百年奧運科技回望:125 年裡,我們不曾放棄尋求公平

回首過去,1900年巴黎奧運會百米衝刺賽場上,來自美國的選手賈維斯,以領先第二名一隻腳獲得冠軍。

之所以出現這種奇怪地裁判方式,是因為當時裁判手段還不足以測出運動員之間的時間差,以至於裁判不得不把臉貼在終點線上,肉眼觀測誰的腳先過線。

之後計分、計時系統技術不斷提高,時至今日,奧運會的記錄都精確到了小數點后的好幾位。

如今我們,可以通過全方位的照片對比、視頻對比,第一時間得知比賽情況,但在歷史長河中,曾經我們甚至不能在第一時間知道比賽結果,更談不上實時對比。

儘管科技不能保證絕對的公平、公正,但它的確讓我們一步步接近這個奧林匹克精神之一。

一部奧運歷史,也是一部技術迭代史,突破人體極限的背後,也是技術的顛覆性創新。

而在125年的歷史中,無論是計時、計分還是賽事轉播,隨着時間的推進,攝影技術、攝像技術、計算機視覺都在不同節點起到了至關重要的作用。

本文,將以計時、計分系統和奧運會賽事轉播方式的變化為鏡頭,穿越時空隧道,進行一次跨時代交流。

一步步從「人工」進化到「智能」

1896年雅典奧運會,一把火炬,一雙眼睛,一場平地構成了現代奧運會的開端。

儘管條件簡陋,但希臘人對這次大會表現出了極大的熱情,出席開幕式的觀眾達8萬人,這一數字直到1932年洛杉機奧運會才被突破。

奧運會上,美國運動員托馬斯·伯克以0.2秒的微弱優勢獲得了100米決賽的冠軍。

這個令人印象深刻的數據是如何得知的?因為當時的秒錶技術,一秒鐘被分為5份進行記錄,只能計時到0.2秒。

同時,對這屆奧運會寄予厚望的雅典人民,因在田徑賽中連一塊金牌都沒拿到,在最後一個馬拉松項目中,雅典市民幾乎傾城而出為運動員加油,當希臘運動員路易斯第一個跑到終點時,整個雅典都沸騰了。

但由於信息傳播技術的限制,這一激動人心的時刻只保留在當時的雅典,直到半個月後,位於大洋彼岸的其他國家才從報紙上得到相關消息。

1896年希臘雅典奧運會馬拉松比賽

1900年法國巴黎舉辦第二屆奧運會(當時並未稱為奧運會,賽後由國際奧委會追認)。

美國弗朗西斯·賈維斯在100米預賽中創下10秒8的奧運會紀錄,這一成績直到1924年奧運會再次在巴黎舉行時,才被英國哈·亞伯拉罕突破,據悉,哈·亞伯拉罕在比賽結束后大約一個月,才收到郵局寄來的獎牌。

當時攝像技術已經出現,1900年的奧運會上,生物力學鼻祖艾蒂安·朱爾斯·馬雷(Etienne Jules Marey)首次使用計時攝影拍攝參賽者。

計時攝影是一種通過多幀捕捉運動的攝影技術,隨後可以像動畫一樣重現動作,從而能夠分析運動員的運動。

但當時只能捕捉的奧運健兒的身影,只有不到1秒的幾幀畫面。

這裡不得不提一個故事。

18世紀時期的畫家筆下的奔馬大多姿態呆板、千篇一律,於是1872年,美國前加州的州長利蘭德·斯坦福與別人打賭,賭注是馬的四個蹄子在奔跑時是否同時離開地面。(對,就是後來創辦了斯坦福大學的利蘭德·斯坦福)

他們找來攝影師埃德沃德·邁布里奇,於是邁布里奇沿着賽馬道旁布置了一系列照相機,每台攝影機的快門都是細線連接到路對面的木樁上,在馬奔跑時依次觸發快門,相機就能連續拍下馬的步態。最終攝影師確定,馬在奔跑時馬蹄不會同時懸空。

