Sound Visualisierung von Footballfans

In jedem Fußballstadion der Welt wird eine ganz eigene Klangkulisse aufgebaut, mit der die Anhänger ihre Mannschaft motivieren. Denn erst die Fanstimmung in den Arenen macht den Mannschaftssport zum Gemeinschaftserlebnis für die Fans und die Spieler. Die gemeinsamen Fangesänge erzeugen die besondere Raumatmosphäre im Stadion. Wir machen die Emotionen der Fans im Stadion des FC Bayern München sichtbar! In dieser Saison besuchen unsere Akustik-Ingenieure im Rahmen des Projekts „REIMAGINE THE GAME“ von Siemens und The Economist fünf Heimspiele in der Allianz Arena. Mithilfe der Akustischen Kamera messen wir die Fangeräusche und kartieren die akustischen Daten auf ein 3D-Modell des Stadions. Die Verbindung der akustischen mit einer statistischen Analyse ermöglicht die Untersuchung der Beziehung zwischen den Fans und dem Geschehen auf dem Spielfeld. Ein Video über das Projekt und das Making Of gibt es hier: VIDEO ABOUT THE PROJECT

Durch die starke Geräuschkulisse der Fußballfans verdichtet sich eine Atmosphäre als räumliches Gefühl und das Fußballstadion wird zu einem Ort, an dem Gemeinschaft aktiv mitgestaltet und erlebt wird. Dabei beträgt die durchschnittliche Lautstärke der Fans 105 Dezibel – zum Vergleich: Ein startender Düsenjet in 100 Meter Entfernung liegt im Schnitt bei einer Lautstärke von 125 Dezibel! Die Fangesänge sind jedoch nicht nur ein Ausdruck der Zusammengehörigkeit, sondern dienen auch der Einflussnahme der Fans auf das Spielgeschehen. Eines der lautesten Fußballstadien in Deutschland ist in Dortmund: Borussia Dortmund ist bekannt für die „gelbe Wand“. Die Fans jubeln ihrem Team unterstützend zu, erschaffen aber gleichzeitig eine einschüchternde Atmosphäre für die gegnerische Mannschaft. Eine solche Einflussnahme der Fans auf den Spielverlauf ist nicht zu unterschätzen. Sevilla beispielsweise führt seit über einem Jahr einen Heim-Rekord: Sie haben kein Spiel im eigenen Stadion verloren. Der psychologische und physische Einfluss der jubelnden Fans auf Fußballspiele wurde bisher lediglich statistisch dokumentiert: Eine Studie an der Harvard Universität untersuchte 5000 Spiele der englischen Premier League und entwickelte die folgende Gleichung: Eine Steigerung von 10.000 Fans im Stadion erhöhe den Heimvorteil um 0,1 Tore.

Somit scheint die Geräuschkulisse der Fans eine wichtige Rolle für den positiven Ausgang des Spielergebnisses einzunehmen.

Unterstrichen wird dies durch die Geste der großen Fußballvereine wie FC Bayern München. Denn sie ehren ihre Fans, indem sie die Rückennummer 12 offiziell für sie reservieren. Der fragliche Einfluss des sogenannten „12. Mannes“ auf das Fußballteam wurde das erste Mal im Jahre 1900 an der Universität von Minnesota untersucht. Heutzutage ist der Begriff in Mannschaftssportarten mit 11 Spielmännern allgemein gebräuchlich für die Fans eines Teams. Mit anderen Worten: Das Konzept des „12. Mannes“ behandelt den Einfluss der Fangesänge auf die Stadionatmosphäre und damit auf das Spielergebnis.

