中国数字科技馆

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2018俄罗斯世界杯如火如荼,带有芯片的足球、智能球鞋、VAR视频回放、4K HDR+VR直播……科技发展的迅猛让我们完全有理由相信这些“黑科技”,有朝一日会给我们带来全新的绿荫刺激——看球就像看科幻大片,这样的日子或许真的不远了。

俗话说,足球是圆的,不仅是比赛结果和过程难以准确预测,足球场上设备的变化也同样让人大开脑洞,就在十二年前的德国世界杯,诸如“4K转播”“VR”“球衣冷却”“空调球场”等名词还让人不知所云,但现在,它们已经从球场上真正来到我们眼前,在不久的将来,或许这些将成为足球比赛的“标配”。

1978年阿根廷世界杯,中国观众第一次从电视中看到了世界杯的比赛画面,也让中国球迷第一次领略到足球运动的魅力;当年数十人挤在一台旧黑白电视前看球的日子也让人记忆深刻。因此,说到足球场上的黑科技,我们还是从足球赛事的转播技术谈起。

1954年,世界杯赛事首次在电视屏幕上进行转播,到1970年,转播则首次以彩色的形式播出,电视转播也开始普及,国际足联还特意为此重新设计了比赛用球的颜色;到2006年,转播分辨率首次达到了全高清的1080P级别,这样观众可以更加清晰地看到球员跑动的细节,而不是像2002年韩日世界杯那样模糊的近景。

时间来到2018年,随着4K影像的发展,世界杯的电视转播达到了4K分辨率,相比较于所谓1080P高清,4K的分辨率包含了多达4倍的像素数量。这也意味着,之前模糊不清的更多细节可以被完美地呈现,例如球员队服上的纹理细节,裁判手中黄牌或者红牌上面所写的信息,甚至是裁判员手表上的时间。

当然,受制于技术发展和用户数量,今年俄罗斯世界杯的4K转播在国内只能以“4K机顶盒+点播”的方式呈现,可以观看的用户数量也不超过1000万,不过随着5G技术商用的快速发展,到下一届卡塔尔世界杯和下下届墨西哥世界杯,4K转播的用户群必然将极速扩大,届时成为电视观众的“标配”也是可期的。

此外,比4K技术更进一步的8K技术已经被提上日程,这种转播画面,分辨率高达7680×4320,在显示效果上是4K(UHD)显示屏的4倍,更是目前主流高清(FHD)分辨率的16倍。以足球比赛为例,观众能够清楚地看到运动员奔跑时的神态变化、足球起飞落地的瞬间等等细节,观看体验甚至远超现场。

日本希望,在2020年东京奥运会时普及8K转播,北京2022年冬奥会也提出8K转播的目标,这其中也包括足球比赛。但是受制于量产难度高、直播信号和内容传输等问题,在4K片源尚且极度缺乏的当下,民用级别的8K屏幕的发展也面临着不少困难。或许还要再多等一等,我们才能线K转播。

2009年,美国科幻大片《阿凡达》带来的3D旋风席卷全球,这股风也刮到了体育行业,特别是足球圈内。著名体育电视直播公司ESPN当时曾预言未来3D电视播放的风潮已经不可避免,并且其开设的几个3D频道也颇具亮点。一年以后的南非世界杯,国际足联还对64场比赛中的25场进行了3D拍摄与转播。不过受制于足球比赛的特点,3D转播一直处在“叫好不叫座”的尴尬地位,并没有对主视觉冲击力带来太大提升,很快以失败告终。

3D转播是对于观众看球体验的一种全新尝试,近几年,随着VR和AR技术的不断发展,以AR技术为代表的转播方式日渐成熟起来。今年世界杯上,英国广播公司BBC就推出了VR看世界杯服务,球迷只需要下载BBC的VR直播软件,并戴好VR头盔,就能“身临其境”来到俄罗斯观看比赛。

不仅是俄罗斯世界杯,其实中国足球史上第一场VR直播,在2016年6月就完成了,那场国足与特立尼达和多巴哥的热身赛中,不少球迷是用VR眼镜看完的整场比赛。“教练仿佛就在眼前指挥比赛一样,一回头,还能观察替补席上的一举一动。”当天“VR直播”成为微博热搜词,参与者甚至突破了千万。

