转自：科普中国
北京时间 12 月 2 日凌晨，2022 卡塔尔世界杯 E 组第三轮小组赛迎来出人意料的结局，日本 2-1 爆冷击败欧洲强队西班牙，以小组头名战绩昂首出线。
在这场比赛中，大家最为关心的一个问题就是，在比赛进行到第 51 分钟时，日本队打入第二个进球，主裁判先是判罚足球出界在先，但主裁判在长时间听取视频助理裁判的意见后，最终判罚进球有效。
比赛画面截图
从上面这个角度看，相信在屏幕前观赛的球迷们一定都会认为足球已经出界，日本的进球无效，但视频助理裁判却给了“球未出界，进球有效”的结论。
根据足球规则规定，只有足球整体出界，才算出界。也就是说，出界是指整个球的最大横截面，对地面的投影全部超出白色边线，才算出界。只要这个投影和白色边线稍微还有一毫米的重叠，那就不是出界。
据澎湃新闻援引外媒最新报道，皮球与底线有 1.88 毫米重合，所以此球并不算出界。
比赛 50 分钟时日本队关键进球示意图
显然，有时候肉眼的判断，有时候并不准确。
本届世界杯，国际足联引进了很多高科技，除了之前备受“诟病”的半自动越位系统之外，这次连足球内部也植入了芯片，下面就让我们一起来看看本届世界杯用球还有哪些黑科技。
01
世界杯场上的黑科技
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。
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。
此外，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，想必阿根廷球员们对此深有体会。
2022年世界杯用球内置追踪传感器，这是世界杯首创
安装在足球内部的特殊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？
对此，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。
02
半自动越位识别系统是什么技术？
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。
每个比赛用球内都安置一套设备，根据设计该设备的德国公司 KINEXON 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。
世界杯用球中心处有传感器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。
世界杯用球中心处有传感器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。
03
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 50 赫兹，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 50 赫兹的视频，相邻帧的时间间隔是 20 毫秒（对于 60 赫兹的视频，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 500 赫兹的速度传送，这意味着它给出的位置比真实位置滞后 2 毫秒——是标准的 50 赫兹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。”
04
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。
来源：世界科学