這就是電影的誕生,也是第一個詳細記載運動過程的文件。

值得注意的是,女性首次作為參賽者參加是在1900年的奧運會上,突破了古代奧運會和現代第一屆奧運會不許女子參加的禁令。

而由於同年巴黎也舉辦了世界博覽會,風頭完全蓋住了奧運會,使得本屆奧運會黯然失色。

1908年倫敦奧運會時,電影院已經成熟,當時有電影院派人去奧運會現場拍攝,然後做成錄像,人們可以走進電影院,以錄像的形式回顧賽事,雖然會有幾個月的時間差,但大家終於可欣賞運動員的動態英姿。

而且,1908年倫敦奧運會首次實現了實況廣播,不過僅限於200米、400米、800米田徑比賽。

1908年第4屆倫敦奧運會,男子400米游泳冠軍亨利·泰勒(Henry Taylor)穿着一件連體泳衣。

上文提到的兩個美國人的打賭還促成了一件大事。

邁布里奇在拍攝奔馬時所用的細線就被稱為「邁布里奇線」,這條線給了田徑比賽啟發,被運用在1912年的斯德哥爾摩奧運會上,即衝線帶的發明。

在此之前,賽跑結果需要依靠終點裁判員的肉眼,在運動員到達終點的時候按下秒錶。

這使得比賽結果難以精確,而邁布里奇線可以讓線的一端連接計時鐘,第一個運動員衝過終點時,撞斷的衝線帶就可以快速地停下計時鐘。

除了衝線帶,本屆奧運會首次使用了電子自動計時系統和賽事廣播系統,對賽場裁判機制有了突破性的提升。

1924年巴黎奧運會,浪漫的法國人做了第一個敢吃螃蟹的人。

當時的歐洲經歷了一戰的創傷,需要奧運會這一全民參與的活動重整士氣。

但當時報紙仍是賽事傳播的主力,被拒之場外的巴黎廣播電台記者想出一個妙招:將轉播裝置捆在一個熱氣球上,一名記者則坐在氣球吊籃里,在體育場上空進行現場解說。

可惜天風不作美,僅僅幾分鐘大風就把氣球吹離了賽場,這次的實況轉播最終宣告失敗,但技術革新的曙光已經顯現:首次讓人們用報紙以外的方式了解奧運。

到了1928年阿姆斯特丹奧運會,高速攝像機開始應用,協助裁判員以慢速重播的圖像進行賽事裁決。

在此之前的1925年,一個叫貝德爾的英國青年想要搗鼓點什麼,他利用舊無線電器材、糖果盒子、單車燈透鏡、舊電線等廢舊材料,製作出世界上最原始的傳輸圖像的機械式電視機。

約翰洛吉·貝爾德與其發明的第一台機械式電視機

雖然整個過程只能實現信號的實時傳播,但他的發明最終被寫進了歷史書,這位名叫約翰洛吉·貝爾德青年也被稱為「電視之父」。

不過這一發明存在兩個缺點,一是畫面內容傳播的距離限制,二是傳輸質量很差,影像模糊,但作為當時頂尖的科技,在不斷改進后,應用在1936年奧運會上。

1936年柏林奧運會,首次實現電視轉播,觀眾能夠在電視上圍觀奧運會,目睹奧運競技影影綽綽的模糊圖像。

當時德國電視台用三部攝像機記錄了那屆奧運會,每個攝像機重200公斤,光是更換鏡頭就需要4名工作人員。直播時,只有一個攝像機能用,還必須在光線足夠強烈的情況下,另兩個攝像機轉播時有65秒鐘的延遲。

因技術不完善,電視信號只能被傳播到以柏林市中心為半徑的十五公里內,不過也有超過16萬觀眾收看了電視轉播。

到了1948年倫敦奧運會,有超過100台電視可以觀看奧運會,雖然這對當時倫敦800多萬常住人口顯得微不足道,但奧運會的影響隨着轉播技術的突破不斷擴大。

前文提到的衝線帶其實也有不足,除了計時不夠準確,如果運動員沒有沖斷線的話,表不會停止計時,這一問題在1948年得到解決。

1948年倫敦奧運會引入第一台終點攝像機「魔眼」,由歐米茄(Omega)研發,這一技術在該屆奧運會田徑項目男子100米決賽上一戰成名。

1948年Omega在倫敦推出「魔眼」照相機

當時兩名美國運動員哈里森·迪拉德和巴尼·尤厄爾均以10.3秒的成績完成比賽,通過查看終點攝影機,最終判定哈里森獲勝,魔眼的出現也讓沖帶線、人眼與秒錶結合的裁判方式逐漸退出歷史舞台。

