百年奥运科技回望：125 年里，我们不曾放弃寻求公平

北京时间7月28号，中日之间再次展开了金牌争夺战。肖若腾在个人全能比赛中的表现接近完美，从头到尾干脆利落，最后时刻也是稳稳落地，日本选手桥本大辉跳马动作失误，一只脚出界，裁判给了14.700分，最终桥本大辉获得金牌。有网友心有不甘，心痛“站不稳的日本人抢了接近完美的肖若腾的金牌”，打气“肖若腾，你就是冠军”。如今的我们，可以通过全方位的照片对比、视频对比，第一时间得知比赛情况，为选手打抱不平。但在历史长河中，曾经我们甚至不能在第一时间知道比赛结果，更谈不上实时对比。尽管科技不能保证绝对的公平、公正，但它的确让我们一步步接近这个奥林匹克精神之一。回首过去，1900年巴黎奥运会百米冲刺赛场上，来自美国的选手贾维斯，以领先第二名一只脚获得冠军。之所以出现这种奇怪地裁判方式，是因为当时裁判手段还不足以测出运动员之间的时间差，以至于裁判不得不把脸贴在终点线上，肉眼观测谁的脚先过线。之后计分、计时系统技术不断提高，时至今日，奥运会的记录都精确到了小数点后的好几位。一部奥运历史，也是一部技术迭代史，突破人体极限的背后，也是技术的颠覆性创新。而在125年的历史中，无论是计时、计分还是赛事转播，随着时间的推进，摄影技术、摄像技术、计算机视觉都在不同节点起到了至关重要的作用。本文，将以计时、计分系统和奥运会赛事转播方式的变化为镜头，穿越时空隧道，进行一次跨时代交流。一步步从「人工」进化到「智能」1896年雅典奥运会，一把火炬，一双眼睛，一场平地构成了现代奥运会的开端。尽管条件简陋，但希腊人对这次大会表现出了极大的热情，出席开幕式的观众达8万人，这一数字直到1932年洛杉机奥运会才被突破。奥运会上，美国运动员托马斯?伯克以0.2秒的微弱优势获得了100米决赛的冠军。这个令人印象深刻的数据是如何得知的？因为当时的秒表技术，一秒钟被分为5份进行记录，只能计时到0.2秒。同时，对这届奥运会寄予厚望的雅典人民，因在田径赛中连一块金牌都没拿到，在最后一个马拉松项目中，雅典市民几乎倾城而出为运动员加油，当希腊运动员路易斯第一个跑到终点时，整个雅典都沸腾了。但由于信息传播技术的限制，这一激动人心的时刻只保留在当时的雅典，直到半个月后，位于大洋彼岸的其他国家才从报纸上得到相关消息。1896年希腊雅典奥运会马拉松比赛1900年法国巴黎举办第二届奥运会（当时并未称为奥运会，赛后由国际奥委会追认）。美国弗朗西斯?贾维斯在100米预赛中创下10秒8的奥运会纪录，这一成绩直到1924年奥运会再次在巴黎举行时，才被英国哈?亚伯拉罕突破，据悉，哈?亚伯拉罕在比赛结束后大约一个月，才收到邮局寄来的奖牌。当时摄像技术已经出现，1900年的奥运会上，生物力学鼻祖艾蒂安?朱尔斯?马雷(EtienneJulesMarey)首次使用计时摄影拍摄参赛者。计时摄影是一种通过多帧捕捉运动的摄影技术，随后可以像动画一样重现动作，从而能够分析运动员的运动。但当时只能捕捉的奥运健儿的身影，只有不到1秒的几帧画面。这里不得不提一个故事。18世纪时期的画家笔下的奔马大多姿态呆板、千篇一律，于是1872年，美国前加州的州长利兰德?斯坦福与别人打赌，赌注是马的四个蹄子在奔跑时是否同时离开地面。（对，就是后来创办了斯坦福大学的利兰德?斯坦福）他们找来摄影师埃德沃德?迈布里奇，于是迈布里奇沿着赛马道旁布置了一系列照相机，每台摄影机的快门都是细线连接到路对面的木桩上，在马奔跑时依次触发快门，相机就能连续拍下马的步态。