科技助力田徑賽事智能化運營的功能設計和應用研究

周亦雷，秦國陽

隨著當前體育科學技術的迅速發展，原本應用于訓練和備戰的體育科技，逐漸開始運用于體育賽事中，在今年的東京奧運會中，英特爾和阿里巴巴將三維投影技術應用在短跑、跳高等田徑項目中，形成3D追蹤系統，為田徑比賽的直播帶來了全新內容，提升田徑愛好者的觀賽體驗，并且英特爾的數據采集裝置不會對運動員產生任何干擾，通過這些收集的數據可以幫助運動員提升競技水平；Binary Sports公司開發了一系列以性能分析或戰術分析的視頻分析軟件，類似的軟件還有Dartfish、LongoMatch、Coach eyes以及Kinovea等，這些軟件幫助教練和視頻分析師對運動員的戰術和運動技術進行追蹤記錄，通過姿態分析實時追蹤并記錄關節角度、關節速度和角速度等指標，從而幫助教練改善運動員的技術動作和戰術應用[1]。現代體育科技的發展和應用，為實現田徑賽事智能化運營奠定了基礎。

在當前“科技助力奧運”和疫情防控常態化的大背景下，由于我國規范的防疫機制和穩定的環境，必將承接舉辦更多的國際性賽事，第19屆亞運會以及兩場國際田徑鉆石聯賽都將于明年由我國舉辦，還有世界田徑錦標賽等國際性賽事都極有可能受到疫情影響到我國進行舉辦。雖然我國已承辦過北京奧運會、世錦賽等國際性田徑比賽，積累了一定的經驗。但在當前疫情防控的大背景下，可以借助視頻圖像處理、“鷹眼”等體育科學技術的力量，幫助田徑裁判更好的進行判罰并減少裁判的部分工作量，將國際性賽事的裁判工作做到更加公平和公正并減少爭議，在未來形成科學的智能化判罰系統。結合Flying-cat軌道跟蹤拍攝系統、多畫面同步對比等技術，建立智能化的田徑賽事轉播系統，配合智能化管理系統共同組成田徑賽事的智能化運營系統。通過對田徑賽事的智能化運營系統的應用和功能設計，為未來的田徑賽事智能化運營體系的建立提供科學參照，也為其他運動項目或體育賽事實現智能化運營和判罰提供借鑒。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以科技助力田徑賽事智能化運營的功能設計和應用研究為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

以“田徑賽事”、“智能化運營”、“智能化判罰”、“功能設計”和“應用研究”為關鍵詞，通過高校圖書館、CNKI數據庫、Web of Science數據庫查閱相關文獻，并且在文獻查閱中，使用的英文檢索詞包括：Athletic Referee、Digital Image Processing、Intelligent Referee等，歸納整理研究所需的文獻資料，并積極了解國外相關應用的進展情況，為本研究提供了研究依據和理論基礎。

1.2.2 專家訪談法

針對運動視頻圖像處理、視頻跟蹤等技術助力田徑賽事智能化判罰以及運營的應用和功能設計等研究內容進行了專家訪談并征詢意見，梳理訪談錄音并對訪談內容進行歸類統計分析。以電話訪談和當面訪談的形式對國際級田徑裁判5人、國家級田徑裁判25人、山東省田徑管理中心負責人2人進行訪談，專家訪談總人數為32人，都具有豐富的田徑裁判執裁、管理以及田徑賽事運營的相關經驗。所有專家建議盡快推動田徑賽事智能化運營的應用發展，并對田徑賽事智能化運營的智能化轉播系統、智能化判罰系統和智能化管理系統等主要組成部分進行了設計和提議。

表1 訪談主要專家信息統計

1.2.3 觀察法

通過跟蹤2019年、2020年以及2021年全國田徑錦標賽；2019年、2021年全國田徑冠軍賽以及2021年中華人民共和國第十四屆運動會田徑比賽，觀察近三年6場全國田徑賽事的各個項目中我國田徑裁判組織、管理和執裁的情況，為合理完成田徑賽事智能化運營及判罰的應用和功能設計提供依據。