其實,在1932年洛杉磯奧運會上,Omega就幫助奧運會把計時精度從1/5秒提高到1/10秒。

1952年赫爾辛基奧運會引入了革命性的終點實時攝影機系統,徑賽的裁判可以第一時間判斷運動員衝過終線的順序,無需再等上幾十分鐘的成像。

1956年的墨爾本奧運會上,迫於財政壓力,國際奧委會終於開始把電視轉播權作為版權來出售。

此前為了保證奧運會被更多觀眾看到,奧運會都免費向廣播公司和電視台授權,不收取任何轉播費用。

有報道稱,1948年BBC在轉播倫敦奧運會體育賽事後主動提出象徵性地支付50英鎊費用,但被國際奧委會拒絕了。

然後當時財力雄厚的美國三大廣播公司並不買賬,集體抗議版權售賣,但當舉辦方透露轉播權只會出售給其中一家的消息時,三大公司前一秒還統一戰線,下一秒就爭得頭破血流。

1956年雖然實現了轉播,但依然是通過現場錄製好,再將錄像帶運回國內播放的傳統方式。

僅過了8年,1964年東京奧運會採用通信衛星與海底電纜進行轉播,成功進行了奧運會全球直播,這也讓熬夜看比賽成為跨越時代的記憶。

同時,本屆奧運會首次使用了電子計算機和電動計時裝置協助裁判工作,於是才有了1988年漢城奧運會100米蝶泳決賽時,蘇里南選手安東尼·康拉德·內斯蒂以0.01秒的優勢奪金。

1972年慕尼黑奧運會,首次展現了計算機系統的強大性能,安置在計算機中心的五台電腦可以同步處理多項比賽的數據,僅需幾秒鐘即可統計出各項比賽的結果。

1992巴塞羅那奧運會也突破性地製作數字電視信號,是史上首次使用高清數字電視轉播的奧運會。

到了商業化最成功的1996年,亞特蘭大奧運會第一次使用互聯網的方式直播了開幕式,擴大了奧運文化在世界範圍內的影響。

2004年雅典奧運會,性能更優秀的終點攝影機每秒可以抓拍1000張照片,以及當時已經出現的3G上網技術,同時為中國人民記錄下了劉翔奪冠的寶貴瞬間。

等進入了互聯網時代,2008年北京奧運會,基於光纖通信技術和數字技術,中國首次向全世界提供了高清的轉播信號,真正實現了全民參與。

那場震撼的開幕式,讓中國實現了向全球傳送無壓縮版的直播畫面突破,延遲只有幾十毫秒,甚至能夠做到實時互動。

北京奧運會還在網球比中引入了電子線評判手段——鷹眼。

「鷹眼」是「即時回放系統」,由8~10個高速攝像頭、電腦和大屏幕組成,最早在2006年的大滿貫賽事美網開始使用,運動員每盤有兩次機會申請「鷹眼」仲裁。

鷹眼使用球場上的攝像機網絡來跟蹤球的軌跡,並使用建模技術來預測球在球場上的落點,使評判能夠高度準確地檢測到球是在球場內還是球場外。



以網球比賽為例,在比賽開始前,由計算機將賽場內的立體空間劃分成毫米級的測量單元,安放在不同位置和角度的高速攝像機全息捕捉網球運動的基本數據,計算機利用這些數據生成三維圖像,最後利用電腦成像技術,重建與合成網球飛行軌跡的三維圖像並顯示在大屏幕上。

整個過程用時不到10秒,其精確性卻是人眼無法比擬的。

2012年倫敦奧運會,倫敦引入了量子計時器,賽道起跑器首次實現完全電子化,能夠測量到百萬分之一秒的精度,同時社交網絡興起,3D轉播技術第一次在奧運賽場得到實踐。

2016年裡約奧運會,終點攝影機每秒可抓拍張數已經高達10000,8K清晰度的轉播與VR技術的使用讓電視轉播讓世界各地的觀眾在家也能身臨其境地體驗賽場上緊張激烈的氣氛。

