擊敗西班牙、送德國回家,日本這球有沒有出界?

12 月 2 日凌晨,2022 卡達世界盃 E 組第三輪小組賽迎來出人意料的結局,日本 2-1 爆冷擊敗歐洲強隊西班牙,以小組頭名戰績昂首出線。

在這場比賽中,大家最為關心的一個問題就是,在比賽進行到第 51 分鐘時,日本隊打入第二個進球,主裁判先是判罰足球出界在先,但主裁判在長時間聽取視訊助理裁判的意見後,最終判罰進球有效。

比賽畫面截圖

比賽畫面截圖

從上面這個角度看,相信在螢幕前觀賽的球迷們一定都會認為足球已經出界,日本的進球無效,但視訊助理裁判卻給了「球未出界,進球有效」的結論。

根據足球規則規定,只有足球整體出界,才算出界。也就是說,出界是指整個球的最大橫截面,對地面的投影全部超出白色邊線,才算出界。只要這個投影和白色邊線稍微還有一毫米的重疊,那就不是出界。

據澎湃新聞援引外媒最新報道,皮球與底線有 1.88 毫米重合,所以此球並不算出界

比賽 50 分鐘時日本隊關鍵進球示意圖

比賽 50 分鐘時日本隊關鍵進球示意圖

顯然,有時候肉眼的判斷,有時候並不準確。

本屆世界盃,國際足聯引進了很多高科技,除了之前備受「詬病」的半自動越位系統之外,這次連足球內部也植入了晶片,下面就讓我們一起來看看本屆世界盃用球還有哪些黑科技。

01

世界盃場上的黑科技

長期以來,足球科技界一直致力於將傳感器與現有光學追蹤工具相結合,因為這會使VAR(視訊助理裁判)越位審查等判罰更加準確和快捷,讓比賽進行得更流暢。

如今,這對組合正式走入世界盃賽場,也必將成為一個公開的技術測試案例。

阿根廷的毫釐越位逃不過半自動越位識別系統

就像蓬勃發展的體育科技世界的許多領域一樣,半自動越位識別系統既是終點,也是全新時代的起點。它也是經歷了多年的研究和測試,才得以投入使用。

此外,本屆世界盃用球,其外在設計帶來更優異的空氣動力學性能,內部還安置了傳感器,令越位判罰更精準無誤。關於這一點,想必阿根廷球員們對此深有體會。

2022年世界盃用球內建追蹤傳感器,這是世界盃首創

安裝在足球內部的特殊傳感器在獲得國際足聯的全面認證之前,已經進行了 6 年的開發測試。世界盃能迅速將新興技術推向公眾視野,最終的應用範圍將遠遠超出比賽判罰這一用途。

當然,大多數觀眾對於新技術必然存有諸多疑問:

  • 球和運動員追蹤技術是如何開發的?
  • 該技術在本屆世界盃上有哪些關鍵用途?
  • 這項技術是如何進行測試的?
  • 球員、球隊和球迷如何能夠相信它的判罰結果的準確性和判罰尺度是一致的?
  • 還有或許是最重要的,這項技術產生的大量資料將如何影響未來的球隊戰術分析、球迷比賽觀賞和球員技術提高?

對此,體育記者本·道塞特(Ben Dowsett)採訪了多位體育科技界人士,就這項足球領域迄今最大膽的試驗尋找答案。

02

半自動越位識別系統是什麼技術?

基於什麼原理?

2022 年世界盃採用的「半自動越位識別系統」,主要由 AI 驅動,但最終結果由人類確認

每個比賽用球內都安置一套設備,根據設計該設備的德國公司 KINEXON 的說法,這套設備重 14 克,由兩個獨立工作的傳感器組成:

  • 超寬頻(UWB)傳感器:一種優於 GPS 或藍牙的精確位置資料的技術,而且可以實時傳輸資料,不斷跟蹤球的位置;
  • 慣性測量單元(IMU)傳感器:一種旨在檢測物體在空間的細微運動的傳感器。
世界盃用球中心處有傳感器

世界盃用球中心處有傳感器

KINEXON 公司聯合創始人兼總經理馬克西米利安·施密特(Maximillian Schmidt)表示:「UWB 傳感器能給出物體的位置資訊,IMU 則提供球三維的運動細節。

球只要被踢、被頂、被扔,甚至只是被拍打,相關情況系統都會以每秒 500 幀的速度捕捉到。資料從傳感器實時發送到本地定位系統(LPS),該系統由一套網路天線組成,安裝在比賽場地周圍,這些天線接收並儲存資料,並能供立即使用。