1.2.4 調查法

田徑賽事智能化運營中各種科技設備，如：運動視頻圖像處理等設備的布局，需要進行針對性的調查和研究，如：每個比賽場地視頻圖像處理設備和視頻跟蹤拍攝系統的布局和安排、每個田徑項目實現智能化判罰的方法手段、需要監測有助于智能化判罰的運動學參數、動力學參數和生理學參數、需要布局的比賽環境監控、智能化照明、數據收集和處理等都需要進行專門的調查和分析。結合文獻資料、專家訪談及全國田徑賽事觀察結果，進行切合實際的功能設計。

在對75名國家級田徑裁判員和一級田徑裁判員的調查中得知，93%的裁判員都支持將視頻圖像處理、視頻追蹤以及“鷹眼”等體育科學技術應用于田徑判罰中，從輔助性判罰開始在實踐中逐漸形成智能化判罰系統，配合智能化轉播和管理系統，共同組成田徑賽事的智能化運營體系。

1.2.5 實驗測試法

實現田徑賽事智能化運營，尤其是實現田徑賽事的智能化判罰，需要將運動視頻圖像處理等先進科學技術進行現場的實驗測試、數據反饋以及模擬田徑賽事的判罰情況等。同時，加強田徑賽事場館的數據共享能力，通過網絡傳輸和云端共享的功能，提高賽事轉播質量，建立田徑賽事智能化轉播系統幫助觀眾更直觀的了解運動員的競技成績及賽事運行狀態。通過大數據存儲及共享等技術形成田徑賽事的智能化管理系統，幫助裁判員更準確、快速的進行仲裁并方面教練員賽后對運動員進行指導。

2 研究結果與分析

2.1 國內外體育科學技術的發展現狀

2.1.1 世界體育科學技術的發展情況分析

隨著體育科學技術的不斷發展，英國、德國、法國等歐洲國家以及美國在體育科學技術的研發和應用領域處于世界領先地位。運動視頻圖像處理技術目前主要應用于技戰術研究中，其中，瑞士公司Dartfish開發的Darttrainer、德國公司Simi Shape 3D開發的Simisoftwares以及美國2D圖像處理軟件Kinovea被廣大國際科研工作者、教練員和教學機構應用于運動員運動技術和戰術分析。通過高清攝像機和三維標定框架對優秀運動員的比賽進行三維錄像，通過觀察運動員以及器械的質心在三維空間中的運動軌跡，從而計算出運動員的關鍵運動技術參數[2]，并結合Simisoftwares等軟件對運動員和教練員進行直觀的反饋。微軟公司設計的Kinect技術結合了紅外識別技術形成了骨齡測試系統，通過人體運動骨骼肌仿生系統、人體運動骨骼仿生系統的研究，幫助田徑運動員提高競技運動思維和競技意識、提高比賽效率和競技能力水平。

2.1.2 我國體育科學技術的發展情況分析

近幾年，我國的體育科學技術得到快速發展，在運動技術采集反饋、運動監控等方面提高幅度較大并逐漸接近世界的領先水平。首先，在運動技術采集反饋方面，主要分為信息采集和處理反饋兩個部分，通過SIMI Motion或Peak Motus三維運動解析系統以及Coach eyes、Dartfish Prosuite 9.0等運動視頻圖像處理技術，在不干擾運動員的條件下，直觀、迅速的對比賽和訓練中運動員的真實技戰術進行分析和診斷，從而高效的進行信息反饋[3]。其次，運動監控的技術運用也更加普及[4]，通過Kistler便攜式測力臺動力學監測系統、Keiser力量訓練定量監測統計技術[5]以及Gym-Aware爆發力訓練和測量儀器[6]等有效監控力量訓練負荷、心率等指標，保障了訓練過程的安全性[7]。

