AI驱动、鹰眼光学追踪……本届世界杯用球内含了多少黑科技？_风闻

本届世界杯用球，其外在设计带来更优异的空气动力学性能，内部还安置了传感器，令越位判罚更精准无误。关于这一点，大可问问阿根廷球员，他们对此深有体会。

长期以来，足球科技界一直致力于将传感器与现有光学追踪工具相结合，因为这会使VAR（视频助理裁判）和越位审查等判罚更加准确和快捷，让比赛进行得更流畅。

如今，这对组合正式走入世界杯赛场，也必将成为一个公开的技术测试案例。

撰文 | 瞿立健

2022年世界杯用球内置追踪传感器，这是世界杯首创

阿根廷的毫厘越位逃不过半自动越位识别系统

就像蓬勃发展的体育科技世界的许多领域一样，半自动越位识别系统既是终点，也是全新时代的起点。它也是经历了多年的研究和测试，才得以投入使用。

安装在球内的这个特殊的传感器在获得国际足联的全面认证之前，已经进行了6年的开发测试。世界杯能迅速将新兴技术推向公众视野，最终的应用范围将远远超出比赛判罚这一用途。

当然，大多数观众对于新技术必然存有诸多疑问——

球和运动员追踪技术是如何开发的？

该技术在本届世界杯上有哪些关键用途？

这项技术是如何进行测试的？

球员、球队和球迷如何能够相信它的判罚结果的准确性和判罚尺度是一致的？

还有或许是最重要的，这项技术产生的大量数据将如何影响未来的球队战术分析、球迷比赛观赏和球员技术提高？

本文作者、体育记者本·道塞特（Ben Dowsett）采访了多位体育科技界人士，就这项足球领域迄今最大胆的试验寻找答案。

这是一种什么技术？基于什么原理？

2022年世界杯采用的“半自动越位识别系统”，主要由AI驱动，但最终结果由人类确认。

世界杯用球中心处有传感器

每个比赛用球内都安置一套设备，由德国公司KINEXON设计，这家公司是体育比赛追踪技术龙头企业。根据该公司的说法，这套设备重14克，由两个独立工作的传感器组成：

◆ 超宽带（UWB）传感器。一种优于GPS或蓝牙的精确位置数据的技术，而且可以实时传输数据，不断跟踪球的位置。

◆ 惯性测量单元（IMU）传感器。一种旨在检测物体在空间的细微运动的传感器。

KINEXON公司联合创始人兼总经理马克西米利安·施密特（Maximillian Schmidt）表示：“ UWB传感器能给出物体的位置信息，IMU则提供球三维的运动细节。”

球只要被踢、被顶、被扔，甚至只是被拍打，相关情况系统都会以每秒500帧的速度捕捉到。数据从传感器实时发送到本地定位系统（LPS），该系统由一套网络天线组成，安装在比赛场地周围，这些天线接收并存储数据，并能供立即使用。

在比赛过程中，当一个球飞出界外，一个新球被抛入或踢入场内成为新比赛用球时，KINEXON的后端系统会自动切换到新球的数据输入，不需要人工干预。

KINEXON的球内装置由阿迪达斯提供的悬挂技术支持，该技术将传感器置于球的中心点，并将其固定不动。

球员29个部位被鹰眼系统实时捕捉

球内传感器与鹰眼光学摄像机追踪系统协作运行。鹰眼系统成名于网球场。12台鹰眼摄像机安装在足球场周围，以每秒50次的频率追踪球本身和每位球员, 对球员身体的29个点（包括四肢）进行独立追踪。

当这两个数据源结合在一起时，就可以做出越位判决，不仅高度准确，而且出结果的速度比过去快得多——这是国际足联在这个世界杯周期的一个主要优先事项。

国际足联技术创新部足球研究和标准主管尼古拉斯·埃文斯（Nicolas Evans）说道：“我们在2018年世界杯后进行了例行述职，认为最需要改进的地方是缩短越位判决所需的时间。”

