體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)是靠商業(yè)驅(qū)動(dòng)的。錯(cuò)過一個(gè)電話動(dòng)輒造成成百上千萬元的損失。誰不想在體育運(yùn)動(dòng)中勝者為王呢，而大多數(shù)老板和運(yùn)動(dòng)員認(rèn)為，裁決賽事結(jié)果最公平公正的方法就是靠視覺技術(shù)。此外，娛樂也是一大驅(qū)動(dòng)因素。

 

發(fā)展歷史簡(jiǎn)介

在賽跑項(xiàng)目中用照片定勝負(fù)拉開了體育賽事中使用視覺技術(shù)的序幕。20世紀(jì)30年代，賽馬項(xiàng)目為判定勝負(fù)首次使用了用膠卷攝錄的膠帶攝像機(jī)，其他賽事也漸漸采用這項(xiàng)技術(shù)。

20世紀(jì)60年代，棒球運(yùn)動(dòng)中使用雷達(dá)來追蹤球速。很久以后，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中也采用了這項(xiàng)技術(shù)來追蹤發(fā)球速度。當(dāng)時(shí)這類應(yīng)用更多的是為了娛樂。到了20世紀(jì)80年代，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中首次采用了一個(gè)依托于光束的電腦系統(tǒng)，名為Cyclops。讓這個(gè)系統(tǒng)來當(dāng)電子司線員，即使是像約翰·麥肯羅這樣的人也沒理由雞蛋里挑骨頭了。直到21世紀(jì)初期，數(shù)碼攝像機(jī)才在這個(gè)應(yīng)用方向上發(fā)力，而且成為了改變賽事規(guī)則的重大革新，為各個(gè)體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域和相應(yīng)的娛樂領(lǐng)域打開了新世界的大門。

 

人們最早使用多臺(tái)相機(jī)，讓它們保持嚴(yán)格同步時(shí)使用的是三角測(cè)量法，來在視覺上實(shí)現(xiàn)全三維場(chǎng)景重建。后來這就構(gòu)成了像虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這樣的容積捕獲類應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)——似乎體育運(yùn)動(dòng)和這類應(yīng)用領(lǐng)域之間的界線正在變得越來越模糊。憑借著這樣的3D場(chǎng)景，就沒什么想像空間可言，也幾乎不會(huì)有爭(zhēng)議了。

 

除了自動(dòng)裁判這個(gè)應(yīng)用方向以外，表現(xiàn)分析已經(jīng)成為這類技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方向。對(duì)運(yùn)動(dòng)員在比賽過程以及訓(xùn)練過程中的追蹤會(huì)極大地提高其場(chǎng)上表現(xiàn)。在棒球練習(xí)中，可以全三維捕獲投球手、擊球手和球的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行大量分析，來確定場(chǎng)上取勝的訣竅，甚至可以以微秒級(jí)精度偵測(cè)到球速為90mph的變速球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如今，追蹤姿勢(shì)、運(yùn)動(dòng)員速度、射門速度等現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)都已成為體育運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。

最后，如我們?cè)谝恍㎞BA和NFL直播中看到的那樣，有人在將同樣的技術(shù)用于純娛樂用途，比如允許用戶繞著場(chǎng)上的物體自由旋轉(zhuǎn)，以獲得半虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

 

挑戰(zhàn)

歸根結(jié)底，所謂的挑戰(zhàn)基本上就在于生成精確的3D場(chǎng)景。為了獲得最佳精度，會(huì)要求從多臺(tái)相機(jī)采集到的圖像之間要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的、微秒級(jí)的計(jì)時(shí)同步。會(huì)要求在各種光照環(huán)境下保證出色的圖像質(zhì)量。有些應(yīng)用方向要求圖像必須擁有高分辨率，幀率還得毫不遜色。會(huì)要求相機(jī)設(shè)置能橫跨一大片區(qū)域，把整個(gè)體育場(chǎng)包含進(jìn)去，所以對(duì)于系統(tǒng)安裝和維護(hù)來說，最簡(jiǎn)單的方案最受青睞。為了獲得最佳精度，一個(gè)完整的系統(tǒng)需要使用多臺(tái)相機(jī)。最后，在大多數(shù)應(yīng)用中，成本會(huì)是一個(gè)重要因素。

 

10GigE和25GigE相機(jī)如何處理這個(gè)難題

計(jì)時(shí)同步方面

Emergent在運(yùn)用包括PTP和硬件觸發(fā)在內(nèi)的各種方法來同步相機(jī)方面擁有極其豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)精度。

IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）

 

圖像質(zhì)量方面

Emergent相機(jī)只使用Sony、Gpixel和AMS這種一流供應(yīng)商供應(yīng)的最好的傳感器，想方設(shè)法將這些傳感器的性能發(fā)揮到極致。因此，動(dòng)態(tài)范圍得以改進(jìn)，而動(dòng)態(tài)范圍對(duì)體育運(yùn)動(dòng)這個(gè)應(yīng)用方向而言十分重要，因?yàn)榻?jīng)常需要處理不斷變化的光照條件。

