartigartige Frequenz und sendet das verschobene Signal zurück. In dem Empfänger werden die Frequenzen gemäß den verschiedenen Verschiebungen sortiert, und jedes Signal wird verwendet, um die Lage zu bestimmen. So wird die Identität aus der Frequenzsortierung extrahiert und die Lage der Marke durch die Zeitdifferenz zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal. Jeder Spieler trägt zwei Marken, die es uns ermöglichen, die Ausrichtung des Spielers zu bestimmen, indem beim Ort die Differenz zwischen den beiden Markierungen berechnet wird.

Unter Verwendung von solchen Techniken wie Hochauflösung, Spread Spektrum und fortschrittlichen Signalverarbeitungsalgorithmen auf der einen Seite und von Miniaturmikrowellenmodulen des neusten Stands der Technik auf der anderen Seite kann das System mit einer extrem niedrigen Leistung und hoher Präzision arbeiten.

Die zurückgesandten Signale werden mit digitalen Filtern gefiltert, die auf kommerziellen handelsüblichen DSPs implementiert sind, die der Signalhauptprozessor des Systems sind. Die Positionen der Spieler werden zu jedem Bild berichtet, und jeder Spieler wird mit einem Kalman-Filter verfolgt, das für diese Situation optimal ist. Das System ist mit den Kameras bei dem Feld synchronisiert, und so wird die exakte Position jedes Spielers für jedes Bild in den Schirmkoordinaten der Kamera angegeben.

Bezüglich 2 überwachen die Antennen A1 und A2 in einer bevorzugten Ausführungsform das Feld 14, von dem nur ein Teil gezeigt ist. Zwei Spieler H1, H2 sind als Beispiel in jeweiligen Positionen x1, y1 und x2, y2 gezeigt. Jeder Spieler ist mit einem Paar von Transpondern T1, T2 ausgerüstet, die für jeden Spieler einzigartig sind. Die Identität jedes Transponders wird in der MEU 16 vor jedem Spiel aufgezeichnet.

Eine Antenne ist angeschlossen, um Mikrowellensignale von einem Sender 20 zu senden, und bedient zwei Empfänger 22 und 23.

Jeder Spieler H1, H2 befindet sich in einem jeweiligen Abstand d1 und d11 bzw. d2 und d21 von den Antennen A2 und A1 entfernt. Deshalb entsprechen die jeweiligen Laufzeiten des Mikrowellensignals zu und von den Transpondern T1, T2 den Abständen d1, d11 und d2, d21.

In 3 ist ein Blockdiagramm gezeigt, bei dem zur Vereinfachung der Empfängereingang von dem Senderausgang getrennt ist.

Ein Mikrowellengenerator 302 wird von einer Einheit 300 mit Spannung versorgt. Die Ausgaben des Generators 302 werden von einer Zeitschaltung 306 gesteuert. Wenn zwei Systeme zusammen installiert sind (die übliche Installation mit vier Antennen), dann arbeitet der Mikrowellengenerator jeder Einheit bei einer unterschiedlichen Frequenz, um wechselseitige Störungen auszuschließen.

Die Zeitschaltung 306 ist auch an erste und zweite Zeitablaufspeicher 310, 312 angeschlossen.

Jeder Empfänger, möglicherweise kombiniert mit den Sendern R1 und R2, ist an eine zugehörige Decoderschaltung 314, 316 angeschlossen.

Ein zweiter Speicher 318, 320 speichert die Zeitdifferenzen, die aus den jeweiligen Sendeund Empfangszeitpunkten berechnet und durch die jeweiligen Phasenverschiebungen identifiziert werden.

Diese zwei Differenzen werden dann in einem Mikroprozessor 322 verwendet, um die x, y-Positionen jedes Spielers zu berechnen.

Unter Bezugnahme jetzt auf 4 wird ein Flussdiagramm gezeigt.

Die Sequenz beginnt bei 400, um die Zeitschaltung zu starten 402, wodurch der Sender A1 mit Energie versorgt wird, um Pulse 404 und 406 zu senden.