这个目标达成了，方法是，来自KINEXON和鹰眼的数据输入给人工智能软件；软件运行之后，自动向视频裁判生成自动越位警报，由视频裁判确认，而不是手动回看视频，这太耗时了。

该软件还能生成空间数据的3D渲染，叠加到电视转播和球场内的大显示屏上，让球迷直接看到每一个被审查的判罚是如何做出最后裁决的。

数据准确性如何？经过了怎样的测试？

我们自然可以提出这样一个问题：“我怎么知道这个数据能持续反映球员和球的真实位置？”

这里要理解的第一个概念是刷新频率（更准确的术语是“帧率”），单位为赫兹，指的是特定显示器每秒更新图像的次数，即每秒显示过的帧数。当前高清显示器常用的格式标准为50Hz，图像每秒更新50次，即每秒50帧。

你将视频逐帧播放，就能看出，相邻帧之间略有差别，能感受到时间的轻微流逝。对于50Hz的视频，相邻帧的时间间隔是20毫秒（对于60Hz的视频，相邻帧的时间间隔为16.66毫秒，以此类推）。

KINEXON的球追踪系统的数据以500Hz的速度传送，这意味着它给出的位置比真实位置滞后2毫秒——是标准的50Hz视频的滞后时间的十分之一。

此外，KINEXON和鹰眼数据之间用PTP主时钟来同步时间，精确到百万分之一秒，这样便能确保这两个信号永远不会紊乱。

为了确保该系统的每个组成部分都不出差错，国际足联在受控和自然环境下都做过了测试。

KINEXON球传感器和鹰眼的光学摄像机组合要通过国际足联的"球场真实测试"。该测试要用到至少36台高质量的Vicon运动捕捉相机，结合为这些摄像机设计的反射标记，放置在球上和每个球员身上，进行超精确的检测。

当球员和球在测试场上移动时，这些Vicon摄像机和KINEXON-鹰眼装置组合同时运行，研究人员比较这两个系统的结果，以评估后者的准确性。

这种测试还用到其他工具，让测试更严格，例如用激光检测高速球员冲刺跑等状况。

进行"球场真实测试"的36台Vicon运动捕捉摄像机围成一圈，用来测试越位自动判别系统

考虑到世界杯是世界上最受关注的体育赛事之一，另一种测试也是至关重要的，即要确保球员感觉不到球内安置的传感器。否则，很容易想到，会出现这样的情景：一个著名的球员点球射失或有其他失误，他归咎于不适应世界杯用球的球感，这会引发全世界的争议。消除这种担忧自然很重要。

比赛用球生产商阿迪达斯负责这种测试，这种测试以两种方式进行。

◆ 球员盲测。在西班牙、德国和英格兰等地俱乐部的帮助下，进行了广泛的盲测，看球员是否能分辨出普通球和内置有传感器和悬挂装置的球之间的区别。

◆ 机械射手测试。在实验室环境中，射门机器人以不同的速度、旋转和方向“踢”球。然后用高速摄像机评估球的飞行，确保传感器的存在不会让球产生异常的飞行路径。

相关测试是在一些职业和非职业比赛环境中进行的，例如在卡塔尔举行的2021年国际足联阿拉伯杯和在阿布扎比举行的2021年国际足联世界俱乐部杯。此外，国际足联自己组织了几项自己的额外盲测。

埃文斯说：“与我们的合作伙伴阿迪达斯一起，进行了大规模的盲测，球员们无法察觉到内置有传感器的球和普通球之间的差异。”

类似技术也已经在真实比赛中进行了多年的测试。2018年，在德国第四级别联赛中，装有KINEXON的传感器早期版本的足球与球衣追踪系统一起使用，并将实时数据嵌入到电视直播中；今年早些时候，在德国学院俱乐部（注：职业俱乐部的梯队）的比赛中使用了较新版本装置。同时，鹰眼摄像机设置已在本赛季初期的欧洲冠军联赛小组赛中使用，为世界杯做准备。

