科技助力田径赛事智能化运营的功能设计和应用研究

2022-07-04周亦雷秦国阳

体育科技文献通报 2022年6期

周亦雷，秦国阳

随着当前体育科学技术的迅速发展，原本应用于训练和备战的体育科技，逐渐开始运用于体育赛事中，在今年的东京奥运会中，英特尔和阿里巴巴将三维投影技术应用在短跑、跳高等田径项目中，形成3D追踪系统，为田径比赛的直播带来了全新内容，提升田径爱好者的观赛体验，并且英特尔的数据采集装置不会对运动员产生任何干扰，通过这些收集的数据可以帮助运动员提升竞技水平；Binary Sports公司开发了一系列以性能分析或战术分析的视频分析软件，类似的软件还有Dartfish、LongoMatch、Coach eyes以及Kinovea等，这些软件帮助教练和视频分析师对运动员的战术和运动技术进行追踪记录，通过姿态分析实时追踪并记录关节角度、关节速度和角速度等指标，从而帮助教练改善运动员的技术动作和战术应用[1]。现代体育科技的发展和应用，为实现田径赛事智能化运营奠定了基础。

在当前“科技助力奥运”和疫情防控常态化的大背景下，由于我国规范的防疫机制和稳定的环境，必将承接举办更多的国际性赛事，第19届亚运会以及两场国际田径钻石联赛都将于明年由我国举办，还有世界田径锦标赛等国际性赛事都极有可能受到疫情影响到我国进行举办。虽然我国已承办过北京奥运会、世锦赛等国际性田径比赛，积累了一定的经验。但在当前疫情防控的大背景下，可以借助视频图像处理、“鹰眼”等体育科学技术的力量，帮助田径裁判更好的进行判罚并减少裁判的部分工作量，将国际性赛事的裁判工作做到更加公平和公正并减少争议，在未来形成科学的智能化判罚系统。结合Flying-cat轨道跟踪拍摄系统、多画面同步对比等技术，建立智能化的田径赛事转播系统，配合智能化管理系统共同组成田径赛事的智能化运营系统。通过对田径赛事的智能化运营系统的应用和功能设计，为未来的田径赛事智能化运营体系的建立提供科学参照，也为其他运动项目或体育赛事实现智能化运营和判罚提供借鉴。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以科技助力田径赛事智能化运营的功能设计和应用研究为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

以“田径赛事”、“智能化运营”、“智能化判罚”、“功能设计”和“应用研究”为关键词，通过高校图书馆、CNKI数据库、Web of Science数据库查阅相关文献，并且在文献查阅中，使用的英文检索词包括：Athletic Referee、Digital Image Processing、Intelligent Referee等，归纳整理研究所需的文献资料，并积极了解国外相关应用的进展情况，为本研究提供了研究依据和理论基础。

1.2.2 专家访谈法

针对运动视频图像处理、视频跟踪等技术助力田径赛事智能化判罚以及运营的应用和功能设计等研究内容进行了专家访谈并征询意见，梳理访谈录音并对访谈内容进行归类统计分析。以电话访谈和当面访谈的形式对国际级田径裁判5人、国家级田径裁判25人、山东省田径管理中心负责人2人进行访谈，专家访谈总人数为32人，都具有丰富的田径裁判执裁、管理以及田径赛事运营的相关经验。所有专家建议尽快推动田径赛事智能化运营的应用发展，并对田径赛事智能化运营的智能化转播系统、智能化判罚系统和智能化管理系统等主要组成部分进行了设计和提议。

表1 访谈主要专家信息统计

1.2.3 观察法

通过跟踪2019年、2020年以及2021年全国田径锦标赛；2019年、2021年全国田径冠军赛以及2021年中华人民共和国第十四届运动会田径比赛，观察近三年6场全国田径赛事的各个项目中我国田径裁判组织、管理和执裁的情况，为合理完成田径赛事智能化运营及判罚的应用和功能设计提供依据。

1.2.4 调查法

田径赛事智能化运营中各种科技设备，如：运动视频图像处理等设备的布局，需要进行针对性的调查和研究，如：每个比赛场地视频图像处理设备和视频跟踪拍摄系统的布局和安排、每个田径项目实现智能化判罚的方法手段、需要监测有助于智能化判罚的运动学参数、动力学参数和生理学参数、需要布局的比赛环境监控、智能化照明、数据收集和处理等都需要进行专门的调查和分析。结合文献资料、专家访谈及全国田径赛事观察结果，进行切合实际的功能设计。

