Towards a New Approach to Match Analysis: Understanding football players’ synchronization using tactical metrics

Abstract

The aim of this dissertation was to research the collective organisation of football players during official matches. It was also the aim of this dissertation to update and to propose new computational match analysis methodologies that use the Cartesian information of players’ location on the field throughout the time. Based on the existing literature it was found that the computational metrics has the potential to assess players’ tactical performance during the matches. Thus, the first study of this dissertation was to optimize the tracking of football players by using an estimation approach involving the Fractional Calculus. In this context, based on the information of players’ location over the time it was possible to update the spatio-temporal metrics previously proposed by the literature. In the second study of this dissertation, not only the update versions of spatio-temporal metrics were proposed, but also new metrics were designed based on the specificity of the football game. Thus, the Centroid and Stretch Index metrics were updated by introducing a weighted based on the proximity of each player to the ball, thus designating the new versions of wCentroid Index and wStretch Index. Moreover, a new metric was proposed to replace the usual Surface Area, that is, by inserting an efficacy criterion to define the moments where the triangulations of both teams are overlapped. This metric was called Effective Area of Play. These spatio-temporal metrics were analysed throughout the official matches in the moments with and without the possession of the ball and between the 1st and 2nd half of the match. It was found that the highest levels of wCentroid Index, wStretch Index and Effective Area of Play was in the moment with the possession of the ball during 1st half. In the third study, the spatial occupation of players on football field was assessed using the Territorial Domain that split the field into 12 regions and the numerical relationship between opponents within each region was analysed. It was observed that the highest variability of such numerical relationship was found in the midfield regions. In order to convert the manual observation into automated method a set of criteria were defined based on the offensive principles of play in the fourth and fifth studies. No differences were found between different matches, nevertheless using such metrics it was possible to observe that the studied team opted to a direct style of attacking play and not by a circulation style. Once again, by using the Cartesian ixinformation about the players’ position it was possible to propose two new metrics in the sixth study: Defensive Play Area and Sectorial Lines. By using these metrics it was observed that the highest area of defensive pressing was in the midfield region, and a small correlation between the three sectorial lines within the team, thus being partially independent from each other. In conclusion, it was possible throughout this dissertation to propose a set of new computational and automated metrics that can allow characterizing user-friendly team’s properties, opening the gates for a new era of match analysis and sports training optimization.

O objetivo da presente dissertação foi investigar a organização coletiva de jogadores de futebol em jogos oficiais. Foi ainda objetivo da presente dissertação atualizar e propor novas metodologias de análise de jogo auxiliadas computacionalmente considerando a localização cartesiana dos jogadores no campo ao longo do tempo. Para o efeito, e a partir da literatura existente, procurou-se enquadrar e sintetizar as potencialidades das métricas computacionais de avaliação tática no contexto da análise de jogo. Propôs-se, nesta dissertação, um método de otimização do processo de estimação do posicionamento dos jogadores utilizando o Cálculo Fracionário. Tendo como referência a estimação dos jogadores ao longo do tempo procurou-se, numa primeira fase, adaptar e modernizar as métricas espácio-temporais existentes. Posteriormente, propôs-se novas métricas tendo por base o estado da arte sobre a análise de jogo em futebol. Desta forma, às métricas de Centroid e Stretch Index foi proposta uma ponderação que determina a organização coletiva em função do posicionamento da bola designando as novas métricas de wCentroid e wStretch Index. Adicionalmente, em substituição da métrica existente de Surface Area foi proposta a Effective Area of Play que acrescenta um critério de eficácia defensiva no momento de interceção entre as áreas ocupadas pelas equipas adversárias. Estas métricas espácio-temporais foram analisadas ao longo de jogos oficias nos instantes com e sem posse de bola e entre as partes do jogo tendo-se a existência de diferenças estatisticamente significativas no desempenho coletivo, com valores mais elevados do wCentroid, wStretch Index e Effective Area of play nos instantes com posse de bola durante a primeira parte. A ocupação espacial dos jogadores em regiões do terreno foi averiguada utilizando a métrica designada de Territorial Domain que determina 12 setores de jogo e verifica a relação numérica entre adversários. Através de métodos estatísticos não-lineares, verificou-se que a maior variabilidade na relação numérica ocorreu nos setores centrais do meio-campo. Tendo-se como objetivo converter métodos observacionais manuais em métodos observacionais auxiliados computacionalmente, estabeleceram-se critérios de eficácia no cumprimento dos princípios de jogo ofensivos. Verificou-se que não existiram diferenças estatisticamente significativas ao longo dos jogos observados, no entanto, foi possível xiidentificar que a equipa observada privilegiou o estilo de jogo direto em detrimento do estilo de jogo em apoio. Ainda tendo como base a informação sobre o posicionamento cartesiano dos jogadores propuseram-se as métricas de determinação das áreas de pressing defensivo e de determinação das linhas sectoriais. Através da análise efetuada foi possível verificar que as áreas mais amplas de pressing ocorreram no meio-campo e que as três linhas da equipa possuem uma correlação baixa. Em suma, foi possível através da presente dissertação propor um conjunto de novas métricas computacionais que permitirão caracterizar de forma rápida e intuitiva as características específicas de cada equipa, abrindo espaço para um novo futuro da análise de jogo e otimização do processo de treino.