最终摄影师确定，马在奔跑时马蹄不会同时悬空。这就是电影的诞生，也是第一个详细记载运动过程的文件。值得注意的是，女性首次作为参赛者参加是在1900年的奥运会上，突破了古代奥运会和现代第一届奥运会不许女子参加的禁令。而由于同年巴黎也举办了世界博览会，风头完全盖住了奥运会，使得本届奥运会黯然失色。1908年伦敦奥运会时，电影院已经成熟，当时有电影院派人去奥运会现场拍摄，然后做成录像，人们可以走进电影院，以录像的形式回顾赛事，虽然会有几个月的时间差，但大家终于可欣赏运动员的动态英姿。而且，1908年伦敦奥运会首次实现了实况广播，不过仅限于200米、400米、800米田径比赛。1908年第4届伦敦奥运会，男子400米游泳冠军亨利?泰勒（HenryTaylor）穿着一件连体泳衣。上文提到的两个美国人的打赌还促成了一件大事。迈布里奇在拍摄奔马时所用的细线就被称为“迈布里奇线”，这条线给了田径比赛启发，被运用在1912年的斯德哥尔摩奥运会上，即冲线带的发明。在此之前，赛跑结果需要依靠终点裁判员的肉眼，在运动员到达终点的时候按下秒表。这使得比赛结果难以精确，而迈布里奇线可以让线的一端连接计时钟，第一个运动员冲过终点时，撞断的冲线带就可以快速地停下计时钟。除了冲线带，本届奥运会首次使用了电子自动计时系统和赛事广播系统，对赛场裁判机制有了突破性的提升。1924年巴黎奥运会，浪漫的法国人做了第一个敢吃螃蟹的人。当时的欧洲经历了一战的创伤，需要奥运会这一全民参与的活动重整士气。但当时报纸仍是赛事传播的主力，被拒之场外的巴黎广播电台记者想出一个妙招：将转播装置捆在一个热气球上，一名记者则坐在气球吊篮里，在体育场上空进行现场解说。可惜天风不作美，仅仅几分钟大风就把气球吹离了赛场，这次的实况转播最终宣告失败，但技术革新的曙光已经显现：首次让人们用报纸以外的方式了解奥运。到了1928年阿姆斯特丹奥运会，高速摄像机开始应用，协助裁判员以慢速重播的图像进行赛事裁决。在此之前的1925年，一个叫贝德尔的英国青年想要捣鼓点什么，他利用旧无线电器材、糖果盒子、自行车灯透镜、旧电线等废旧材料，制作出世界上最原始的传输图像的机械式电视机。约翰洛吉?贝尔德与其发明的第一台机械式电视机虽然整个过程只能实现信号的实时传播，但他的发明最终被写进了历史书，这位名叫约翰洛吉?贝尔德青年也被称为“电视之父”。不过这一发明存在两个缺点，一是画面内容传播的距离限制，二是传输质量很差，影像模糊，但作为当时顶尖的科技，在不断改进后，应用在1936年奥运会上。1936年柏林奥运会，首次实现电视转播，观众能够在电视上围观奥运会，目睹奥运竞技影影绰绰的模糊图像。当时德国电视台用三部摄像机记录了那届奥运会，每个摄像机重200公斤，光是更换镜头就需要4名工作人员。直播时，只有一个摄像机能用，还必须在光线足够强烈的情况下，另两个摄像机转播时有65秒钟的延迟。因技术不完善，电视信号只能被传播到以柏林市中心为半径的十五公里内，不过也有超过16万观众收看了电视转播。到了1948年伦敦奥运会，有超过100台电视可以观看奥运会，虽然这对当时伦敦800多万常住人口显得微不足道，但奥运会的影响随着转播技术的突破不断扩大。前文提到的冲线带其实也有不足，除了计时不够准确，如果运动员没有冲断线的话，表不会停止计时，这一问题在1948年得到解决。