此外,射箭比賽首次使用電子靶統計環數,內置的先進的傳感器系統可以精確定位箭頭的位置0.2毫米,並立即顯示比分。

同時,里約奧運會還首次使用GoalRef技術用於足球檢測,足球內置芯片,球門柱和橫樑上的傳感器檢測足球何時完全越線。

首個沒有現場觀眾的雲上奧運

時間來到2021年東京奧運會,東京奧運會首次採用雲上轉播。

「科技感」,是東京奧運會從最初就立下的理念。

儘管延期和空場讓日本經濟損失慘重,疫情控制問題在弦,諸多不盡人意中,今年的奧運會,依然科技感十足。

  • 老朋友Omega貢獻AI視覺技術

奧運會老搭檔Omega在此次奧運會的游泳、體操和沙灘排球等項目中使用計算機視覺和運動傳感器。

以排球比賽為例,Omega通過基於計算機視覺技術的攝像頭,追蹤運動員和球。

通過運動員衣服上的陀螺儀傳感器,每秒收集和分析約2000組數據,包括跳躍的高度、速度、扣球方式的變化、球的飛行路徑等,當數據處理完畢,這些信息會在不到十分之一秒的時間內被傳輸給廣播公司,並顯示在大屏幕上。

球員多、球速快,運動員跑位與策略技術不同,模型訓練和應用都極其複雜,Omega花了4年時間,訓練AI識別無數種擊球類型。

最具挑戰性的一項是AI在攝像機在球被遮擋的情況下無縫、準確地跟蹤球的軌跡。

即在球被遮擋時,追蹤並預測球的去向,球再次出現出,重新計算被遮擋期間的數據,這種對球的追蹤在AI判斷比賽過程中至關重要。

Omega結合圖像和運動員身上的傳感器,基於計算機視覺的AI,使得即使球飛出攝像頭畫面,可根據數據自動補全缺失部分。

Omega聲稱,由於傳感器和多個攝像頭以每秒250幀的速度運行,其沙灘排球系統的準確率達到99%。

  • 機械人服務隊

日本是世界上機械人技術最先進的國家之一,是名副其實的機械人大國,今年東京奧運會,日本也的確在秀了一把肌肉。

東京奧組委在2019年發佈《2020年東京奧運會機械人計劃》,與松下、豐田等公司生產不同用途的機械人,如人類支持機械人、遞送支持機械人和助力外骨骼設備。

東京的奧運村的大部分工作被機械人包攬,有巡邏檢查、緊急支援等維安作業的警衛機械人;有承擔扛行李、送快遞、撿垃圾等粗重活的服務機械人;有在機場定點站崗的機場觀光機械人;有結合手機、拍照、導覽多功能的隨身機械人。其中外骨骼設備,可以大大減輕體力工人的腰部負擔,最多可減輕腰肌40%的負荷。

各大機場和酒店也配備了警衛、翻譯、清掃、迎賓、配送等功能的機械人。

  • AI裁判、智能評分系統

競技體育是計算機視覺又一重要落地場景。

本屆奧運會採用的是富士通的AI評分輔助系統,AI評分系統將用於單人體操項目,該系統首次在2019年世界體操比賽。

據日本NHK報道,AI評分系統通過向選手身體及其周邊200萬處投射紅外線,追蹤選手動作,並實時完成三維立體圖像,並對運動員的旋轉、扭動等動作做出分析和打分。


AI裁判作為計算機視覺落地的場景,時空動作檢測是其中非常重要的技術。

除了對運動員表現打分,在球類領域,時空動作檢測技術還可結合Re-ID技術,對每位球員進行技術統計。

例如在籃球中如果一個人接到隊友傳球之後沒有任何其他動作直接投籃成功,則記為傳球隊友的一次助攻,如果一個人在投籃時有人來干擾投籃,那麼這個投籃的難度指數會隨着干擾投籃人數的增多而增大,這位球員成功后投籃技術評估則會更高,這些為制定訓練計劃、比賽策略和俱樂部之間球員交易提供信息,同時也可用於比賽解說、特效製作等。