但是,目前观看VR直播的缺点也十分明显,甚至超过了带来的全新感观——过大的传送数据导致画面经常出现卡顿、画质降低等情况;体积庞大的头戴设备佩戴很不舒服,尤其是在夏天,头部脸部会出不少汗;最重要的是,很多人观看一会儿就会出现头晕甚至是恶心呕吐等症状,能坚持看完90分钟的人,需要不错的体感适应。

不过,随着科技的发展,这些缺点都能被一一破解,因为未来的VR头盔可以无限变小变薄,最终变为3D眼镜大小——可以想象一下,大约10年之后,球迷就可以坐在自家沙发上,戴上薄如3D眼镜的VR显示器观看足球直播,届时,视野会跟着你头部倾斜角度的不同而发生改变,也可以观看到赛场上的任何地方。甚至屏幕旁边还有一个数据统计表,轻轻点击下就可以看到你想要的数据,比如双方控球率、射门比,等等。这样的场景还能够被无限免费重复播放。

此外,能够让运动员“跳出”电视屏幕的AR观赛技术也正在研发当中:美国华盛顿大学的研究人员就提出了一种增强现实的替代方案。据了解,研究人员开发了一种全新的机器学习算法,可以将2D足球片段转换成3D重建,观众使用微软的HoloLens等增强现实头盔观看。届时,桌子或餐桌之类的平面变成一个虚拟的比赛场地,可以从不同的角度来观看三维的比赛,产生深入浸染式的体验。

在世界杯球衣进化史上,有这样一个有趣的现象——上世纪90年代以前足球队服一般比较修身,尤其是短裤长度比现在短很多。到了21世纪的最初10年,足球比赛服又变得宽大起来,比如征战2002年韩日世界杯的中国队,所有人的队服好像都大了半号,穿在身上松松垮垮的并不太美观。而最近10年,球衣的剪裁又变为以修身为主,不过材料已经发生了很大的变化。

实际上,这是因为早期的球衣是棉质为主,只考虑了贴身的舒适性,却忽略了吸汗以后会变得异常沉重的事实;90年代以后的球衣改为涤纶面料,为了透气通风只好采用较为宽大的设计衣型。最近10年,面料已经可以做到轻薄舒适、透气速干、高弹性、高强度这些特性,因此收身版型的球衣又成为了主流。

实际上,随着纺织工业的发展,如今的足球球衣除了追求“轻薄”“排汗”以外,已经开始在温度控制方面谋求更大的突破。今年俄罗斯世界杯上,阿迪达斯将Climachill技术运用在球衣当中。Climachill技术,利用了钛混合纺纱与3D铝冷却区,可以产生即时的冷却效果,其中3D冷却区与人体的热区是相对应的,在有效散热的同时带来无与伦比的舒适感,能够带来“立竿见影的降温效果”。

▲Climachill采用了先进的含钛针织面料,并利用了业界首创的3D铝质散热球技术,它可以为运动员提供凉爽。

另一巨头耐克也拿出了看家本领——VaporKnit技术,这种技术让球衣在人体主要容易出汗的部位加入了3D立体纹路、镂空透气网眼等设计,透气性和排汗速干能力上升到一个新台阶。

因此,可以预见的是,未来的球衣面料,首先追求的是极致的皮肤体验,穿着更加舒适。其次通过不断改进织法结构,让面料与皮肤有空隙,具备更好的吸汗排汗功能。而阿迪达斯的Climachill技术的加持,等于为球衣的技术革新指明了一个好的方向。

据了解,如今内置传感器,可以根据人体温度自动调节穿衣温度的智能服装已经面世,或许在不久的将来,这项技术也可以被运用到足球球衣上,运动员满头大汗浑身浸湿的画面或许将成为历史。

除了高科技面料的球衣,智能球鞋也将成为主流穿戴装备之一,例如阿迪达斯在世界杯前夕就发布了一款加入了智能传感器的球鞋,球迷可以通过传感器看到球员的动作,教练也可以在第一时间掌握球员的比赛信息。