在对75名国家级田径裁判员和一级田径裁判员的调查中得知，93%的裁判员都支持将视频图像处理、视频追踪以及“鹰眼”等体育科学技术应用于田径判罚中，从辅助性判罚开始在实践中逐渐形成智能化判罚系统，配合智能化转播和管理系统，共同组成田径赛事的智能化运营体系。

1.2.5 实验测试法

实现田径赛事智能化运营，尤其是实现田径赛事的智能化判罚，需要将运动视频图像处理等先进科学技术进行现场的实验测试、数据反馈以及模拟田径赛事的判罚情况等。同时，加强田径赛事场馆的数据共享能力，通过网络传输和云端共享的功能，提高赛事转播质量，建立田径赛事智能化转播系统帮助观众更直观的了解运动员的竞技成绩及赛事运行状态。通过大数据存储及共享等技术形成田径赛事的智能化管理系统，帮助裁判员更准确、快速的进行仲裁并方面教练员赛后对运动员进行指导。

2 研究结果与分析

2.1 国内外体育科学技术的发展现状

2.1.1 世界体育科学技术的发展情况分析

随着体育科学技术的不断发展，英国、德国、法国等欧洲国家以及美国在体育科学技术的研发和应用领域处于世界领先地位。运动视频图像处理技术目前主要应用于技战术研究中，其中，瑞士公司Dartfish开发的Darttrainer、德国公司Simi Shape 3D开发的Simisoftwares以及美国2D图像处理软件Kinovea被广大国际科研工作者、教练员和教学机构应用于运动员运动技术和战术分析。通过高清摄像机和三维标定框架对优秀运动员的比赛进行三维录像，通过观察运动员以及器械的质心在三维空间中的运动轨迹，从而计算出运动员的关键运动技术参数[2]，并结合Simisoftwares等软件对运动员和教练员进行直观的反馈。微软公司设计的Kinect技术结合了红外识别技术形成了骨龄测试系统，通过人体运动骨骼肌仿生系统、人体运动骨骼仿生系统的研究，帮助田径运动员提高竞技运动思维和竞技意识、提高比赛效率和竞技能力水平。

2.1.2 我国体育科学技术的发展情况分析

近几年，我国的体育科学技术得到快速发展，在运动技术采集反馈、运动监控等方面提高幅度较大并逐渐接近世界的领先水平。首先，在运动技术采集反馈方面，主要分为信息采集和处理反馈两个部分，通过SIMI Motion或Peak Motus三维运动解析系统以及Coach eyes、Dartfish Prosuite 9.0等运动视频图像处理技术，在不干扰运动员的条件下，直观、迅速的对比赛和训练中运动员的真实技战术进行分析和诊断，从而高效的进行信息反馈[3]。其次，运动监控的技术运用也更加普及[4]，通过Kistler便携式测力台动力学监测系统、Keiser力量训练定量监测统计技术[5]以及Gym-Aware爆发力训练和测量仪器[6]等有效监控力量训练负荷、心率等指标，保障了训练过程的安全性[7]。

2.1.3 国内外体育科学技术的发展趋势分析

目前，国内外对于体育科学技术的应用大多集中于提升运动员竞技能力方面，但随着在国际性赛事中不断出现误判或人为干预比赛结果等事件[8]，人们对于体育赛事判罚和结果的公平性和公正性也在不断努力提高，很多项目尤其是打分项目的裁判越来越可能被电子裁判所取代，通过布置覆盖全方位和多视角的高清摄像机，时刻监控运动员的运动技术表现和难度表现等关键指标，进行客观的打分，以实现赛事判罚的公平性和公正性。而我国在电子裁判等智能化判罚系统的开发与应用方面，目前还没有相关的研究。因此，体育赛事实现智能化运营和判罚是新的历史时期世界体育赛事和体育科技发展的现实需求，我国在该领域的起步较晚，应将现有的在田径项目中运用较为成熟的视频图像处理、视频跟踪等体育科学技术应用于赛事的运营和判罚中，探索出一套智能化的田径赛事运营体系。

2.2 科技助力田径赛事的智能化运营

2.2.1 现代无线网络视频图像传输和直播技术

目前，现代视频通信技术已得到了广泛的运用，通过现有公共通信资源的CDMA和GPRS无线方式进行数据传输，使无线长距离传输成为可能。不仅延伸了数据采集的领域，也使数据采集的现场环境影响大大降低。远程无线视频传输系统通过将视频采集单元和无线数据传输模块组合，通过数字移动网络与远端服务器进行连接，最终完成数据的传输[9]。在田径赛事转播中，可以通过落实5G技术的光通信视频同步传输，以弥补视频同步传输技术视频传输质量较差以及无法满足同步传输实时性需求的缺陷，光通信技术具有保密性强、抗电磁干扰能力强、传输容量大等优势，将5G通信技术与光通信技术结合，实现视频同步传输，使赛事转播同时具有5G技术的高通信速率以及光通信技术的抗干扰性能，提升视频同步传输效率以及视频传输效果[10]，有效提高田径赛事的转播质量。

