انصاف و عدالت از طریق فناوری: ظهور بینایی ماشین در فوتبال

وقتی شوت بحث‌برانگیز جف هارست در فینال جام جهانی ۱۹۶۶ از روی خط دروازه استادیوم ومبلی رد شد و بیرون پرید، دنیای فوتبال برای دهه‌ها در حال بحث و جدل بود: آیا توپ واقعاً از خط عبور کرده بود یا نه؟ آن «گل ومبلی» به نمادی از رنج و محدودیت ادراک انسانی در تئاتر پرهیجان و پرریسک فوتبال حرفه‌ای تبدیل شد. امروزه، به لطف سیستم‌های بینایی ماشین توسعه‌یافته توسط شرکت‌هایی مانند vieww GmbH در آخن آلمان، دورهٔ بحث‌های بی‌پایان بر سر گل یا بی‌گل بودن ممکن است بالاخره به پایان رسیده باشد.در این پست، بررسی می‌کنیم که چگونه فناوری گل‌لاین (GLT) پدید آمد، چگونه سامانه‌های کمک داور ویدئویی (VAR) و خطوط مجازی آفساید (VOL) نقش بینایی ماشین در فوتبال و  در سراسر زمین گسترش داده‌اند، و چه چالش‌های فنی‌ای در ضبط و تحلیل صدها فریم بر ثانیه تحت نور استادیوم و شرایط جوی گوناگون وجود دارد. عمیقاً به دوربین‌های Basler ace 2 که قلب راه‌حل‌های vieww را تشکیل می‌دهند می‌پردازیم، مراحل دقیق کالیبراسیون و نصب در هر ورزشگاه را بررسی می‌کنیم و به آیندهٔ انصاف در زمین بازی که توسط سیستم‌های بینایی ماشین پیشرفته تأمین می‌شود، می‌نگریم.

از خطای انسانی تا دقت پیکسلی: نگاهی کوتاه به تاریخچه بینایی ماشینی در فوتبال

برای بیش از یک قرن، داوران فوتبال به چشم، موقعیت‌یابی و شهود خود برای تشخیص گل‌ها، آفسایدها و خطاها اعتماد کرده‌اند. در اغلب موارد، این روش کارآمد است—فوتبال تا حد زیادی دربارهٔ جریان و درام انسانی است تا اعداد و ارقام سرد. با این حال، گاهی یک چارک ثانیه یا چند میلی‌متر می‌تواند نتیجهٔ یک تورنمنت کامل، حرفهٔ یک بازیکن یا غرور ملی را تغییر دهد.

• فینال جام جهانی ۱۹۶۶
  شوت هارست به تیرک آهنی برخورد کرد و نزدیک خط دروازه فاصله گرفت. داور گاتفرید دنیست و کمک‌داور تفیق باهراموف گل را تأیید کردند، اما هیچ فناوری تصویربرداری دقیقی برای تأیید عبور کامل توپ وجود نداشت. نتیجه ثبت شد، انگلیس ۴–۲ برد و جدل تا امروز ادامه دارد.

• آزمایش‌های اولیه
  در دههٔ ۲۰۰۰ برخی لیگ‌ها و فدراسیون‌ها آزمایش‌هایی با میدان‌های مغناطیسی تعبیه‌شده در توپ و تیرک دروازه انجام دادند که گران و محدود بودند. نیاز به راه‌حل دوربینی افزایش یافت و سرانجام در برخی ورزشگاه‌های حرفه‌ای، سیستم‌های بینایی پرسرعت آزمایش شدند.

تا سال ۲۰۱۳، فیفا رسماً vieww GmbH آلمان را برای فناوری گل‌لاین تأیید کرد و فصل جدیدی در داوری فوتبال آغاز شد.

معرفی فناوری گل‌لاین: چگونه در بینایی ماشینی در فوتبال  کار می‌کند؟

در اصل، GLT بسیار ساده به نظر می‌رسد: تعیین اینکه آیا تمام محیط توپ از خط دروازه عبور کرده است یا خیر. با این حال، ضبط آن لحظه در صحنه‌های پرنور و پرسرعت استادیوم نیازمند مهندسی دقیق است.

1. آرایهٔ دوربین‌ها

   • تعداد و قرارگیری: چهارده دوربین Basler ace 2 در اطراف هر دروازه نصب می‌شوند، معمولاً روی ستون‌ها و پشت تور.

   • نرخ فریم: هر دوربین ۲۰۰ فریم بر ثانیه ضبط می‌کند تا حتی سریع‌ترین شوت‌ها در چندین فریم قبل، حین و بعد از عبور از خط ثبت شوند.

2. انتقال تصویر

   • پردازش درون‌دوربینی: دوربین‌ها تصاویر خام Bayer RG8 را به یک مینی‌پی‌سی همراه هر واحد ارسال می‌کنند.