1948年伦敦奥运会引入第一台终点摄像机“魔眼”，由欧米茄(Omega)研发，这一技术在该届奥运会田径项目男子100米决赛上一战成名。1948年Omega在伦敦推出“魔眼”照相机当时两名美国运动员哈里森?迪拉德和巴尼?尤厄尔均以10.3秒的成绩完成比赛，通过查看终点摄影机，最终判定哈里森获胜，魔眼的出现也让冲带线、人眼与秒表结合的裁判方式逐渐退出历史舞台。其实，在1932年洛杉矶奥运会上，Omega就帮助奥运会把计时精度从1/5秒提高到1/10秒。1952年赫尔辛基奥运会引入了革命性的终点实时摄影机系统，径赛的裁判可以第一时间判断运动员冲过终线的顺序，无需再等上几十分钟的成像。1956年的墨尔本奥运会上，迫于财政压力，国际奥委会终于开始把电视转播权作为版权来出售。此前为了保证奥运会被更多观众看到，奥运会都免费向广播公司和电视台授权，不收取任何转播费用。有报道称，1948年BBC在转播伦敦奥运会体育赛事后主动提出象征性地支付50英镑费用，但被国际奥委会拒绝了。然后当时财力雄厚的美国三大广播公司并不买账，集体抗议版权售卖，但当举办方透露转播权只会出售给其中一家的消息时，三大公司前一秒还统一战线，下一秒就争得头破血流。1956年虽然实现了转播，但依然是通过现场录制好，再将录像带运回国内播放的传统方式。仅过了8年，1964年东京奥运会采用通信卫星与海底电缆进行转播，成功进行了奥运会全球直播，这也让熬夜看比赛成为跨越时代的记忆。同时，本届奥运会首次使用了电子计算机和电动计时装置协助裁判工作，于是才有了1988年汉城奥运会100米蝶泳决赛时，苏里南选手安东尼?康拉德?内斯蒂以0.01秒的优势夺金。1972年慕尼黑奥运会，首次展现了计算机系统的强大性能，安置在计算机中心的五台电脑可以同步处理多项比赛的数据，仅需几秒钟即可统计出各项比赛的结果。1992巴塞罗那奥运会也突破性地制作数字电视信号，是史上首次使用高清数字电视转播的奥运会。到了商业化最成功的1996年，亚特兰大奥运会第一次使用互联网的方式直播了开幕式，扩大了奥运文化在世界范围内的影响。2004年雅典奥运会，性能更优秀的终点摄影机每秒可以抓拍1000张照片，以及当时已经出现的3G上网技术，同时为中国人民记录下了刘翔夺冠的宝贵瞬间。等进入了互联网时代，2008年北京奥运会，基于光纤通信技术和数字技术，中国首次向全世界提供了高清的转播信号，真正实现了全民参与。那场震撼的开幕式，让中国实现了向全球传送无压缩版的直播画面突破，延迟只有几十毫秒，甚至能够做到实时互动。北京奥运会还在网球比中引入了电子线评判手段——鹰眼。“鹰眼”是“即时回放系统”，由8~10个高速摄像头、电脑和大屏幕组成，最早在2006年的大满贯赛事美网开始使用，运动员每盘有两次机会申请“鹰眼”仲裁。鹰眼使用球场上的摄像机网络来跟踪球的轨迹，并使用建模技术来预测球在球场上的落点，使评判能够高度准确地检测到球是在球场内还是球场外。以网球比赛为例，在比赛开始前，由计算机将赛场内的立体空间划分成毫米级的测量单元，安放在不同位置和角度的高速摄像机全息捕捉网球运动的基本数据，计算机利用这些数据生成三维图像，最后利用电脑成像技术，重建与合成网球飞行轨迹的三维图像并显示在大屏幕上。整个过程用时不到10秒，其精确性却是人眼无法比拟的。2012年伦敦奥运会，伦敦引入了量子计时器，赛道起跑器首次实现完全电子化，能够测量到百万分之一秒的精度，同时社交网络兴起，3D转播技术第一次在奥运赛场得到实践。