2.2.2 运动视频图像多重处理和测距技术

运动视频图像处理技术是指各种与视频图像处理有关的技术总称，主要通过分析运动学参数等关键指标，来判断运动员的犯规情况，常用的技术手段包括：视频图像Mark点追踪技术、鹰眼技术、视频即时回放技术、视频裁判助力技术、足球视频助理裁判VAR技术、视频标注技术等，帮助裁判判断运动员的犯规情况和比赛成绩，如图一所示，运动视频图像采集技术已成熟应用于短距离项目的成绩判罚中。通过视频图像处理技术结合多机位同步采集技术可以高效的完成运动成绩测量，如通过Amsico Traching软件[11]结合6台摄像机“鸟瞰”固定的比赛区域，有效减少当前激光测距的误差，并保证测量的公平性和比赛结果的公正性，常用的技术包括：视频测量技术、跑动能量测试技术等[12]。

图一 2018年国际田联钻石联赛男子100米决赛终点撞线图

2.2.3 大数据分析技术

大数据时代下，随着数据仓库和数据挖掘技术的广泛应用，对于体育赛事实现智能化管理也有极大的帮助。数据仓库和数据挖掘技术的功能包括发现问题和解决问题，不仅能够在深层次上进行数据分析，而且能对需要的信息实现及时、准确地加工，仅可以为体育科研及运动员训练提供指导，并且可以帮助田径赛事合理安排比赛项目，通过输入比赛人数、项目及单项时间等相关数据，自动生成安排合理的比赛秩序册[13]。并且大数据分析技术还可以丰富赛事直播内容，提高赛事的质量和观赏性，帮助赛事转播方精确的掌握相关运动员信息，通过对田径运动员竞技能力和运动技术特点的深入分析和点评，从而达到较好的转播效果[14]，并通过建立数据库、准备具体赛事包装方案，逐步提高田径赛事的包装水平[15]。

2.2.4 运动技术全景图和运动技术参数的自动提取技术

运动技术全景图是指通过Dartfish或Coach eyes等视频图像处理软件，以单个时相的时间为位置节点，通过视频标定技术，更好的呈现运动员的步幅、步频以及平均速度等运动指标[16，17]。并且通过将同一背景下运动员连续多个技术动作关键时相提取在同一画面内，可以更加清晰的观察运动技术特征的连续变化过程[18]，将运动技术全景图技术应用于赛事转播和赛后反馈中，可以帮助教练员、运动员以及观赛田径爱好者更好的了解各田径专项的技术动作结构[19]。如通过对标枪奥运冠军刘诗颖在2020年全国田径锦标赛中夺冠一投的运动技术进行全景图的展示，帮助观众更好的欣赏运动员技术。另外，通过运动技术参数的自动提取技术配合大数据存储技术，更好的帮助田径裁判员进行执裁和仲裁[20，21]。

图二刘诗颖标枪最后用力阶段全景图

2.2.5 信息采集与管理技术

通过信息采集技术，运用风速风向传感器、温度与湿度传感器等设备，对比赛环境的风速、风向、温度湿度等指标进行监测并做到实时采集和记录，从而实现比赛环境监控和智能化照明[22]。信息管理技术在田径赛事的数据管理的应用也日趋成熟，田径赛事的数据不仅包括文本还可以包括图像和视频资料，通过使用掌上电脑，方便裁判员和赛事管理人员查阅相关比赛信息和视频[23]。并且运用信息管理技术，开发田径赛事移动APP，采用Hybrid App技术，通过web html5和native混合开发模式，实现web与APP间的高效兼容与良好的交互体验，丰富田径爱好者观赛途径和观赛体验[24-26]。

3 田径赛事智能化运营系统的功能设计

3.1 田径赛事智能化转播系统的功能设计

在转播设施方面，构建田径赛事转播智能化设备系统，结合Flying-cat飞猫轨道跟踪拍摄系统、全方位多视角的高清摄像机、自动跟踪拍摄的智能摄像头等视频拍摄设备，实现比赛全过程的全方位多角度的高清视频拍摄，通过360度特效回放等形式丰富观众的观赛体验，为赛事多样化转播奠定基础。在转播技术方面，借鉴奥运会转播的相关经验，将应用于东京奥运会的5G、云计算、SD-WAN和人工智能等新技术，应用于田径赛事的转播中，采用5G通信技术与光通信技术相结合的新型传输技术，有效提高田径赛事的转播质量，并有机整合赛事相关信息，将相关信息进行纵向、横向以及综合整理，从赛事历史回溯、赛事实时解说、场馆数字化等角度，加强田径赛事的包装。