分辨率和幀率可選范圍廣

目前Sony IMX253（12MP @ 80fps）和Sony IMX255（9MP @ 110fps）是最受體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域歡迎的傳感器，不過像Sony IMX342（31MP @ 35fps）、Gpixel GMAX0505（25MP @ 75fps）和AMS CMV50000（50MP @ 30fps）這樣有更高分辨率的傳感器現(xiàn)在也逐漸興起了。

 

Emergent剛剛發(fā)布的六個(gè)新相機(jī)型號(hào)，使用了Sony第4代傳感器，像素從5MP到25MP，幀率從269fps到98fps。為了擁有絕高速度，這些傳感器使用了最高速的SLVS-EC接口（5GHz），而Emergent是第一家依托這些突破性傳感器的全力支持，走向市場(chǎng)的廠家。

 

更高的幀率和分辨率自然會(huì)要求使用更高的帶寬接口，這樣才能在無限次錄制中保持性能。Emergent還提供十分前沿的10GigE和25GigE相機(jī)接口支持。

 

符合SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)

廣播類應(yīng)用正在向依托以太網(wǎng)技術(shù)轉(zhuǎn)變，取代過時(shí)、有諸多限制、成本上還不怎么合算的SDI技術(shù)。符合SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)就是一種額外優(yōu)勢(shì)，讓相機(jī)與新時(shí)代接軌。

布線方面

通過使用低廉的SFP+和SFP28收發(fā)器，GigE線纜幾乎可以做到無限長(zhǎng)。相較之下，與之最接近的CXP線纜中，CXP6和CXP12可以分別達(dá)到72m和30m長(zhǎng)，若想再長(zhǎng)些，就得使用昂貴的光纖適配器。

線掃相機(jī)應(yīng)用

如前所述，使用膠卷攝錄的膠帶攝像機(jī)曾被用在由照片定勝負(fù)的比賽項(xiàng)目中。時(shí)至今日，通常是線掃相機(jī)取代了這一角色，比如Emergent的LR-8KG和LB-8KG。相機(jī)會(huì)被垂直定向放置，精確而持續(xù)不斷地掃描著終點(diǎn)線。當(dāng)運(yùn)動(dòng)中的物體跨越終點(diǎn)線時(shí)，會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體掃描，而且這個(gè)場(chǎng)景的靜態(tài)畫面不會(huì)發(fā)生改變。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)方面

有些人希望安裝牢固，那么網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)會(huì)發(fā)揮出巨大的作用。在多相機(jī)設(shè)置中，由于跨行業(yè)使用，人們認(rèn)為這種設(shè)備的成本很低而且還在不斷降低。使用交換機(jī)有以下三個(gè)主要原因：

 

 PTP分配

如圖，可以輕松把一個(gè)高精度PTP主時(shí)鐘分配到通過交換機(jī)連接的所有設(shè)備上。

IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）

 

 相機(jī)/設(shè)備多路復(fù)用技術(shù)

10個(gè)像HR-12000-SC這樣的10GigE相機(jī)可以多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單獨(dú)的100GigE鏈路，傳回到插著單接口100GigE網(wǎng)卡（NIC）的服務(wù)器。對(duì)于使用的服務(wù)器PCIe插槽（用來插網(wǎng)卡的）有限的系統(tǒng)來說，這是很有必要的。掂量一下，在10臺(tái)相機(jī)配1臺(tái)PC的應(yīng)用中，要用5個(gè)雙口10GigE網(wǎng)卡，由于插槽數(shù)量更多導(dǎo)致服務(wù)器成本增加，而且5個(gè)雙口10G網(wǎng)卡比1個(gè)單口100G網(wǎng)卡成本要高。

 

 冗余

考慮到多路復(fù)用，如果帶100G網(wǎng)卡的單獨(dú)服務(wù)器不能使用了，那么快速轉(zhuǎn)換到一個(gè)類似的冗余服務(wù)器幾乎可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)時(shí)間為0。再者，用數(shù)量更少、速度更快的鏈路執(zhí)行冗余，比如1個(gè)100G鏈路和10個(gè)10G鏈路相比，需要的交換端口要少很多。

 

10GigE和25GigE相機(jī)用于體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

 

>> 超高數(shù)據(jù)傳輸速率/幀率

 

>> 各種配件和線纜可供選擇，滿足不同的長(zhǎng)度需求

 

>> 提供相機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持以及包括PTP支持在內(nèi)的多相機(jī)精確同步方法

 

>> 運(yùn)用多播視頻技術(shù)

 

>> 低CPU開銷、低延遲、低抖動(dòng)（利用Myricom公司的MVA技術(shù)和Mellanox公司的VMA技術(shù)）

 

>> 每臺(tái)PC可配相機(jī)數(shù)量最多

 

>> 性價(jià)比極具競(jìng)爭(zhēng)力

 

>> 符合IEEE和AIA標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)認(rèn)可度高

【來源：加拿大Emergent公司】