今年世界杯上,虽然穿着这款球鞋的梅西没能“走太远”,但未来,这种自带数据传输功能的智能足球鞋,势必会成为越来越多的足球运动员,乃至普通爱好者参加比赛的首选。

当然,像可以追踪球员运动数据的电子设备与跟踪系统(EPTS)已经不是什么“新鲜科技”,而是成为了五大联赛不少球队的标配,EPTS依靠基于摄像机的系统和可穿戴技术。世界杯期间,数据将通过位于主看台上的两个光学跟踪摄像头收集,而各支球队也将可以获得来自选定的战术摄像机的画面。

足球比赛是长时间的露天运动,气象条件尤为关键,国际足联在考虑世界杯主办国时,气候条件就是重要的参考因素之一。科学研究表明,足球运动最适宜的温度为18℃~20℃,相对湿度为40%~50%。太冷或者太热的天气,都会严重影响球员的发挥,更不要说刮风下雨这样的恶劣天气了。

对于世界杯而言,高温一直是一个难以逾越的“老对手”。1994年美国和2002年韩日两届世界杯的高温都曾令各地球队叫苦不迭,上一届在巴西更是被外界誉为“史上最热世界杯”。今年的俄罗斯世界杯上,俄罗斯南部的几个城市在比赛时也出现了超过30度的高温。

很长一段时间内,由于足球运动露天的特性,与天气相关的问题一直无法规避,也只能在球衣透气排汗性能等问题上加强研究,不过,随着越来越多可以开关顶棚的全封闭球场和空调球场的启用,未来的世界杯比赛,有希望完全“摆脱”天气的干扰。

全封闭足球场方面,出于成本和维护的考虑,这样的改造通常在欧洲发达国家进行,但随着技术的进步,会有越来越多的足球场加入这个行列,虽然全封闭足球场对于草皮生长有一定干扰,也影响整体通风,但改造以后带来的优势也是十分明显的。

在欧洲,像沙尔克球场、法兰西大球场、温布利球场、阿姆斯特丹竞技场等都已经实现了全封闭顶棚,对于西欧秋季冬季多雨水的气候特点来说,这样的改造恰如其分,有效地避免了极端天气对体育比赛的影响。中国的绍兴轻纺城体育场也完成了全封闭顶棚的改造,成为国内首家全封闭的足球场。今年的俄罗斯世界杯,位于圣彼得堡的圣彼得堡竞技场造价超过100亿元,是12座球场中唯一 一座可以关闭顶棚的球场。

▲圣彼得堡竞技场造价超过100亿元, 是俄罗斯世界杯12座球场中唯一一座可以关闭顶棚的球场

空调球场方面,为了应对中东炎热的天气,2022年世界杯的举办国卡塔尔人发明了空调球场。在空调球场里,除了双方替补席背后的看台之外,剩下三面看台下面全部都有一排圆孔,空调制造的冷空气从圆孔里吹出,由于空调功率很大,再加之冷空气出口占据了整个体育场的四分之三,因此哪怕球场是露天的,即便室外温度超过40度,内部温度也被控制在20-25度。因此,到下一届卡塔尔世界杯时,如果天气炎热,参赛球队可以直接享受“吹空调”的待遇。

除了顶棚和温度设备,足球场里的另一项重要比赛设备——“草皮”质量和技术变革也十分关键,普通的天然草皮球场,如果只是单纯用作足球赛事承办地,一年最多使用30次左右,相当于投入数百万,一年只用一个月;之后又会变成“菜地”,严重影响足球赛事的进行。这样的案例并不少见。

▲卡塔尔哈里发空调球场的出风口,应对炎热的天气,未来空调球场是一个很好的选择

应对这种情况,未来人工草和真草合二为一的“混合草皮”或许将成为足球场选择的趋势。与传统真草皮相比,混合草皮含有独特的、柔软的聚乙烯纤维,能最大化让球员感到舒适,且铺设时间更短,使用寿命却是常规草皮的3倍,并且在遭到损坏之后也能很快恢复。