  • 3D 運動員追蹤

據悉,英特爾給今年的奧運帶來了3D 運動員追蹤技術。

在短跑領域,該系統通過4個可移動的攝像頭拍攝運動員衝刺,內置算法對每個運動員進行分析,再通過3D視覺實時疊加動態圖層。

呈現出的成果,是我們在直播中看到每個跑道上運動員身後的彩條,不斷變化顏色呈現運動員的情況變化。

  • AR、VR、3D全息投影、人臉識別、5G

日本通信運營商NTT表示,競技場上安裝了多個攝像頭追蹤運動員的動作,再將圖像傳輸到不同的位置實時顯示3D全息圖的設備。

英特爾基於賽道、拳擊場、沙灘排球等奧運場館建立了VR模型,攝影艙內安裝了至少12個攝像頭,戴上VR頭盔后可以獲得前排位置的視角。

如此,AR、VR、3D全息投影等技術將一齊帶來全新觀賽體驗。

東京奧運會還採用了人工智能面部識別系統,是人臉識別技術首次在奧運會上應用。

高速、低延時的5G技術應用在帆船、游泳和高爾夫球等項目。

例如,在帆船賽事中,利用無人機拍攝的比賽視頻通過5G網絡傳輸到現場的大屏幕上直播,在游泳賽事中,觀眾配備支持5G網絡的智能眼鏡,觀眾可看到運動員和比賽等數據。

此外,還有無人駕駛的士、8K高清分辨率直播,AI系統緩解人流擁堵。

  • 雲上奧運

與往屆奧運會不同,本屆奧運會首次採用了雲計算直播,完成全球雲上轉播,這背後是阿里雲支撐。

以往,現場報道奧運會需要建設龐大的媒體中心,籌備演播室,並臨時部署專門的遠程轉播基礎設施,包括大規模外部轉播裝置、編輯套件和網絡連接。這一過程耗時頗長、斥資不菲,在奧運會使用結束后,還需分別拆卸並運回各國。

本屆奧運會採用的OBS Cloud平台,以雲計算和人工智能為基礎,轉播中心佔地面積縮小25%、現場轉播工作人數量減少27%,報道及轉播模式被極大簡化,通過「雲」端向所有持權轉播商分發賽事影像,導播、製作、剪輯、字幕等工作同樣可以在「雲」上完成。

雲直播將帶來更低延遲上傳、更快編輯和流式傳輸方面的效率,同時,為期17天的奧運會,OBSCloud將播放超過9500小時的體育賽事,首次以超高清、高動態範圍製作奧運內容,能夠提供比「標準高清格式」豐富四倍的細節。

總結

早期的奧運會中,賽跑的跑道是用煤渣鋪成的,運動員在準備起跑之前先要在起跑線後面挖一個坑,叫做「起跑穴」。

跳高比賽則需要在橫杆上搭一塊白毛巾,目的是為了讓運動員能看清橫杆的高度。

現在,煤渣路變成了塑膠跑道,輕巧而富有彈性的玻璃纖維、碳纖維取代了堅硬沉重、沒有彈性的木杆。

奧運科技是什麼?

有人說是,柔韌度更高的撐桿、能在水中呼吸的泳衣、抵抗風阻的身體貼片、各種千奇百怪的高科技鞋。

有人說是藥物檢測技術(反興奮劑),生物標誌物測試、同種型測試、RNA檢測等打擊作弊。

有人說是從紙筆到電子屏,從人眼到鷹眼,從土地到橡膠跑道。

奧運會背後的科技迭代,包括但不限於以上部分,涉及太多科技高光。來自世界各地的頂尖科技,在這一盛會上上演。

最初,顧拜旦的目的是通過倡導體育精神來教育法國人民,但如今,奧運會的意義已經遠超當初的預期。

從模糊不清到高清畫質,從黑白相片到彩色視頻,從報紙觀賽到網絡直播,從肉眼判定到複雜的AI系統,從控制室到重播屏幕再到移動轉播車到雲上直播。

世人每拿起一次奧運會的萬花筒,看到的是數字與人類社會的融合,看到的是數字代碼的排列組合和一次次科技高光。

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