Die Signale werden dann an den Empfängern R1, R2 Empfangen 408, 410, und die Ausgabezeiten des Empfangs werden in Speichern gespeichert 412, 414 und decodiert 416, 418.

Die Sequenz der Zeitdifferenzaufzeichnung wird wiederholt 420, 422, bis keine weiteren Zeitsequenzsignale übrig sind, um dadurch sicherzustellen, dass Signale von allen Spielern aufgezeichnet werden.

Die Zeiten für alle Spieler werden in einem Speicher gespeichert (Schritt 424, 426 und 428, 430).

Die aufgezeichneten Zeiten werden verglichen (Schritt 432), nachdem alle aufgezeichnet worden sind, und die Abstände werden berechnet (Schritt 434).

Sobald keine weiteren Berechnungen notwendig sind (Schritt 436) kann die Sequenz erneut begonnen werden.

Aus den Abständen (D1 usw.), die in Schritt 434 berechnet werden, werden die x, y-Positionen berechnet (Schritt 436) und ausgegeben (Schritt 438), um die Positionen jedes Spielers entweder zu senden oder zu speichern.

Ein spezifisches Beispiels wird detailliert bei einer Anwendung von SporTrack beschrieben werden, nämlich der Verfolgung von Pferden bei einem Pferderennen.

Das System 500 weist die folgenden Komponenten auf:

• a) Sende-/Empfangseinheiten 501, 502, 503, 504, 505, 506 (Transceiver) – jeder sendet von einem Videosignalsystemgenerator 530 und empfängt ein lineare FM-Signal. Jede Einheit hat ihr eigenes separates (aber nicht exklusives) Band innerhalb des Gesamtbands. Obwohl diese separat dargestellt sind, sind die Sender und Empfänger in einer Einheit kombiniert, oder sie befinden sich in benachbarten Einheiten.
• b) Transpondereinheiten 510, 511, 512 (Marken) – jede Marke empfängt Signale innerhalb des Frequenzbands, addiert einen einzigartigen Frequenzcode durch Mischung des Signals mit der Ausgabe eines lokalen Oszillators und sendet das Signal zurück.
• c) Hauptcomputer 520 empfängt die Bereichsinformationen von allen Transceivern, berechnet den Ort jedes Pferds, speichert ihn in einer Datenbank und zeigt die Daten mittels graphischer Darstellungen für eine Fernsehsendung an.
• d) Sendekamera 540 – die Messung des Orts der Pferde ist mit einer Sendekamera synchronisiert, so das die Daten für jedes Bild zutreffen. Das Synchronisationssignal 452 der Kamera wird verwendet, um auch die RF-Signale zu synchronisieren.

Jedes Pferd trägt zwei oder mehr Marken 510 (auf beiden Seiten seines Sattels), die seine Position und Identität markieren. Jede Marke 510, 511, 512 ist einzigartig in dem Sinne des Frequenzcodes, der gesendet wird, wenn ein RF-Signal empfangen wird.

Jeder Sender 501, 502, 504, 505, 506 hat seine eigene Antenne, was eine Anzahl von zwei Antennen pro Transceiver ausmacht. Diese sind rund um die Rennbahn in solcher Weise installiert, dass jeder Teil der Rennbahn durch zwei oder mehr Transceiver abgedeckt wird. Jede Sendeantenne 501 ist neben ihrer Empfangsantenne 504 installiert. Wie in dem vorherigen Beispiel sind die Antennen oberhalb der Ebene der Rennbahn und in gewissem Abstand zu der Rennbahn installiert, so dass eine Aussichtspunkt gegeben ist, der eine Abdeckung der Bahn erlaubt.

Die Tranceiver sind an eine Spannungsversorgung, ein Videosynchronsignal und einen Ethernetanschluss 521 angeschlossen.

Der Hauptcomputer 520 ist in dem Presseraum angeordnet und ist über eine Ethernetschnittstelle ebenfalls an das Netzwerk der Transceiver angeschlossen.