3.2 田径赛事智能化判罚系统的功能设计

3.2.1 径赛智能化判罚的功能设计

3.2.1.1 短、中距离项目智能化判罚的功能设计

综合当前体育监控技术，建立短、中距离径赛项目智能化判罚的系统。在起跑阶段的监控技术已较为成熟，按照国际田联的要求，电子起跑判罚器采用电子监测对内置于起跑器横梁的压力传感器进行实时监测其压力变化，如全运会采用的SEIKO（RM-100）起跑犯规监测仪兼具抢跑报警、起跑反应计时以及数据存储等功能，已经实现了对运动员起跑瞬间的智能化判罚。在途中跑阶段，通过视频图像Mark点追踪技术、视频即时回放技术、视频裁判助力技术以及视频标注技术，自动判断运动员的犯规情况，如发生肢体接触、乱道等犯规情况。在冲刺阶段，通过运动视频图像处理技术的视频图像播放控制功能，自动完成运动员的名次判决并生成各道次运动员的比赛成绩。在短、中距离项目中，赛前需要裁判员将视频图像采集速度调整为200HZ（fps），并调整摄像机使主光轴垂直于跑道，采用定点扫描拍摄，并保证每个摄像机都要拍摄到发令枪击发瞬间。

3.2.1.2 长、超长距离项目智能化判罚的功能设计

长、超长距离径赛项目智能化判罚的系统应结合具体竞赛规则进行智能化判罚，对于长、超长距离项目的判罚重点主要集中在起跑后直到比赛结束的整个过程中，对于除竞走外的其他项目，都可以通过视频追踪和鹰眼技术实现智能化判罚，并结合芯片追踪和长距离项目记圈软件的应用记录运动员成绩。在竞走项目的规则中，规定要以裁判员的“肉眼可见”作为判罚犯规的主要依据，目前鹰眼技术在竞走项目中的智能化判罚技术仍存在争议。因此，在竞走比赛中仍需要裁判对运动员的比赛过程的犯规情况进行判罚。在执行长、超长距离径赛项目的判罚时，摄像机应采用先变焦对准，后定焦微调，从而获得更加清晰的运动员的视频图像。

3.2.2 田赛智能化判罚的功能设计

3.2.2.1 跳跃类项目智能化判罚的功能设计

在起跳阶段，采用视频监控技术和视频即时回放技术，通过多视角且采集速度为100HZ（fps）高清摄像机，对运动员起跳阶段的犯规情况进行判罚。在成绩测量方面，跳远项目是运动视频图像测距技术运用最为成熟的项目，通过运用视频测距技术可以在更短的时间内得到比激光测距更加准确的结果，如图三所示，通过视频测距技术对2020东京奥运会我国运动员朱亚明第5次试跳进行测量，得到的运动视频测量和成绩排名状态示意图。通过视频图像处理的各项技术构建出跳跃类项目的智能化判罚系统，通过全方位布局高清摄像机（如图四），极大的减少了人为误差并提高了比赛结果的公平性，并且除了固定机位外，增加多视角的移动机位，从而更清晰的判断运动员犯规情况，通过摄像机布局替代了大部分的裁判员，从而减少了裁判员对参赛运动员的干扰。

图三运动视频实时测量和成绩排名状态示意图

图四田径赛事智能化判罚系统机位布局示意图

3.2.2.2 投掷类项目智能化判罚的功能设计

投掷类项目智能化判罚系统需要对短距离和长距离投掷成绩都有精准的测量，因此运动视频图像处理的摄像机应将采集速度调整为300HZ（fps），通过多视角布局的摄像机并结合视频即时回放技术判断投掷运动员出手时的犯规情况。运用运动视频图像测距技术完成投掷运动员每一次试投的成绩测量。通过科技助力将投掷比赛裁判组的裁判员数量从十几人减少至2-3人，实现智能化判罚后的投掷比赛每个裁判组包括一名裁判长负责对运动员的犯规行为进行警告和处理，一名裁判员负责组织运动员进行试投并管理投掷器械。

3.3 田径赛事智能化管理系统的功能设计

通过大数据分析技术、信息采集和管理技术等，构建田径赛事智能化管理系统（如图五），运用数据仓库和数据挖掘技术，结合田径赛事的特点，自动形成田径赛事秩序册。通过信息采集技术，实现对比赛环境的实时监控和智能化照明。运用信息管理技术，开发赛事APP，采用Hybrid App技术，实现web与APP间的高效兼容与良好的交互体验。