2016年里约奥运会，终点摄影机每秒可抓拍张数已经高达10000，8K清晰度的转播与VR技术的使用让电视转播让世界各地的观众在家也能身临其境地体验赛场上紧张激烈的气氛。此外，射箭比赛首次使用电子靶统计环数，内置的先进的传感器系统可以精确定位箭头的位置0.2毫米，并立即显示比分。同时，里约奥运会还首次使用GoalRef技术用于足球检测，足球内置芯片，球门柱和横梁上的传感器检测足球何时完全越线。首个没有现场观众的云上奥运时间来到2021年东京奥运会，东京奥运会首次采用云上转播。“科技感”，是东京奥运会从最初就立下的理念。尽管延期和空场让日本经济损失惨重，疫情控制问题在弦，诸多不尽人意中，今年的奥运会，依然科技感十足。老朋友Omega贡献AI视觉技术奥运会老搭档Omega在此次奥运会的游泳、体操和沙滩排球等项目中使用计算机视觉和运动传感器。以排球比赛为例，Omega通过基于计算机视觉技术的摄像头，追踪运动员和球。通过运动员衣服上的陀螺仪传感器，每秒收集和分析约2000组数据，包括跳跃的高度、速度、扣球方式的变化、球的飞行路径等，当数据处理完毕，这些信息会在不到十分之一秒的时间内被传输给广播公司，并显示在大屏幕上。球员多、球速快，运动员跑位与策略技术不同，模型训练和应用都极其复杂，Omega花了4年时间，训练AI识别无数种击球类型。最具挑战性的一项是AI在摄像机在球被遮挡的情况下无缝、准确地跟踪球的轨迹。即在球被遮挡时，追踪并预测球的去向，球再次出现出，重新计算被遮挡期间的数据，这种对球的追踪在AI判断比赛过程中至关重要。Omega结合图像和运动员身上的传感器，基于计算机视觉的AI，使得即使球飞出摄像头画面，可根据数据自动补全缺失部分。Omega声称，由于传感器和多个摄像头以每秒250帧的速度运行，其沙滩排球系统的准确率达到99%。机器人服务队日本是世界上机器人技术最先进的国家之一，是名副其实的机器人大国，今年东京奥运会，日本也的确在秀了一把肌肉。东京奥组委在2019年发布《2020年东京奥运会机器人计划》，与松下、丰田等公司生产不同用途的机器人，如人类支持机器人、递送支持机器人和助力外骨骼设备。东京的奥运村的大部分工作被机器人包揽，有巡逻检查、紧急支援等维安作业的警卫机器人；有承担扛行李、送快递、捡垃圾等粗重活的服务机器人；有在机场定点站岗的机场观光机器人；有结合手机、拍照、导览多功能的随身机器人。其中外骨骼设备，可以大大减轻体力工人的腰部负担，最多可减轻腰肌40%的负荷。各大机场和酒店也配备了警卫、翻译、清扫、迎宾、配送等功能的机器人。AI裁判、智能评分系统竞技体育是计算机视觉又一重要落地场景。本届奥运会采用的是富士通的AI评分辅助系统，AI评分系统将用于单人体操项目，该系统首次在2019年世界体操比赛。据日本NHK报道，AI评分系统通过向选手身体及其周边200万处投射红外线，追踪选手动作，并实时完成三维立体图像，并对运动员的旋转、扭动等动作做出分析和打分。AI裁判作为计算机视觉落地的场景，时空动作检测是其中非常重要的技术。除了对运动员表现打分，在球类领域，时空动作检测技术还可结合Re-ID技术，对每位球员进行技术统计。例如在篮球中如果一个人接到队友传球之后没有任何其他动作直接投篮成功，则记为传球队友的一次助攻，如果一个人在投篮时有人来干扰投篮，那么这个投篮的难度指数会随着干扰投篮人数的增多而增大，这位球员成功后投篮技术评估则会更高，这些为制定训练计划、比赛策略和俱乐部之间球员交易提供信息，同时也可用于比赛解说、特效制作等。