Published August 13, 2021 | Version v1
Publication Open

Contextual movement models based on normalizing flows

  • 1. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
  • 2. Leuphana University of Lüneburg
  • 3. Norwegian University of Science and Technology

Description

Abstract Movement models predict positions of players (or objects in general) over time and are thus key to analyzing spatiotemporal data as it is often used in sports analytics. Existing movement models are either designed from physical principles or are entirely data-driven. However, the former suffers from oversimplifications to achieve feasible and interpretable models, while the latter relies on computationally costly, from a current point of view, nonparametric density estimations and require maintaining multiple estimators, each responsible for different types of movements (e.g., such as different velocities). In this paper, we propose a unified contextual probabilistic movement model based on normalizing flows. Our approach learns the desired densities by directly optimizing the likelihood and maintains only a single contextual model that can be conditioned on auxiliary variables. Training is simultaneously performed on all observed types of movements, resulting in an effective and efficient movement model. We empirically evaluate our approach on spatiotemporal data from professional soccer. Our findings show that our approach outperforms the state of the art while being orders of magnitude more efficient with respect to computation time and memory requirements.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تتنبأ نماذج الحركة المجردة بمواقف اللاعبين (أو الأشياء بشكل عام) بمرور الوقت، وبالتالي فهي أساسية لتحليل البيانات الزمانية المكانية لأنها غالبًا ما تستخدم في التحليلات الرياضية. تم تصميم نماذج الحركة الحالية إما من المبادئ الفيزيائية أو تعتمد بالكامل على البيانات. ومع ذلك، يعاني الأول من التبسيط المفرط لتحقيق نماذج مجدية وقابلة للتفسير، في حين يعتمد الأخير على تقديرات الكثافة غير البارامترية المكلفة حسابيًا، من وجهة النظر الحالية، ويتطلب الحفاظ على مقدرات متعددة، كل منها مسؤول عن أنواع مختلفة من الحركات (على سبيل المثال، مثل السرعات المختلفة). في هذه الورقة، نقترح نموذجًا موحدًا للحركة الاحتمالية السياقية يعتمد على تطبيع التدفقات. يتعلم نهجنا الكثافات المرغوبة من خلال تحسين الاحتمال بشكل مباشر ويحافظ فقط على نموذج سياقي واحد يمكن تكييفه على المتغيرات الإضافية. يتم إجراء التدريب في وقت واحد على جميع أنواع الحركات المرصودة، مما يؤدي إلى نموذج حركة فعال وكفء. نحن نقيم تجريبياً نهجنا بشأن البيانات المكانية والزمانية من كرة القدم الاحترافية. تظهر النتائج التي توصلنا إليها أن نهجنا يتفوق على أحدث التقنيات بينما يكون أكثر كفاءة فيما يتعلق بمتطلبات وقت الحساب والذاكرة.

Translated Description (French)

Les modèles de mouvement abstraits prédisent les positions des joueurs (ou des objets en général) au fil du temps et sont donc essentiels à l'analyse des données spatio-temporelles car elles sont souvent utilisées dans l'analyse sportive. Les modèles de mouvement existants sont soit conçus à partir de principes physiques, soit entièrement basés sur des données. Cependant, le premier souffre de simplifications excessives pour réaliser des modèles réalisables et interprétables, tandis que le second repose sur des estimations de densité non paramétriques coûteuses sur le plan informatique, d'un point de vue actuel, et nécessite le maintien de multiples estimateurs, chacun responsable de différents types de mouvements (par exemple, comme des vitesses différentes). Dans cet article, nous proposons un modèle de mouvement probabiliste contextuel unifié basé sur la normalisation des flux. Notre approche apprend les densités souhaitées en optimisant directement la probabilité et ne maintient qu'un seul modèle contextuel qui peut être conditionné par des variables auxiliaires. L'entraînement est effectué simultanément sur tous les types de mouvements observés, ce qui donne un modèle de mouvement efficace et efficient. Nous évaluons empiriquement notre approche sur les données spatio-temporelles du football professionnel. Nos résultats montrent que notre approche surpasse l'état de l'art tout en étant des ordres de grandeur plus efficaces en ce qui concerne le temps de calcul et les besoins en mémoire.

Translated Description (Spanish)

Los modelos abstractos de movimiento predicen las posiciones de los jugadores (u objetos en general) a lo largo del tiempo y, por lo tanto, son clave para analizar los datos espaciotemporales, ya que se utilizan a menudo en la analítica deportiva. Los modelos de movimiento existentes están diseñados a partir de principios físicos o están totalmente basados en datos. Sin embargo, el primero sufre de simplificaciones excesivas para lograr modelos factibles e interpretables, mientras que el segundo se basa en estimaciones de densidad no paramétricas computacionalmente costosas, desde un punto de vista actual, y requiere mantener múltiples estimadores, cada uno responsable de diferentes tipos de movimientos (por ejemplo, como diferentes velocidades). En este trabajo, proponemos un modelo de movimiento probabilístico contextual unificado basado en la normalización de flujos. Nuestro enfoque aprende las densidades deseadas optimizando directamente la probabilidad y mantiene un solo modelo contextual que puede condicionarse a variables auxiliares. El entrenamiento se realiza simultáneamente en todos los tipos de movimientos observados, lo que resulta en un modelo de movimiento efectivo y eficiente. Evaluamos empíricamente nuestro enfoque sobre los datos espaciotemporales del fútbol profesional. Nuestros hallazgos muestran que nuestro enfoque supera el estado del arte al tiempo que es órdenes de magnitud más eficientes con respecto al tiempo de cálculo y los requisitos de memoria.

Files

s10182-021-00412-w.pdf.pdf

Files (1.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3f6d92208c476770cb484414183a866d
1.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نماذج الحركة السياقية القائمة على تطبيع التدفقات
Translated title (French)
Modèles de mouvement contextuels basés sur la normalisation des flux
Translated title (Spanish)
Modelos contextuales de movimiento basados en la normalización de flujos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3204564902
DOI
10.1007/s10182-021-00412-w

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1004198444
  • https://openalex.org/W1564426507
  • https://openalex.org/W176094919
  • https://openalex.org/W2005885560
  • https://openalex.org/W2021348813
  • https://openalex.org/W2027670862
  • https://openalex.org/W2070792261
  • https://openalex.org/W2077385168
  • https://openalex.org/W2091831014
  • https://openalex.org/W2104067967
  • https://openalex.org/W2106748578
  • https://openalex.org/W2125570245
  • https://openalex.org/W2126194848
  • https://openalex.org/W2144169341
  • https://openalex.org/W2295330467
  • https://openalex.org/W2660868805
  • https://openalex.org/W2763119774
  • https://openalex.org/W2780436169
  • https://openalex.org/W2810942529
  • https://openalex.org/W2913111658
  • https://openalex.org/W2964068664
  • https://openalex.org/W2998106940
  • https://openalex.org/W2999046867
  • https://openalex.org/W3003984308
  • https://openalex.org/W3008003211
  • https://openalex.org/W3099878876
  • https://openalex.org/W4234034486
  • https://openalex.org/W4243863038