Die Verbindung von Sport und der digitalen Welt mit IoT (Internet of Things) und künstlicher Intelligenz für die Spielanalyse ist kein neues Thema. Allerdings ist die Datenanalyse und -visualisierung im Sport meist auf das Spielfeld, insbesondere die Spieler, beschränkt. Die Spielerleistung und Spieldaten werden bereits in den meisten Fußballstadien analysiert. Zu diesem Zweck tragen Fußballspieler „Fitness-Tracker“ am Körper, welche die Bewegungsdaten aufzeichnen. Darüber hinaus sind moderne Fußballstadien mit Technologien ausgestattet, welche Parameter wie Licht, Wind und Feuchtigkeit überwachen. Die Aufzeichnungen werden laufend analysiert, sodass die Berechnung von Empfehlungen für Pflege und Wartung möglich ist.

In diesem Projekt jedoch liegt der Fokus auf den Fans: Das erste Mal überhaupt wird versucht, den Einfluss der Fangesänge zu quantifizieren. Das Projekt „REIMAGINE THE GAME“ wurde durch Siemens und The Economist ins Leben gerufen. Signal Noise, eine Agentur für Datenvisualisierung, nutzt die Akustische Kamera der gfai tech als innovatives Messinstrument, um die Stadionatmosphäre in München zu messen. Mittels Beamforming werden die Reaktionen der Fans auf Ballwechsel, Schiedsrichterentscheidungen, Tore und verpasste Chancen aufgezeichnet und visualisiert. Das Ergebnis ist eine visuelle Darstellung der Stadionatmosphäre, welche durch die Geräuschkulisse der Fangemeinschaft erzeugt wird. Aufgrund der Verbindung der Ergebnisse der Akustischen Kamera - Messung mit einer statistischen Analyse kann die Beziehung zwischen dem „12. Mann“ und den Aktionen auf dem Spielfeld untersucht werden. Nicht nur der Schall der Fankulisse, sondern auch der Einfluss der Fankulisse und die meist-bejubelten Spieler werden analysiert. Die Messergebnisse ermöglichen statistisches „Storytelling“, weil mehrere Spiele gemessen werden und Muster identifiziert werden können. Mithilfe der Korrelationsanalyse ist die Identifikation von Zusammenhängen der Fankulisse zu Einflussfaktoren sowohl in als auch außerhalb des Stadions möglich.

Im Internet sind zahlreiche Rankings der lautesten Fans und lautesten Stadien zu finden. Während die Lautstärke im Stadion mit einem Smartphone vergleichsweise einfach gemessen werden kann, ist die Messung und Analyse mittels Beamforming sehr komplex. Denn die Akustische Kamera erfasst jeden Fußballfan als einzelnen Datenpunkt in einer dreidimensionalen Messung. Unsere kugelförmigen Mikrofonarrays sind insbesondere für die dreidimensionale Raum- und Gebäudeakustik entwickelt worden. Zunächst wird mithilfe eines Laserscanners ein 3D-Modell als Grundlage aller Messungen erzeugt. Darauf folgen zeitliche, räumliche und frequenzselektive Analysen in Verbindung mit den akustischen Daten.

Bereits im Jahr 2010 haben wir im Michigan Stadium (American Football) die höchste je mittels Beamforming gemessene Anzahl an Geräuschquellen aufgenommen (109.901 Zuschauer = 109.901 individuelle Schallquellen). Ein Video zu dieser Messung gibt es auf unserem YouTube-Channel. Während wir die Akustische Kamera damals lediglich für eine 4-minütige Messung in der Halbzeit einsetzten, haben wir nun in der Allianz Arena während der gesamten Spiellaufzeit die Fankulisse aufgezeichnet. Im ersten Schritt nutzten unsere Akustik-Ingenieure Olaf Bölke und Kollege einen Laserscanner, um die Allianz Arena dreidimensional zu erfassen. Auf Basis der Scandaten erstellten sie daraufhin eine 3D-Punktwolke des Stadions, auf das später die akustischen Hotspots im Stadion lokalisiert wurden. 