据了解,目前英超赫尔城的主场、切尔西的科巴姆训练基地、英冠球队德比郡、英格兰国家队集训的圣乔治公园都使用了混合草皮,或许在未来的世界杯比赛中,混合草皮成为主流,更便宜更舒服的混合草皮也将完全取代天然草。

▲俄罗斯世界杯揭幕战,卢日尼基球场就采用了含有5%人工草成分的“混合草皮”

手画方框,手指禁区线附近,点球改判为任意球!在北京时间7月3日晚上结束的2018年世界杯1/8决赛瑞士队与瑞典队的比赛最后阶段,依靠着VAR视频助理裁判的“改判”,瑞士队最后的犯规被认定在了禁区线之外,避免了“红牌+点球”套餐。随着世界杯赛程的深入,视频裁判的“上岗”已不是一次两次,并直接影响了多场比赛的最终结果。

在科学百科的定义中,VAR是英文Video Assistant Referee的缩写,和位于边线的助理裁判、位于中线的第四官员一样,都是协助主裁判进行判罚的比赛官员。VAR技术旨在通过高科技的力量尽可能实现精准判罚,避免不必要的失误,它和门线技术(GLT)、电子表现跟踪系统(EPTS)一样,都是利用科技追求完美比赛的手段。

在今年的世界杯上,它由球场现场的转播摄像机、两架专门监控越位的摄像机以及位于莫斯科的国际报道中心(IBC)的视频裁判团队组成。而视频裁判团队包括 1 名视频助理裁判(VAR)和 3 名视频助理裁判助理(AVAR)。

此外还需要 4 名回放专员(RO)为视频裁判团队提供协助,从现场拍摄到的各种角度中筛选出有用信息。回放专员看似是个“打酱油”的角色,实际上在整个过程中扮演着十分重要的角色。

▲视频裁判团队包括1名视频助理裁 判(VAR) 和3名视频助理裁判助理 (AVAR),以及4名回放专员(RO)

为了确保裁判之间没有“暗箱操作”,视频回放室内还会安排一名国际足联官员,负责监督所有视频回放及裁判之间的沟通,并将室内所有情况通过一台触屏电脑进行记录。

也就是说,在今年的俄罗斯世界杯上,一场有22名球员的比赛,却有1名场内主裁、2名边裁、1名视频裁判和3名视频裁判助理总共7名执法人员!如果算上1名第四官员和4名回放专员以及1名国际足联的监督员,总共有13人参与整场比赛的判决!这个数字比上场比赛的球队人数还多1人,创造了历届世界杯之最。

实际上,VAR技术也就是视频即时回放技术,其原理并不复杂,主要依靠遍布足球场上的多个摄像机镜头,多机位、多角度捕捉场上球员的每一个细小动作,从而做到“火眼金睛”。当场上出现争议判罚或主裁判需要调取比赛录像时,由技术人员操作,调出相对应的回放节点,以得到更加公正的比赛判罚。

上世纪70年代以后,随着科技的进步,足球电视转播技术也在不断发展当中。通过放置在赛场内不同位置的摄像头,经过切换组合以后,观众通过电视画面,就可以看到包括远景、近景、球员特写以及进球回放等比赛细节,与现场观赛形成了良性互补,极大地丰富了足球运动的观赏性。

当然,根据赛事规模和主办方意愿,不同规格比赛的摄像机机位数和位置都是不一样的,例如普通的大学生联赛只有4个转播机位,但世界杯或者欧冠这样的重要比赛机位可以达到20个以上。包括边线、顶棚、角球线甚至球门线附近,这些摄像机被放置在球场的各个角落,能够拍摄中景、近景、特写等各种景别。

中国足协裁判部主任刘虎介绍,目前中超联赛的电视机位一般为12个左右,个别重要的比赛摄像机数量会达到16个甚至更多,像北上广等大城市设施较好的体育场还会使用飞猫设备。今年俄罗斯世界杯上机位数将达到35个,所有影像资料都会统一上传到莫斯科的控制中心。