当然，这些都不能保证万无一失。在科技领域，不可预见的情况不可能完全排除。设备总有发生故障的风险。即使在可能的情况下，技术自始至终完美工作，但如果某国的顶级球员踢坏了球的追踪系统，或者声称系统不准确，那么说服疯狂的球迷，只能凭运气了。

这些种种可能最终都是不可避免的。但相关公司相信，他们在各种指标上都已达标，可以将这种新技术引入到世界上最重要的足球赛事中。

埃文斯说：“世界杯所用技术很可能是同类技术中有史以来最好的。”

技术的冰山一角

2022年世界杯上的越位自动判别系统只是触及了这类技术的潜在能力的表面——它的应用潜力远远超出了裁判助手这一范围。

用不了多久，这种内置传感器的球和光学追踪的组合可能成为每个参与这项运动的人都熟悉的工具，就像NBA的第二光谱追踪或网球的鹰眼一样。球队和球员可以使用由此产生的数据进行下一代战术分析，赛事转播中用于可视化精彩场面和争议判罚，会吸引来更多观众。球迷们将能接触到大量前所未有的新统计数据。

事实上，这已经开始发生了。

上个赛季的葡超升降级附加赛用球内置了传感器

2022年5月，葡萄牙超级联赛升降级附加赛用了内置KINEXON传感器的足球，同时球员球衣上也有传感器，用于追踪球员的动作。赛后给出了多个类别共300多种统计数据，包括：

技术数据：射门和传球速度、控球时间、各种运球动作表现数据：运球速度、加速和冲刺跑——包括有球和无球——加上运动员“负荷”的测量战术数据：面向球队和球员两个方面，可以跟踪空间控制、压迫、得球/失球和反击等战术概念

这些数据的可能应用范围几乎是无限的，特别是在它有朝一日成为比赛的标准部分，其相关各方熟悉运用之后。

施密特说道：“我们可以实时使用这些信息来讲述新的故事，可以用它们来创建虚拟世界，增强并叠加到真实画面上，还可以洞察球员的表现。”

首先，球迷们在这种先进技术的基础上有新的方式来享受比赛。转播画面会有诸多改善，会有更多的3D沉浸式图像，类似于2022年世界杯观众将看到的越位效果图，可以有新的应用方式，甚至观众可以自己来控制呈现的方式。我们还将看到数据加载到屏幕上，观众可以设置转播要显示的实时信息和数字化的比赛画面。

而在这之后的下一个浪潮更让人浮想联翩。虚拟现实世界提供了诱人的潜力。想象一下，从姆巴佩、本泽马或你选择的任何其他球员的视角来观看比赛（甚至是整场比赛）。埃文斯和这个领域的其他人也希望这些数据最终能进入视频游戏的世界，将现实和数字世界融合为一体。

这还只是在球迷方面。

在虚拟现实技术的加持下，未来球迷也许可以代入为场上某个球员来观看比赛直播

随着2022年世界杯的追踪装备在足球方方面面变得越来越普遍，球员和球队现在将拥有大量的新数据，特别是围绕球——这项运动的真正灵魂的数据。战术制定、复盘分析甚至最重要方面——球员身体状况和场上表现的改进，都摊在桌面上。

施密特说：“越来越多的联赛现在正在思考，‘我们如何用来自球的新洞见来加强现有的数据集？‘因为它是比赛的核心。”

科技一直在改变我们观看体育比赛的方式，2022年世界杯有望成为一个分水岭时刻。当你看到第一个 “半自动化"的越位判罚时，请记住走到这一步所付出的努力，并想象一下不久的将来会发生什么。

资料来源

The World Cup’s New High-Tech Ball Will Change Soccer Forever

本文经授权转载自微信公众号“世界科学”。

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