Die Transponder 510, 511, 512 sind in kleinen Taschen im Inneren der Sattel angeordnet. Jeder Sattel hat zwei Taschen, eine auf jeder Seite neben der Startnummer, die seine Identität angibt.

Die Sendefrequenzen könnten in einem speziellen Beispiel zwischen 5,7 und 5,9 Gigahertz liegen. Die Transponderfrequenzverschiebung bei diesem Beispiel könnte zwischen ein und zwei Megahertz liegen.

Das System ist mit der Videokamera 540 synchronisiert, so dass jede Messung relativ zu einem Videobild ausgeführt wird. Das Signal ist durch lineare Frequenzmodulation (LFM) charakterisiert, die bei niedriger Frequenz beginnt und zur hohen Frequenz ansteigt (aufwärts gerichteter Chirp-Puls), gefolgt von einem abwärts gerichteten Chirp-Puls, der bei der hohen Frequenz beginnt und zur niedrigen Frequenz abfällt. Jedes Vertikalsynchronisationssignal von der Kamera 540 startet einen aufwärts gerichteter LFM-Chirp-Puls, dem ein abwärts gerichteter Chirp-Puls folgt.

Das Signal deckt einen spezifischen Bereich der Rennbahn ab und wird von jeder Marke 510 empfangen, die sich zum Zeitpunkt der Aussendung innerhalb dieses Teils befindet. Jede Marke, die das Signal empfängt, addiert ihren eigenen Frequenzcode auf das Signal auf und sendet es zurück.

Jeder Empfänger empfängt 504 das Signal und löst es in Elemente auf, die die Identität, die Lage, Dopplereffekte und die Seite umfassen. Der Seitenparameter wird durch einen kleinen Frequenzunterschied zwischen der linken und rechten Marke jedes Pferds bestimmt.

Die Lagen, die von jeder Antenne gemessen werden, werden unter Verwendung einer Ethernetschnittstelle 521 an den Hauptcomputer gesendet. Alle Lagen eines Pferds zu jedem Transceiver, der es erfasst, werden verwendet, um die Position dieses Pferdes mittels Triangulation zwischen zwei Empfängern zu berechnen.

Die Verfolgungssystemausgabe wird in der Form von (x, y, ID)-Triplets oder (x, y, z, ID)-Quadruplets angegeben. Für jedes Videobild werden die Ausgabedaten in dem Hauptcomputer verarbeitet. Die verarbeiteten Daten werden dann von verschiedenen Anwendungen verwendet. Einige der Hauptanwendungen sind:

• a) automatische Kameraverfolgung eines bestimmten Pferds – die Positionsdaten eines vordefinierten Pferds werden in eine motorisierte Kameraeinheit 544 gefüttert, die in der Lage ist, sich mit dem Pferd zu bewegen, um seine Bewegungen aufzuzeichnen, wo immer es sich entlang der Bahn befindet
• b) Livehervorhebung des führenden Pferds – das führende Pferd wird automatisch identifiziert und bei einer Liveübertragung wird sein Bild auf dem Schirm hervorgehoben. Der Name des Pferds, seine Nummer und der Name des Jockeys, der das Pferd reitet, können bei dem Livevideo ebenso angezeigt werden.
• c) Echtzeit und archivierte Datenbank – die Position jedes Pferds wird aufgezeichnet und in einer Datenbank aufbewahrt, die verwendet werden kann, um unterschiedliche Statistiken bei einem Rennen zu analysieren. Ein paar Beispiele sind Zwischenzeiten, mittlere Geschwindigkeit und Geschwindigkeitsverteilung während des Rennens, Maximalgeschwindigkeit, Beschleunigung usw. Die Datenbank umfasst auch andere Kriterien und Bedingungen des Rennens, um einen automatischen Vergleich der Leistungen der Pferde gemäß den Umgebungsbedingungen und anderen Bedingungen zu ermöglichen.