2.1.3 國內外體育科學技術的發展趨勢分析

目前，國內外對于體育科學技術的應用大多集中于提升運動員競技能力方面，但隨著在國際性賽事中不斷出現誤判或人為干預比賽結果等事件[8]，人們對于體育賽事判罰和結果的公平性和公正性也在不斷努力提高，很多項目尤其是打分項目的裁判越來越可能被電子裁判所取代，通過布置覆蓋全方位和多視角的高清攝像機，時刻監控運動員的運動技術表現和難度表現等關鍵指標，進行客觀的打分，以實現賽事判罰的公平性和公正性。而我國在電子裁判等智能化判罰系統的開發與應用方面，目前還沒有相關的研究。因此，體育賽事實現智能化運營和判罰是新的歷史時期世界體育賽事和體育科技發展的現實需求，我國在該領域的起步較晚，應將現有的在田徑項目中運用較為成熟的視頻圖像處理、視頻跟蹤等體育科學技術應用于賽事的運營和判罰中，探索出一套智能化的田徑賽事運營體系。

2.2 科技助力田徑賽事的智能化運營

2.2.1 現代無線網絡視頻圖像傳輸和直播技術

目前，現代視頻通信技術已得到了廣泛的運用，通過現有公共通信資源的CDMA和GPRS無線方式進行數據傳輸，使無線長距離傳輸成為可能。不僅延伸了數據采集的領域，也使數據采集的現場環境影響大大降低。遠程無線視頻傳輸系統通過將視頻采集單元和無線數據傳輸模塊組合，通過數字移動網絡與遠端服務器進行連接，最終完成數據的傳輸[9]。在田徑賽事轉播中，可以通過落實5G技術的光通信視頻同步傳輸，以彌補視頻同步傳輸技術視頻傳輸質量較差以及無法滿足同步傳輸實時性需求的缺陷，光通信技術具有保密性強、抗電磁干擾能力強、傳輸容量大等優勢，將5G通信技術與光通信技術結合，實現視頻同步傳輸，使賽事轉播同時具有5G技術的高通信速率以及光通信技術的抗干擾性能，提升視頻同步傳輸效率以及視頻傳輸效果[10]，有效提高田徑賽事的轉播質量。

2.2.2 運動視頻圖像多重處理和測距技術

運動視頻圖像處理技術是指各種與視頻圖像處理有關的技術總稱，主要通過分析運動學參數等關鍵指標，來判斷運動員的犯規情況，常用的技術手段包括：視頻圖像Mark點追蹤技術、鷹眼技術、視頻即時回放技術、視頻裁判助力技術、足球視頻助理裁判VAR技術、視頻標注技術等，幫助裁判判斷運動員的犯規情況和比賽成績，如圖一所示，運動視頻圖像采集技術已成熟應用于短距離項目的成績判罰中。通過視頻圖像處理技術結合多機位同步采集技術可以高效的完成運動成績測量，如通過Amsico Traching軟件[11]結合6臺攝像機“鳥瞰”固定的比賽區域，有效減少當前激光測距的誤差，并保證測量的公平性和比賽結果的公正性，常用的技術包括：視頻測量技術、跑動能量測試技術等[12]。

圖一 2018年國際田聯鉆石聯賽男子100米決賽終點撞線圖

2.2.3 大數據分析技術

大數據時代下，隨著數據倉庫和數據挖掘技術的廣泛應用，對于體育賽事實現智能化管理也有極大的幫助。數據倉庫和數據挖掘技術的功能包括發現問題和解決問題，不僅能夠在深層次上進行數據分析，而且能對需要的信息實現及時、準確地加工，僅可以為體育科研及運動員訓練提供指導，并且可以幫助田徑賽事合理安排比賽項目，通過輸入比賽人數、項目及單項時間等相關數據，自動生成安排合理的比賽秩序冊[13]。并且大數據分析技術還可以豐富賽事直播內容，提高賽事的質量和觀賞性，幫助賽事轉播方精確的掌握相關運動員信息，通過對田徑運動員競技能力和運動技術特點的深入分析和點評，從而達到較好的轉播效果[14]，并通過建立數據庫、準備具體賽事包裝方案，逐步提高田徑賽事的包裝水平[15]。