刘虎提到的飞猫设备,是一种近年来采用的摄像新技术,布局时会在球场四周拉起几根钢索组成滑轨,摄像机就能在球场上空自由穿梭,观众可以看到俯拍的画面,达到震撼人心的效果。

不同于普通的摄像机,因为足球运动速度很快,足球场上的相机,属于广播级专用摄像机,特点就是长焦镜头,超快的自动对焦。也由于速度过快,这种转播设备并不完全依靠人工操作。一名操作员通过远程控制系统来实现摄像机的旋转、对焦功能,也意味着一人可以操作多台摄像机,极大地节约了人力成本。

第一次在国际足联认定的比赛中利用VAR系统是在2016年世俱杯,鹿岛鹿角3:0战胜国民竞技的比赛中,裁判依据VAR系统判罚了点球。这是人类历史上第一次在正式比赛当中使用VAR技术,足球作为一项古老而现代的体育运动,现代科技手段赋予了它全新的规则与内涵。

尽管一名操作员可以操作多台摄像机,但VAR的控制回放却不是一个人能够完成的。比如今年世界杯赛场上,需要启用VAR裁判时,回放控制室内几名工作人员各司其职,在最短的时间内完成各自规定的工作。

其中,VAR视频助理裁判负责视频画面的分析判罚,提醒或被主裁判提醒使用VAR视频分析;RO回放操作员通常由提供VAR设备的鹰眼公司技术人员,或者鹰眼公司专业培训的技术人员担任,他需要在最短时间内从几个乃至十几个不同机位的摄像机画面中,找到争议判罚(进球)的回放,并选取最佳角度提供给VAR裁判;国际足联官员记录操作室内情况,并将信息通过电脑传输至球场内的大屏幕及现场的媒体解说席。

比如在本次世界杯小组赛瑞典队战胜韩国队的比赛当中,第61分钟,韩国队在防守当中出现犯规,金民友禁区内放倒了瑞典队克拉森,主裁判阿圭勒并未做出判罚而是示意比赛继续,半分钟后,视频助理裁判通过观察分析回放操作员提供的进球回放后,认为韩国队队员犯规,应当判罚点球,并将进球时的回放镜头提供给当值主裁判,当值主裁判跑向场边观看“小电视”以后,确认金民友犯规,改判点球,瑞典队老将格兰奎斯一蹴而就,场上比分改写为1比0。

▲尽管逃得出裁判的眼睛,但犯规瞬间却难逃视频裁判的“法眼”,图为金民友犯规瞬间

值得一提的是,VAR提供的回放镜头与平时在电视画面上看到的慢放镜头有所区别,这种回放镜头角度更多,速度更慢,将瞬间的进球画面变为一帧一帧的慢动作。

有了VAR技术,是否比赛中所有的争议判罚都应该使用和依靠它呢?刘虎强调,按照国际足联的规定,VAR的使用原则是“最小限度地打断比赛,最大限度地获得收益”。其纠正的是清晰明显的错漏判,而不是力求将足球比赛判罚的准确率提高到100%。

“只有当涉及球进门、红牌、红黄牌罚错对象和点球这四种情况时,VAR才能介入。其他任何情况下,哪怕裁判员发生错判误判,VAR都不能介入。” 刘虎所说的四种情况,也是国际足联明文规定的,这四种情况都是对比赛的走势和结果产生重大影响的判罚。

当比赛中出现上述四种情况中的任意一种,而场上裁判第一时间并没有作出准确判罚时,VAR将会通过对讲机提醒裁判员。但VAR只能提醒场上裁判,通过视频回看告诉裁判究竟发生了什么,供裁判参考,最终的判罚权仍然掌握在场上的裁判手中。因此,并不是说有了VAR就可以取代场上裁判。比如说,某队进球后,VAR裁判认为进球队员犯规在先,但主裁判通过场上观察坚持认为进球有效,最终判决结果仍然以主裁判为准。

从上面的流程可以看出,VAR说到底其实还是定义在助理裁判的范畴里面,看与不看、判与不判的最终决定权还是在主裁判那里。

执法过多场中超、亚冠比赛的现役国际级裁判员傅明直言,对于一名裁判员而言,经验是做出准确判罚的最重要法宝,VAR视频裁判的地位是辅助性的,一名优秀的裁判员不应当过分依赖VAR。