在比賽過程中,當一個球飛出界外,一個新球被拋入或踢入場內成為新比賽用球時,KINEXON 的後端系統會自動切換到新球的資料輸入,不需要人工干預。

KINEXON 的球內裝置由阿迪達斯提供的懸掛技術支持,該技術將傳感器置於球的中心點,並將其固定不動。

球員29個部位被鷹眼系統實時捕捉

球員29個部位被鷹眼系統實時捕捉

球內傳感器與鷹眼光學攝像機追蹤系統協作運行。鷹眼系統成名於網球場。12 臺鷹眼攝像機安裝在足球場周圍,以每秒 50 次的頻率追蹤球本身和每位球員,對球員身體的 29 個點(包括四肢)進行獨立追蹤。

當這兩個資料來源結合在一起時,就可以做出越位判決,不僅高度準確,而且出結果的速度比過去快得多——這是國際足聯在這個世界盃週期的一個主要優先事項。

國際足聯技術創新部足球研究和標準主管尼可拉斯·埃文斯(Nicolas Evans)說道:「我們在 2018 年世界盃後進行了例行述職,認為最需要改進的地方是縮短越位判決所需的時間。」

這個目標達成了,方法是,來自 KINEXON 和鷹眼的資料輸入給人工智慧軟體;軟體運行之後,自動向視訊裁判生成自動越位警報,由視訊裁判確認,而不是手動回看視訊,這太耗時了。

該軟體還能生成空間資料的 3D 渲染,疊加到電視轉播和球場內的大顯示屏上,讓球迷直接看到每一個被審查的判罰是如何做出最後裁決的。

03

資料準確性如何?

經過了怎樣的測試?

我們自然可以提出這樣一個問題:「我怎麼知道這個資料能持續反映球員和球的真實位置?」

這裡要理解的第一個概念是刷新頻率(更準確的術語是「幀率」),單位為赫茲,指的是特定顯示器每秒更新圖像的次數,即每秒顯示過的幀數。當前高畫質顯示器常用的格式標準為 50 赫茲,圖像每秒更新 50 次,即每秒 50 幀。

你將視訊逐幀播放,就能看出,相鄰幀之間略有差別,能感受到時間的輕微流逝。對於 50 赫茲的視訊,相鄰幀的時間間隔是 20 毫秒(對於 60 赫茲的視訊,相鄰幀的時間間隔為 16.66 毫秒,以此類推)。

KINEXON 的球追蹤系統的資料以 500 赫茲的速度傳送,這意味著它給出的位置比真實位置滯後 2 毫秒——是標準的 50 赫茲視訊的滯後時間的十分之一。

此外,KINEXON 和鷹眼資料之間用 PTP 主時鐘來同步時間,精確到百萬分之一秒,這樣便能確保這兩個信號永遠不會紊亂。

為了確保該系統的每個組成部分都不出差錯,國際足聯在受控和自然環境下都做過了測試。

KINEXON 球傳感器和鷹眼的光學攝像機組合要通過國際足聯的「球場真實測試」。該測試要用到至少 36 臺高質量的 Vicon 運動捕捉相機,結合為這些攝像機設計的反射標記,放置在球上和每個球員身上,進行超精確的檢測。

當球員和球在測試場上移動時,這些 Vicon 攝像機和 KINEXON-鷹眼裝置組合同時運行,研究人員比較這兩個系統的結果,以評估後者的準確性。

這種測試還用到其他工具,讓測試更嚴格,例如用鐳射檢測高速球員衝刺跑等狀況。

進行”球場真實測試”的36臺Vicon運動捕捉攝像機圍成一圈,用來測試越位自動判別系統

考慮到世界盃是世界上最受關注的體育賽事之一,另一種測試也是至關重要的,即要確保球員感覺不到球內安置的傳感器。否則,很容易想到,會出現這樣的情景:一個著名的球員點球射失或有其他失誤,他歸咎於不適應世界盃用球的球感,這會引發全世界的爭議。消除這種擔憂自然很重要。

比賽用球生產商阿迪達斯負責這種測試,這種測試以兩種方式進行。

  • 球員盲測:在西班牙、德國和英格蘭等地俱樂部的幫助下,進行了廣泛的盲測,看球員是否能分辨出普通球和內建有傳感器和懸掛裝置的球之間的區別。
  • 機械射手測試:在實驗室環境中,射門機器人以不同的速度、旋轉和方向「踢」球。然後用高速攝像機評估球的飛行,確保傳感器的存在不會讓球產生異常的飛行路徑。

相關測試是在一些職業和非職業比賽環境中進行的,例如在卡達舉行的 2021 年國際足聯阿拉伯杯和在阿布扎比舉行的 2021 年國際足聯世界俱樂部杯。此外,國際足聯自己組織了幾項自己的額外盲測。