Während des Spiels gegen den TSG 1899 Hoffenheim dienten zwei Sphere Arrays der Datenerfassung der Geräuschkulisse während der gesamten Spielzeit. Aus den akustischen Daten der 75.000 Fans konnte anschließend ein akustisches Video erstellt werden, indem die Schallquellen auf das 3D-Modell des Stadions kartiert wurden. In der Folge dienen die Auswertungsergebnisse der Akustischen Kamera weiteren Datenvisualisierungen und statistischen Analysen.

Während die Geräuschkartierungen im Beamforming klassisch als Farbverläufe dargestellt werden, ist für sogenanne „Data Scientists“ jeder Fan ein einzelner Datenpunkt. Diese Datenpunkte sind die Basis für Mustererkennung und Korrelationsanalysen, welche über die gesamte Saison hinweg durchgeführt werden. Von „Wo im Stadion sind die Fans am lautesten“ über „Bei welchem Wetter sind die Fans leiser?“ zu „Welche Mannschaften sind lauter als andere?“ sind viele Fragestellungen möglich. Anschließend sind Prognosen über das Verhalten der Fans und den Einfluss der Fangesänge auf das Spielergebnis der nächste Schritt.

Auf der Projekt-Website sind bereits die Visualisierungen der Ergebnisse samt Tonaufnahmen der Spiele des FC Bayern München gegen den TSG 1899 Hoffenheim, gegen den 1. FC Nürnberg und gegen Borussia Mönchengladbach verfügbar. Ein „Dashboard“ veranschaulicht die Ergebnisse der Datenanalyse in vier Kategorien.

1. Auf der Zeitachse des Spiels sind Schlüsselmomente wie Tore oder Fouls wählbar: So können Fangeräusche zu dem exakten Zeitpunkt miterlebt werden. Neben dem akustischen Erlebnis über die Lautsprecher zeigt ein Video die Lautstärke der Fans in verschiedenen Teilen das Stadions an.
2. Der sogenannte „Fan-Energie-Score“ stellt einen Vergleichswert für die Lautstärke der Fans bei einzelnen Spielern, sowie Angriff- und Abwehr-Aktionen, oder verschiedenen Fußballspielen dar. Die Dezibel-Reichweite der Fans im Stadion wird gemessen und mit den Schalldruckpegel-Daten kombiniert, um einen durchschnittlichen Punktwert der Fanlautstärke zwischen 1-100 zu berechnen.
3. Die Analyse von Schlüsselmomenten im Spiel ermöglicht den direkten Vergleich der Fangeräusche bei Toren, roten Karten oder Fouls.
4. Interessant ist auch die Spieleranalyse: Welche Spieler haben die größte Begeisterung ausgelöst? Die Visualisierung der Fangeräusche zeigt ein Ranking der Punktwerte von FC Bayern Münchens Topspielern hinsichtlich der erreichten Lautstärke, wenn sie am Ball waren.

Das erste Mal in der Geschichte des Fußballs kann ein Spiel im Nachhinein durch die Stimmen der Fans miterlebt werden. Wir machen die Klangkulisse der Fußballfans sichtbar! Denn der Einsatz der Akustischen Kamera ermöglicht die Darstellung und Analyse der Stadionatmosphäre, welche durch Fangesänge erzeugt wird. Darüber hinaus kann der Zusammenhang zwischen der Fankulisse und dem Spielergebnis analysiert werden. Außerdem eröffnet die statistische Spielanalyse neue strategische Möglichkeiten für die Strategieplanung der Mannschaft sowie für die Gebäudeoptimierung des Stadions. Durch geschickte Akustikplanung auf Basis der Datenanalyse kann das Gemeinschaftserlebnis im Stadion weiter optimiert werden. "Zum ersten Mal können wir den Effekt der Fangeräusche quantifizieren, indem wir das Geschehen auf dem Spielfeld und die Geräusche der 75.000 Fans in der Allianz Arena anschauen und entstehende Muster analysieren.“, sagt der Vorsitzende von Signal Noise, Matthew Falla.