“国际足联希望,足球以后能发展成为像高尔夫那样的‘绅士运动’,球迷们坐在观众席上欣赏比赛竞技层面的内容,而不是被错判、漏判和因此产生的不必要争执干扰。”傅明认为,VAR视频裁判在这一过程中可以起到重要的作用。

从2016年立项至今,VAR技术以“小步快跑”的姿态出现在越来越多人的眼前。实际上,科学技术运用在体育比赛的判罚当中,如今已经比较成熟了,特别是VAR使用的即时回放技术:美国橄榄球 NFL 联盟在 1999 年正式将视频回放系统投入使用,NBA 则在 2002/03 赛季就引进了录像回放技术。

足球比赛从诞生伊始,误判几乎就成了其特色之一,因为裁判失误导致球队饮恨而归的事情几乎每项赛事都会发生,远有马拉多纳“上帝之手”,近有兰帕德“门线冤案”。尽管如此,足球场上的技术改革却相当迟缓。

过去很长时间里,国际足联和欧足联情愿增设底线裁判,也不愿意使用对比赛过程几乎毫无影响的“门线技术”,更不要说VAR这样冲击传统习惯的重大改革。尽管VAR技术的运用明显提高了联赛中的判罚准确率,也减少了因争议判罚而导致的场上纷争,但也有声音认为VAR辨析程序过长,导致比赛中断,破坏流畅性。

这一点在首次使用VAR技术的中超赛场已经得到证明,个别场次因为频繁使用VAR,已经出现了8-9分钟的超长补时时间,最终也导致了比赛结果的改变。令人欣慰的是,今年世界杯赛场还没有出现这种情况。

但刘虎同时强调,VAR的作用只能是辅助性的,它不做任何判罚决定,提高VAR使用准确率,减少对比赛流畅性的干扰,对裁判员和VAR操作员的培训教育十分重要,需要时间更需要判罚的准确,正确地使用VAR是裁判的好朋友,更是足球比赛的好朋友。

随着人工智能和AI的发展,未来VAR有没有可能变得更加聪明,通过人工智能的方式,快速找到并分析争议画面,做到全自动判罚,甚至完全取代裁判员呢?

中国足协裁判管理部高级主管崔恩雷认为,在10年到20年以后,这是完全有可能的,但现阶段实现还比较困难,“因为目前视频裁判的定位只是辅助作用,还不具备其他的属性。”

本届世界杯用球“电视之星18”,是由六块相同的皮革制成。其结构是由四个大写字母“F”拼成的中心对称图形。

我们知道,正方体有六个正方形面。两两相对,共三对。这个新足球的球面与正方体类似,图中红色边缘的“4F”图形正对着我们,足球的左边侧面和右边侧面各有一个这样的图形,上、下底面也各有一个,它的背面还有一个。一共六个。这六个的位置与正方体的六个面暗合。所以说,本届世界杯用球外观的数学原型就是简单的正方体。

博彩公司想要盈利,需要的不是建立数学模型预测比赛结果,而是预测对不同结果的投注额比例。相对来说,这是一个更容易完成的任务。

比如说如果某天德国一方的投注额是12万欧元,墨西哥一方则是10万欧元,要根据这个数据设定第二天的赔率。预期第二天的投注额比例相当,也就是说大约1.2比1,不妨设第二天的投注额也是12万欧元和10万欧元。

这样的话,如果德国胜利,博彩公司最多有22万欧元可以赔付给德国的支持者,所以德国的赔率不能超过(22/12) – 1 = 0.83,同理墨西哥的赔率不能超过1.2。

为了盈利和规避投注额比例预测不准确的风险,可适当将双方赔率调低,可以设定德国赔率为0.77,墨西哥赔率为1.14,这样的线.C罗的电梯球是怎么踢出来的?

电梯球指的是一种大力射门,足球在空中运行的过程中受到气流的影响,形成了或高或低难以预测的飞行轨迹,就像“电梯”一样可以向上,也可以向下,因此有了这个名字。

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