2.2.4 運動技術全景圖和運動技術參數的自動提取技術

運動技術全景圖是指通過Dartfish或Coach eyes等視頻圖像處理軟件，以單個時相的時間為位置節點，通過視頻標定技術，更好的呈現運動員的步幅、步頻以及平均速度等運動指標[16，17]。并且通過將同一背景下運動員連續多個技術動作關鍵時相提取在同一畫面內，可以更加清晰的觀察運動技術特征的連續變化過程[18]，將運動技術全景圖技術應用于賽事轉播和賽后反饋中，可以幫助教練員、運動員以及觀賽田徑愛好者更好的了解各田徑專項的技術動作結構[19]。如通過對標槍奧運冠軍劉詩穎在2020年全國田徑錦標賽中奪冠一投的運動技術進行全景圖的展示，幫助觀眾更好的欣賞運動員技術。另外，通過運動技術參數的自動提取技術配合大數據存儲技術，更好的幫助田徑裁判員進行執裁和仲裁[20，21]。

圖二 劉詩穎標槍最后用力階段全景圖

2.2.5 信息采集與管理技術

通過信息采集技術，運用風速風向傳感器、溫度與濕度傳感器等設備，對比賽環境的風速、風向、溫度濕度等指標進行監測并做到實時采集和記錄，從而實現比賽環境監控和智能化照明[22]。信息管理技術在田徑賽事的數據管理的應用也日趨成熟，田徑賽事的數據不僅包括文本還可以包括圖像和視頻資料，通過使用掌上電腦，方便裁判員和賽事管理人員查閱相關比賽信息和視頻[23]。并且運用信息管理技術，開發田徑賽事移動APP，采用Hybrid App技術，通過web html5和native混合開發模式，實現web與APP間的高效兼容與良好的交互體驗，豐富田徑愛好者觀賽途徑和觀賽體驗[24-26]。

3 田徑賽事智能化運營系統的功能設計

3.1 田徑賽事智能化轉播系統的功能設計

在轉播設施方面，構建田徑賽事轉播智能化設備系統，結合Flying-cat飛貓軌道跟蹤拍攝系統、全方位多視角的高清攝像機、自動跟蹤拍攝的智能攝像頭等視頻拍攝設備，實現比賽全過程的全方位多角度的高清視頻拍攝，通過360度特效回放等形式豐富觀眾的觀賽體驗，為賽事多樣化轉播奠定基礎。在轉播技術方面，借鑒奧運會轉播的相關經驗，將應用于東京奧運會的5G、云計算、SD-WAN和人工智能等新技術，應用于田徑賽事的轉播中，采用5G通信技術與光通信技術相結合的新型傳輸技術，有效提高田徑賽事的轉播質量，并有機整合賽事相關信息，將相關信息進行縱向、橫向以及綜合整理，從賽事歷史回溯、賽事實時解說、場館數字化等角度，加強田徑賽事的包裝。

3.2 田徑賽事智能化判罰系統的功能設計

3.2.1 徑賽智能化判罰的功能設計

3.2.1.1 短、中距離項目智能化判罰的功能設計

綜合當前體育監控技術，建立短、中距離徑賽項目智能化判罰的系統。在起跑階段的監控技術已較為成熟，按照國際田聯的要求，電子起跑判罰器采用電子監測對內置于起跑器橫梁的壓力傳感器進行實時監測其壓力變化，如全運會采用的SEIKO（RM-100）起跑犯規監測儀兼具搶跑報警、起跑反應計時以及數據存儲等功能，已經實現了對運動員起跑瞬間的智能化判罰。在途中跑階段，通過視頻圖像Mark點追蹤技術、視頻即時回放技術、視頻裁判助力技術以及視頻標注技術，自動判斷運動員的犯規情況，如發生肢體接觸、亂道等犯規情況。在沖刺階段，通過運動視頻圖像處理技術的視頻圖像播放控制功能，自動完成運動員的名次判決并生成各道次運動員的比賽成績。在短、中距離項目中，賽前需要裁判員將視頻圖像采集速度調整為200HZ（fps），并調整攝像機使主光軸垂直于跑道，采用定點掃描拍攝，并保證每個攝像機都要拍攝到發令槍擊發瞬間。

