行业研究丨富有科技感的世界杯——足球场上的人工智能技术

前言

第二十二届世界杯足球赛于今年11月21日在卡塔尔卢塞尔体育场打响，32个国家的球队将向足球领域中最高荣誉——大力神杯发起冲击。这个四年一度的体育盛宴，吸引了大量来自世界各地的球迷前来观战。在本次世界杯中，除了精彩的进球和激烈的对抗外，还有一项备受广大球迷热议的内容，那就是在世界杯历史上首次引进的半自动越位判定技术（SAOT）。那么，究竟为什么对SAOT技术讨论程度如此之高呢？深圳市人工智能行业协会为你带来关于智能传感器应用的简要分析。

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关于SAOT技术

北京时间11月22日下午6点，在南美洲豪门阿根廷队与沙特阿拉伯队的比赛上，裁判通过SAOT技术判定阿根廷队有3个进球均是在越位状态下打进，因此取消了进球，致使阿根廷队1:2落败，爆出了本届世界杯第一个冷门。正因如此，这使得SAOT技术成为了全世界球迷关注和讨论的焦点。

越位（Offside）是足球这项运动特有的规则，如果球员在越位状态下接到队友传球，则判定为犯规。因此，判定一个球员是否越位犯规，需要同时获得两个信息，即掌握足球和球员两者在同一时间点的具体情况。但是，由于球场上瞬息万变，单凭裁判的肉眼很难分辨某些差之毫厘的越位情况，这也导致了一些“冤假错案”的出现，使比赛的公平性受到了影响。然而，随着人工智能技术的发展和应用落地，基于SAOT技术的半自动越位系统应运而生。半自动越位系统是一款用于判罚球员是否越位犯规的智能系统，主要由特制摄像机、运动传感器以及人工智能系统三个部分组成。

据本届世界杯足球制造商阿迪达斯公司介绍，世界杯的官方用球“AL RIHLA”是史上飞行速度最快、最智能的足球。

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除了在材料以及结构上进行了技术创新外，所有比赛用球的内部还都植入了一枚名叫CTR-CORE的智能芯片，这枚芯片搭载的运动传感器能够以500次/秒的速度收集足球运动和受力的信息数据，并不断地向场边视频助理裁判组电脑里的系统进行实时传输。同时，球场内12台特制摄像机运用视频动作捕捉技术，以50次/秒的速度定位和记录每名球员29个与判罚相关的部位并形成数据点位，实时掌握球员的运动情况。传感器和摄像机对足球和球员数据的记录与收集，将会传输到人工智能系统进行分析，人工智能系统则能根据所获得的信息数据够快速地计算出皮球运行情况和球员的实时状况，精准地判定一个球员是否存在越位犯规的情况。如果疑似存在越位犯规的情况，系统则会对裁判发出警报提示，并且在电脑中自动画出虚拟越位线以及生成相应的3D模型，供视频助理裁判组进行观察判断，所有的流程总花费的时间不超过25秒。

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相比于传统视频助理裁判（VAR）通过人眼对视频逐帧分析的执法手段，SAOT技术赋能的系统提升了判罚的效率和准确程度，在维持了比赛的公平的情况下，也不会影响比赛的流畅程度和精彩程度。所以，可以认为本届世界杯所采用的半自动越位判定技术是一次成功的人工智能技术应用案例。同时，传感器作为半自动越位系统的重要部分，也作为人工智能最基础的硬件，是本次世界杯的一大技术亮点之一。

什么是传感器？

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源组成，作为人工智能的“感官”，是实现人工智能技术的首要环节。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器的发展历经三个阶段，第一阶段是结构型传感器，第二阶段是固体传感器。进入上世纪80年代后，开始进入第三阶段——智能传感器时期。根据深圳市人工智能行业协会对于智能传感器的理解，认为智能传感器是具有信息处理功能的传感器，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物，属于人工智能的神经末梢，用于全面感知外界环境。根据结构不同，智能传感器可以分为模块式传感器、集成式传感器、混合式传感器；根据技术不同，智能传感器可以分为采集储存型传感器、筛选型传感器、控制型传感器等。智能传感器具备自学习、自诊断和自补偿能力、复合感知能力以及灵活的通信能力，与普通传感器相比，智能传感器拥有低成本、高精度、可靠性、多功能化等优点。

世界杯的内置传感器技术

本届世界杯官方用球“AL RIHLA”内装载的运动传感器是一种基于MEMS技术的IMU装置。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）称为微机电系统，也称为微电子机械系统，是基于微电子机械技术开发的。MEMS是一个独立的微型化、智能化、高集成化的系统，主要集成内容为微传感器、微执行器和微电子器件。随着材料工艺与人工智能技术的发展，MEMS系统内部开始被赋予AI技术，实现智能化，配合应用于智能系统、消费电子、智能家居等场景。IMU则是惯性测量单元（Inertial Measurement Unit），主要由陀螺仪和加速度计组成，用于测量物体的角速度和加速度，以表示物体运动状态和运动强度。

那么，基于MEMS技术的运动传感器是如何收录足球的运动数据的呢？

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MEMS运动传感器主要采取加速度计对足球的加速度进行测量，通俗来讲，MEMS加速度计内部会置入一个质量块，质量块受足球的运动而产生移动，在足球产生加速度的情况下，质量块的移动能够使内置电容器的两极的间距和正对面积发生改变，从而导致电容产生失衡，电容测量器会将电容变化情况记录并传输到人工智能系统之中，以此计算足球的加速度。MEMS陀螺仪的工作原理与加速度计相似，陀螺仪也是根据电容器内电容值得变化而进行计算的。但与加速度计不同的是，陀螺仪是基于科里奥利效应设计的。当质量块在旋转体系中做直线运动时，会有一个力（称为“科里奥利力”）迫使质量块在原有运动的路径上发生一定程度的偏移，因此，当足球受外力驱动时，质量块在电容版上的偏移会带来电容变化，以此计算角速度。通过足球加速度和角速度的计算，助理裁判组就能掌握足球运动的详细情况，并且根据足球加速度与角速度在某一时刻的变化，也能了解球员对足球的触碰情况，帮助半自动越位系统进行越位犯规的判定。

总结

足球世界杯作为重大的体育赛事，往往都会引入世界领先的新型技术。本届世界杯中最让大家亮眼的是首次引进的半自动越位判定技术（SAOT），半自动越位判定技术是为了辅助主裁判和视频助理裁判更快、更准确地做出越位判罚。对于紧张的赛事来说，检查越位的过程可能会耗费太多时间，并且球迷也可能就越位判定结果产生争议。而这些先进技术的运用可为赛事带来积极的影响，提供更快、更准确的决策，使赛事过程中发生重大失误的可能因科技的力量而大大减少。AI智能技术的深度介入,改变了比赛以往的竞技逻辑，推动比赛更公正透明，使得赛场精彩纷呈的同时科技感十足，让体育赛事更有看点。未来，随着人工智能等为代表的新一代信息技术的发展，AI将赋能更多的体育赛事，让一切皆有可能。