體育運動技術(shù)是靠商業(yè)驅(qū)動的。錯過一個電話動輒造成成百上千萬元的損失。誰不想在體育運動中勝者為王呢，而大多數(shù)老板和運動員認為，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)動因素。

 

發(fā)展歷史簡介

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

20世紀60年代，棒球運動中使用雷達來追蹤球速。很久以后，網(wǎng)球運動中也采用了這項技術(shù)來追蹤發(fā)球速度。當(dāng)時這類應(yīng)用更多的是為了娛樂。到了20世紀80年代，網(wǎng)球運動中首次采用了一個依托于光束的電腦系統(tǒng)，名為Cyclops。讓這個系統(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世紀初期，數(shù)碼攝像機才在這個應(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，為各個體育運動領(lǐng)域和相應(yīng)的娛樂領(lǐng)域打開了新世界的大門。

 

人們最早使用多臺相機，讓它們保持嚴格同步時使用的是三角測量法，來在視覺上實現(xiàn)全三維場景重建。后來這就構(gòu)成了像虛擬現(xiàn)實、混合現(xiàn)實和增強現(xiàn)實這樣的容積捕獲類應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)——似乎體育運動和這類應(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場景，就沒什么想像空間可言，也幾乎不會有爭議了。

 

除了自動裁判這個應(yīng)用方向以外，表現(xiàn)分析已經(jīng)成為這類技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向。對運動員在比賽過程以及訓(xùn)練過程中的追蹤會極大地提高其場上表現(xiàn)。在棒球練習(xí)中，可以全三維捕獲投球手、擊球手和球的運動，并對其進行大量分析，來確定場上取勝的訣竅，甚至可以以微秒級精度偵測到球速為90mph的變速球的旋轉(zhuǎn)運動。如今，追蹤姿勢、運動員速度、射門速度等現(xiàn)場表現(xiàn)都已成為體育運動的標(biāo)準組成部分。

最后，如我們在一些NBA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上的物體自由旋轉(zhuǎn)，以獲得半虛擬現(xiàn)實體驗。

 

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場景。為了獲得最佳精度，會要求從多臺相機采集到的圖像之間要實現(xiàn)嚴格的、微秒級的計時同步。會要求在各種光照環(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。會要求相機設(shè)置能橫跨一大片區(qū)域，把整個體育場包含進去，所以對于系統(tǒng)安裝和維護來說，最簡單的方案最受青睞。為了獲得最佳精度，一個完整的系統(tǒng)需要使用多臺相機。最后，在大多數(shù)應(yīng)用中，成本會是一個重要因素。

 

10GigE和25GigE相機如何處理這個難題

計時同步方面

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

IEEE 1588精密時間協(xié)議（PTP）

 

圖像質(zhì)量方面

Emergent相機只使用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，動態(tài)范圍得以改進，而動態(tài)范圍對體育運動這個應(yīng)用方向而言十分重要，因為經(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）是最受體育運動領(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)布的六個新相機型號，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，走向市場的廠家。

 

更高的幀率和分辨率自然會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相機接口支持。

 

符合SMPTE ST 2110標(biāo)準

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、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)準就是一種額外優(yōu)勢，讓相機與新時代接軌。

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。相較之下，與之最接近的CXP線纜中，CXP6和CXP12可以分別達到72m和30m長，若想再長些，就得使用昂貴的光纖適配器。

線掃相機應(yīng)用

如前所述，使用膠卷攝錄的膠帶攝像機曾被用在由照片定勝負的比賽項目中。時至今日，通常是線掃相機取代了這一角色，比如Emergent的LR-8KG和LB-8KG。相機會被垂直定向放置，精確而持續(xù)不斷地掃描著終點線。當(dāng)運動中的物體跨越終點線時，會對運動物體掃描，而且這個場景的靜態(tài)畫面不會發(fā)生改變。

網(wǎng)絡(luò)交換機方面

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

 

 PTP分配

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

IEEE 1588精密時間協(xié)議（PTP）

 

 相機/設(shè)備多路復(fù)用技術(shù)

10個像HR-12000-SC這樣的10GigE相機可以多路傳輸?shù)揭粋€單獨的100GigE鏈路，傳回到插著單接口100GigE網(wǎng)卡（NIC）的服務(wù)器。對于使用的服務(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臺相機配1臺PC的應(yīng)用中，要用5個雙口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個雙口10G網(wǎng)卡比1個單口100G網(wǎng)卡成本要高。

 

 冗余

考慮到多路復(fù)用，如果帶100G網(wǎng)卡的單獨服務(wù)器不能使用了，那么快速轉(zhuǎn)換到一個類似的冗余服務(wù)器幾乎可以實現(xiàn)停機時間為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100G鏈路和10個10G鏈路相比，需要的交換端口要少很多。

 

10GigE和25GigE相機用于體育運動領(lǐng)域的優(yōu)勢

 

>> 超高數(shù)據(jù)傳輸速率/幀率

 

>> 各種配件和線纜可供選擇，滿足不同的長度需求

 

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

 

>> 運用多播視頻技術(shù)

 

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

 

>> 每臺PC可配相機數(shù)量最多

 

>> 性價比極具競爭力

 

>> 符合IEEE和AIA標(biāo)準，行業(yè)認可度高

【來源：加拿大Emergent公司】