埃文斯說:「與我們的合作伙伴阿迪達斯一起,進行了大規模的盲測,球員們無法察覺到內建有傳感器的球和普通球之間的差異。」

類似技術也已經在真實比賽中進行了多年的測試。2018 年,在德國第四級別聯賽中,裝有 KINEXON 的傳感器早期版本的足球與球衣追蹤系統一起使用,並將實時資料嵌入到電視直播中;今年早些時候,在德國學院俱樂部(注:職業俱樂部的梯隊)的比賽中使用了較新版本裝置。同時,鷹眼攝像機設置已在本賽季初期的歐洲冠軍聯賽小組賽中使用,為世界盃做準備。

當然,這些都不能保證萬無一失。在科技領域,不可預見的情況不可能完全排除。設備總有發生故障的風險。即使在可能的情況下,技術自始至終完美工作,但如果某國的頂級球員踢壞了球的追蹤系統,或者聲稱系統不準確,那麼說服瘋狂的球迷,只能憑運氣了。

這些種種可能最終都是不可避免的。但相關公司相信,他們在各種指標上都已達標,可以將這種新技術引入到世界上最重要的足球賽事中。

埃文斯說:「世界盃所用技術很可能是同類技術中有史以來最好的。」

04

技術的冰山一角

2022 年世界盃上的越位自動判別系統只是觸及了這類技術的潛在能力的表面——它的應用潛力遠遠超出了裁判助手這一範圍。

用不了多久,這種內建傳感器的球和光學追蹤的組合可能成為每個參與這項運動的人都熟悉的工具,就像 NBA 的第二光譜追蹤或網球的鷹眼一樣。球隊和球員可以使用由此產生的資料進行下一代戰術分析,賽事轉播中用於視覺化精彩場面和爭議判罰,會吸引來更多觀眾。球迷們將能接觸到大量前所未有的新統計資料。

事實上,這已經開始發生了。

事實上,這已經開始發生了

上個賽季的葡超升降級附加賽用球內建了傳感器

2022 年 5 月,葡萄牙超級聯賽升降級附加賽用了內建 KINEXON 傳感器的足球,同時球員球衣上也有傳感器,用於追蹤球員的動作。賽後給出了多個類別共 300 多種統計資料,包括:

  • 技術資料:射門和傳球速度、控球時間、各種運球動作
  • 表現資料:運球速度、加速和衝刺跑——包括有球和無球——加上運動員「負荷」的測量
  • 戰術資料:面向球隊和球員兩個方面,可以跟蹤空間控制、壓迫、得球/失球和反擊等戰術概念

這些資料的可能應用範圍幾乎是無限的,特別是在它有朝一日成為比賽的標準部分,其相關各方熟悉運用之後。

施密特說道:「我們可以實時使用這些資訊來講述新的故事,可以用它們來創建虛擬世界,增強併疊加到真實畫面上,還可以洞察球員的表現。」

首先,球迷們在這種先進技術的基礎上有新的方式來享受比賽。轉播畫面會有諸多改善,會有更多的 3D 沉浸式圖像,類似於 2022 年世界盃觀眾將看到的越位效果圖,可以有新的應用方式,甚至觀眾可以自己來控制呈現的方式。我們還將看到資料載入到螢幕上,觀眾可以設置轉播要顯示的實時資訊和數字化的比賽畫面。

而在這之後的下一個浪潮更讓人浮想聯翩。虛擬現實世界提供了誘人的潛力。想象一下,從姆巴佩、本澤馬或你選擇的任何其他球員的視角來觀看比賽(甚至是整場比賽)。埃文斯和這個領域的其他人也希望這些資料最終能進入視訊遊戲的世界,將現實和數字世界融合為一體。

這還只是在球迷方面。

這還只是在球迷方面

在虛擬現實技術的加持下,未來球迷也許可以代入為場上某個球員來觀看比賽直播

隨著 2022 年世界盃的追蹤裝備在足球方方面面變得越來越普遍,球員和球隊現在將擁有大量的新資料,特別是圍繞球——這項運動的真正靈魂的資料。戰術制定、覆盤分析甚至最重要方面——球員身體狀況和場上表現的改進,都攤在桌面上。

施密特說:「越來越多的聯賽現在正在思考,‘我們如何用來自球的新洞見來加強現有的資料集?’因為它是比賽的核心。」

科技一直在改變我們觀看體育比賽的方式,2022 年世界盃有望成為一個分水嶺時刻。當你看到第一個「半自動化」的越位判罰時,請記住走到這一步所付出的努力,並想象一下不久的將來會發生什麼。

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