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  • 足球门线技术:避免世纪性误判的智能电子辅助系统

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    此事引发巨大社会争议,国际足联开始反思,加快引进门线技术,避免类似事件再度发生,2012年12月,在日本举行的国际足球俱乐部世界杯上,首次使用门线技术。

    什么是球门线技术?

    门线技术具体是指在足球比赛中,利用智能电子辅助系统判断足球何时完全通过门柱和横梁下方的球门线,从而帮助裁判判定进球是否成功。当然,门线技术并不能代替裁判,而只是辅助判断工具。但在目前的比赛中,对于可能存在争议的射门,门线技术几乎可以100%判定进球是否成功,因此门线技术在裁判判定中极其重要。

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    因此国际足联委员会对门线技术提供商的要求非常高。基本要求:

    1.球门线系统必须保证足够高的准确率,目前球门线系统的准确率超过99.9%。

    2. 球门线系统必须足够坚固,不受球上的泥土或任何恶劣天气条件的影响。

    3. 球门线判定结果应非常快,在1秒内,需要时应立即给出回放结果。这样不会影响比赛的正常节奏。

    4、门线系统只能将判定信息发送给裁判内部使用,目前门线技术是通过无线网络将进球结果以振动、文字等形式直接发送到裁判腕带上。

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    球门线技术比人类更准确吗?

    答案是肯定的,这里主要讲两个参数:60ms、120km/h。

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    对于裁判来说,一大挑战是人眼每秒只能处理约16幅图像,这意味着球需要在球门线后至少停留60ms。但在现实中,在一些极端情况下,球可能只在球门线后几毫秒,被球员踢回,或者球反弹回球场,在这种情况下人眼无法看到球是否已经越过球门线。此外,人眼很难看到高速运动的足球的细节,而像巴洛特利、C罗、伊布这样的巨星射门的速度都超过120公里每小时。因此必须借助高速摄像机等电子设备才能做出准确判断。

    球门线技术的原理是什么?

    门线技术其实是一个统称,目前国际足联已经批准使用多种门线系统,包括:Cairos GLT、Hawk-Eye、Goalminder、GoalRef、GoalControl等,这些系统按照原理基本可以分为两大类:基于摄像头的技术和基于磁场传感器的技术。

    基于摄像头的球门线技术

    以鹰眼技术为例,鹰眼技术由保罗·霍金斯博士和西门子的工程师于 1999 年开发,广泛应用于板球、网球和斯诺克等运动。早在 2005 年,鹰眼技术就通过了国际网球联合会的测试并获准使用,并在美网、澳网和温网使用。不过,鹰眼技术在足球运动中的应用较晚,于 2013-2014 赛季首次在英国英超联赛中使用。

    鹰眼系统需要在体育场周围不同位置安装14台高速高清摄像机,每7台摄像机聚焦一个球门,如下图所示。

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    鹰眼系统首先利用图像处理算法来探测足球的大致面积。

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    然后自动调出最佳拍摄角度对应的摄像机数据,通过多摄像机三角测量,组合多个摄像机计算出其相对于球门线的精确位置。

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    即使部分摄像机的视野被球员的身体遮挡,系统也能得出可靠而稳健的结果。这是因为只需要三台摄像机就能实现三角测量,而比赛现场为每个球门配备了 7 台不同角度的摄像机,为算法提供了足够的冗余度。通过精确的计算,鹰眼系统不仅可以准确给出进球结果,还可以模拟出球的轨迹。

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    鹰眼门线系统会在1秒内计算射门结果,并通过无线网络将结果发送到裁判腕带上,并配有振动和文字提醒,完全不会影响比赛节奏。

    鹰眼系统输入的是高帧率的高清图像,还要合成球的轨迹,必须在极短的时间内给出结果,这对计算性能的要求很高。所以看到下图中鹰眼系统控制室内那巨大的服务器也就不足为奇了。

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    基于磁场的栅线技术

    我们以典型的Cairos GLT系统为例进行简单介绍,下图是该系统的示意图。

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    该系统由 Cairos Technologies AG 与阿迪达斯合作生产,采用内部悬挂有电子传感器的特制足球。

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    在禁区和球门线后面埋设细电线,形成网格状,移动的足球由于铜线与磁场相互干扰,影响均匀磁场,受干扰的磁场波纹通过网络传输到计算机,计算机计算并判断足球是否越过球门线。

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    从原理上看,基于磁场的门线技术不如基于摄像机的门线技术准确,部署起来也更为复杂,不过除了用于判断射门结果外,基于磁场的门线技术还可以运用在运动员日常的射门效果训练中。

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