⽇本队第⼆个球到底进没进?听听三维相机怎么说

作者: 焦述铭(鹏城实验室)

来源: 转⾃公众号:中国光学

发布日期: 2022-12-02 14:19:01

本文讨论了在世界杯比赛中,日本队的第二个进球是否有效的争议,以及三维相机技术在足球比赛中的应用。文章详细介绍了三维相机的原理,包括多视角成像、结构光和时间飞行技术,并探讨了这些技术如何帮助裁判做出更准确的判断。此外,文章还提到了历史上的一些著名进球悬案,以及现代技术如何解决这些问题。

北京时间今天早上世界杯E组⻄班⽛对阵⽇本的⼀场关键战中,上半场0-1落后的⽇本队,在下半场开始6分钟内连⼊2球逆转⽐赛。其中⽇本队的第⼆粒进球,三笘薰在底线附近救回⽪球时,⽪球⼗分接近出界,当值边裁也举旗示意此球⽆效。然⽽,本届杯赛采⽤了全新的三维相机技术(多视⻆成像),在⾼科技的帮助下裁判最终确认进球有效。⽇本队也凭借此粒⾦⼦般的进球战胜对⼿拿到⼩组第⼀,同时送德国队再⼀次⼩组出局。

在这个过程中,⽪球在底线上的最⼩透镜距离⼀度达到1.88毫⽶。根据⾜球规则,⽪球是否出界,是根据球体正上⽅的垂直投影,是否完全过线来判定是否出界,⽽⾮球的实体有没有压线。所以,这颗⽪球没有出界。

另⼀⽅⾯,对于进球的界定,则是要求⽪球整体全部越过球⻔线。如果刚好砸在球⻔线上,也只是功败垂成。在⼀些时候,⼀个球到底进了还是没进,实在难以判断,诞⽣了⼀桩⼜⼀桩的“魔⻤进球”悬案。

世界杯历史上头号进球悬案当属1966年世界杯决赛中英格兰前锋球员赫斯特攻⼊的那⼀球,从⽐赛录像来看,这个球就刚好击中了球⻔线附近,可到底是进了还是没进呢?尽管当时裁判判定进球有效,⽐赛中英格兰队也最终以4:2战胜了联邦德国队,捧得了当年的世界杯奖杯,但⼏⼗年来争论却⼀直没有停⽌。

⾜球⼤多数时候是在三维空间中运动,⽽⼀台相机或者摄像机拍摄到的画⾯只是三维世界在某个观看视⻆上的⼆维平⾯投影,这种“盲⼈摸象”常常会给⾜球位置的精准判断带来很⼤困难。

在本届世界杯上,每场⽐赛都有⼀套进球判定系统(也称为⻔线技术):球场中安装了14台不同⻆度的⾼速⾼清摄像头,将它们各⾃的画⾯综合起来,可以⽐较精准的判断⾜球的三维空间位置,尽可能避免1966年世界杯的那种争议,类似的系统在早前2018年俄罗斯世界杯和2014年巴⻄世界杯上也都被使⽤过。

多视⻆拍摄,结构光和时间⻜⾏是⽬前三维相机常⻅的⼏个“套路”,⽽研究者也在另辟蹊径,开发出更新型的感知三维世界的⽅式。我们可以在相机镜头上做⽂章,普通的相机镜⽚⼜称为透镜,形状是对称规则的,表⾯是平滑的,⽽研究者经过精巧的优化设计,让镜⽚各个部分厚薄不均匀,放⼤来看,凹凸不平,奇形怪状,称为“相位编码孔径”。

通过这样的镜⽚拍到的照⽚会略有瑕疵,⽐如有些地⽅会稍稍模糊或者颜⾊扭曲,不过对整体画质影响并不⼤,⼈眼不容易察觉到。可这些微⼩的瑕疵中却暗藏⽞机,有“不⼩的信息量”,因为不同远近的物体通过这样的镜⽚获得的图像瑕疵是不同的,利⽤⼈⼯智能算法可以直接从这样⼀张不完美的照⽚中直接提取出照⽚对应的远近深度信息。

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