3D运动员追踪据悉，英特尔给今年的奥运带来了3D运动员追踪技术。在短跑领域，该系统通过4个可移动的摄像头拍摄运动员冲刺，内置算法对每个运动员进行分析，再通过3D视觉实时叠加动态图层。呈现出的成果，是我们在直播中看到每个跑道上运动员身后的彩条，不断变化颜色呈现运动员的情况变化。AR、VR、3D全息投影、人脸识别、5G日本通信运营商NTT表示，竞技场上安装了多个摄像头追踪运动员的动作，再将图像传输到不同的位置实时显示3D全息图的设备。英特尔基于赛道、拳击场、沙滩排球等奥运场馆建立了VR模型，摄影舱内安装了至少12个摄像头，戴上VR头盔后可以获得前排位置的视角。如此，AR、VR、3D全息投影等技术将一齐带来全新观赛体验。东京奥运会还采用了人工智能面部识别系统，是人脸识别技术首次在奥运会上应用。高速、低延时的5G技术应用在帆船、游泳和高尔夫球等项目。例如，在帆船赛事中，利用无人机拍摄的比赛视频通过5G网络传输到现场的大屏幕上直播，在游泳赛事中，观众配备支持5G网络的智能眼镜，观众可看到运动员和比赛等数据。此外，还有无人驾驶出租车、8K高清分辨率直播，AI系统缓解人流拥堵。云上奥运与往届奥运会不同，本届奥运会首次采用了云计算直播，完成全球云上转播，这背后是阿里云支撑。以往，现场报道奥运会需要建设庞大的媒体中心，筹备演播室，并临时部署专门的远程转播基础设施，包括大规模外部转播装置、编辑套件和网络连接。这一过程耗时颇长、斥资不菲，在奥运会使用结束后，还需分别拆卸并运回各国。本届奥运会采用的OBSCloud平台，以云计算和人工智能为基础，转播中心占地面积缩小25%、现场转播工作人数量减少27%，报道及转播模式被极大简化，通过“云”端向所有持权转播商分发赛事影像，导播、制作、剪辑、字幕等工作同样可以在“云”上完成。云直播将带来更低延迟上传、更快编辑和流式传输方面的效率，同时，为期17天的奥运会，OBSCloud将播放超过9500小时的体育赛事，首次以超高清、高动态范围制作奥运内容，能够提供比“标准高清格式”丰富四倍的细节。总结早期的奥运会中，赛跑的跑道是用煤渣铺成的，运动员在准备起跑之前先要在起跑线后面挖一个坑，叫做“起跑穴”。跳高比赛则需要在横杆上搭一块白毛巾，目的是为了让运动员能看清横杆的高度。现在，煤渣路变成了塑胶跑道，轻巧而富有弹性的玻璃纤维、碳纤维取代了坚硬沉重、没有弹性的木杆。奥运科技是什么？有人说是，柔韧度更高的撑杆、能在水中呼吸的泳衣、抵抗风阻的身体贴片、各种千奇百怪的高科技鞋。有人说是药物检测技术（反兴奋剂），生物标志物测试、同种型测试、RNA检测等打击作弊。有人说是从纸笔到电子屏，从人眼到鹰眼，从土地到橡胶跑道。奥运会背后的科技迭代，包括但不限于以上部分，涉及太多科技高光。来自世界各地的顶尖科技，在这一盛会上上演。最初，顾拜旦的目的是通过倡导体育精神来教育法国人民，但如今，奥运会的意义已经远超当初的预期。从模糊不清到高清画质，从黑白相片到彩色视频，从报纸观赛到网络直播，从肉眼判定到复杂的AI系统，从控制室到重播屏幕再到移动转播车到云上直播。世人每拿起一次奥运会的万花筒，看到的是数字与人类社会的融合，看到的是数字代码的排列组合和一次次科技高光。而我们，也希望未来的奥运会，除了更快、更高、更强的人体极限突破，还能够抵达真正的公正、公平。