3.2.1.2 長、超長距離項目智能化判罰的功能設計

長、超長距離徑賽項目智能化判罰的系統應結合具體競賽規則進行智能化判罰，對于長、超長距離項目的判罰重點主要集中在起跑后直到比賽結束的整個過程中，對于除競走外的其他項目，都可以通過視頻追蹤和鷹眼技術實現智能化判罰，并結合芯片追蹤和長距離項目記圈軟件的應用記錄運動員成績。在競走項目的規則中，規定要以裁判員的“肉眼可見”作為判罰犯規的主要依據，目前鷹眼技術在競走項目中的智能化判罰技術仍存在爭議。因此，在競走比賽中仍需要裁判對運動員的比賽過程的犯規情況進行判罰。在執行長、超長距離徑賽項目的判罰時，攝像機應采用先變焦對準，后定焦微調，從而獲得更加清晰的運動員的視頻圖像。

3.2.2 田賽智能化判罰的功能設計

3.2.2.1 跳躍類項目智能化判罰的功能設計

在起跳階段，采用視頻監控技術和視頻即時回放技術，通過多視角且采集速度為100HZ（fps）高清攝像機，對運動員起跳階段的犯規情況進行判罰。在成績測量方面，跳遠項目是運動視頻圖像測距技術運用最為成熟的項目，通過運用視頻測距技術可以在更短的時間內得到比激光測距更加準確的結果，如圖三所示，通過視頻測距技術對2020東京奧運會我國運動員朱亞明第5次試跳進行測量，得到的運動視頻測量和成績排名狀態示意圖。通過視頻圖像處理的各項技術構建出跳躍類項目的智能化判罰系統，通過全方位布局高清攝像機（如圖四），極大的減少了人為誤差并提高了比賽結果的公平性，并且除了固定機位外，增加多視角的移動機位，從而更清晰的判斷運動員犯規情況，通過攝像機布局替代了大部分的裁判員，從而減少了裁判員對參賽運動員的干擾。

圖三 運動視頻實時測量和成績排名狀態示意圖

圖四 田徑賽事智能化判罰系統機位布局示意圖

3.2.2.2 投擲類項目智能化判罰的功能設計

投擲類項目智能化判罰系統需要對短距離和長距離投擲成績都有精準的測量，因此運動視頻圖像處理的攝像機應將采集速度調整為300HZ（fps），通過多視角布局的攝像機并結合視頻即時回放技術判斷投擲運動員出手時的犯規情況。運用運動視頻圖像測距技術完成投擲運動員每一次試投的成績測量。通過科技助力將投擲比賽裁判組的裁判員數量從十幾人減少至2-3人，實現智能化判罰后的投擲比賽每個裁判組包括一名裁判長負責對運動員的犯規行為進行警告和處理，一名裁判員負責組織運動員進行試投并管理投擲器械。

3.3 田徑賽事智能化管理系統的功能設計

通過大數據分析技術、信息采集和管理技術等，構建田徑賽事智能化管理系統（如圖五），運用數據倉庫和數據挖掘技術，結合田徑賽事的特點，自動形成田徑賽事秩序冊。通過信息采集技術，實現對比賽環境的實時監控和智能化照明。運用信息管理技術，開發賽事APP，采用Hybrid App技術，實現web與APP間的高效兼容與良好的交互體驗。

圖五 田徑賽事智能化運營系統與功能的設計模型

4 結論與建議

1.科技助力田徑賽事智能化運營和判罰是新的歷史時期世界體育賽事和體育科技發展的現實需求；田徑賽事智能化運營系統的開發也將更好的推動我國體育科學技術的發展和進步。

2.田徑賽事智能化運營系統融合并應用了包括現代無線網絡視頻圖像傳輸和直播、運動視頻圖像采集、快速反饋和多重處理、大數據倉庫、分析、挖掘和云端共享、運動技術全景圖、運動技術參數的自動提取以及信息采集與管理等技術，能夠全面提高田徑賽事運營效率、判罰公正性以及賽事轉播質量。

3.田徑賽事實現智能化運營，也必將對我國田徑運動員競技能力的提升產生積極的促進作用，通過構建田徑賽事智能化管理系統，將比賽數據進行匯總和反饋，從而有效推動我國田徑科研工作的開展。

4.田徑賽事智能化運營系統的開發與應用，可為完善田徑賽事運營提供理論依據和實踐參考。田徑賽事智能化判罰系統的應用，可助推我國電子裁判等智能化判罰技術達到國際領先水平。