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。當時這類應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用領(lǐng)域的基礎(chǔ)——似乎體育運動和這類應用領(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)的一個重要應用方向。對運動員在比賽過程以及訓練過程中的追蹤會極大地提高其場上表現(xiàn)。在棒球練習中，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這種一流供應商供應的最好的傳感器，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標準

廣播類應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)絡交換機方面

有些人希望安裝牢固，那么網(wǎng)絡交換機會發(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）的服務器。對于使用的服務器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的應用中，要用5個雙口10GigE網(wǎng)卡，由于插槽數(shù)量更多導致服務器成本增加，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

考慮到多路復用，如果帶100G網(wǎng)卡的單獨服務器不能使用了，那么快速轉(zhuǎn)換到一個類似的冗余服務器幾乎可以實現(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標準，行業(yè)認可度高

【來源：加拿大Emergent公司】