   • دیموساییسینگ: برای تبدیل داده‌های Bayer به تصاویر رنگی کامل، vieww با Basler یک حالت دیموساییسینگ تک‌خطی (Unilinear) توسعه داد که اثرات رنگی ناخواسته را کاهش می‌دهد و نرخ ۲۰۰ فریم را حفظ می‌کند.

3. الگوریتم ردیابی توپ

   • تحلیل در زمان واقعی: معماری سرور–کلاینت هوشمند، فریم‌های همگام‌شده را پردازش می‌کند و موقعیت توپ را نسبت به خط با دقت میلی‌متری تشخیص می‌دهد.

   • سیگنال تصمیم: اگر توپ کاملاً از خط عبور کرده باشد، سیستم در کمتر از یک ثانیه سیگنال «گل» یا «بدون گل» را بی‌سیم به ساعت داور می‌فرستد.

4. گواهی فیفا و آزمون سالانه

   • نصب هر ورزشگاه تحت کنترل‌های سخت فیفا، شامل آزمون‌های محیطی (باران، برف، مه) و اندازه‌گیری دقت است. تأیید مجدد سالانه، دقت زیر میلی‌متری سیستم را تضمین می‌کند.

با ترکیب تصویربرداری پرسرعت، دیموساییسینگ پیشرفته و ردیابی دقیق توپ، GLT vieww خطای انسانی در تصمیم‌گیری‌های گل‌لاین را حذف کرده و اعتماد بازیکنان، مربیان و تماشاگران را بازمی‌گرداند.

فراتر از خط دروازه: تکامل VAR و VOL

در حالی که GLT یکی از پرجنجال‌ترین لحظات فوتبال را پوشش می‌دهد، این ورزش شامل تصمیم‌های لحظه‌ای بیشماری است—آفساید، پنالتی، کارت قرمز—که پیش‌تر به زاویه دید کمک‌داور یا دید داور اصلی در ازدحام افراد وابسته بود. VAR با کمک بینایی ماشین، نقش دیدبانی را در سراسر زمین گسترش می‌دهد.

VAR چیست؟

VAR به داوران دسترسی به چندین زاویه دوربین و بازپخش آهسته می‌دهد تا وقایع زیر را بازبینی کنند:

1. گل/بدون گل (در بسیاری لیگ‌ها توسط GLT)

2. پنالتی/بدون پنالتی

3. تصمیمات کارت قرمز مستقیم

4. اشتباه هویت (زمانی که داور بازیکن اشتباهی را جریمه می‌کند)

مسئولان VAR در اتاق عملیات ویدئویی متمرکز، با هدست با داور میدان در ارتباط هستند. برای آفساید، سیستم خطوط مجازی (VOL) پوشش‌های دیجیتالی را بر تصویر پخش اعمال می‌کند که دقیقاً با آخرین مدافع و بازیکن حمله‌گر هم‌تراز است.

VAR و VOL توسط vieww

از زمان معرفی، سیستم VAR vieww در رقابت‌های بزرگ کاربرد فراوان یافته است:

• سخت‌افزار: استفادهٔ مجدد از دوربین‌های GLT برای وقایع گل/بدون گل، با دوربین‌های مکمل برای پوشش کل زمین.

• نرم‌افزار: ضبط تصویرهای JPEG با کیفیت بالا (یک فریم در هر میلی‌ثانیه) از جریان ۲۰۰ فریم برای حداقل از دست رفتن جزئیات و تأخیر.

• گواهی VOL: تأیید شده توسط فیفا، با هم‌ترازی زیرپیکسلی و همگام‌سازی زمانی برای اطمینان از نمایش دقیق هندسه آفساید.

از سال ۲۰۲۲، vieww GmbH همراه با شریک عملیاتی خود، تمام ورزشگاه‌های لیگ فوتبال آلمان (DFL) را به مجموعهٔ کامل فناوری‌های GLT، VAR و VOL مجهز کرده است. نتیجه؟ کاهش چشمگیر خطاهای واضح داوری و فرایند تصمیم‌گیری شفاف‌تر و روان‌تر.

مهندسی شات کامل: مزایای Basler ace 2

دوربین‌های Basler ace 2 خط تولید صنعتی برای بینایی ماشین هستند که به دلیل سرعت، انعطاف‌پذیری و کیفیت تصویرشان شناخته می‌شوند. این دوربین‌ها برای کاربردهای فوتبال ایده‌آل‌اند:

• نرخ فریم بالا
  ضبط تا ۲۰۰ فریم بر ثانیه در وضوح HD، تحلیل دقیق اجسام پرسرعت مانند توپ یا بازیکن در حال دویدن را ممکن می‌سازد.

• مجموعه ویژگی‌های بینایی ماشین
  قابلیت‌های درون‌دوربینی مانند خودتنظیمی نوردهی، تصحیح پیکسل معیوب و برش منطقه‌ای، بار پردازش سرورها را کاهش می‌دهد.

• نرم‌افزار Pylon و SDK
  اجرای سریع و سادهٔ پیکربندی دوربین، اجازه می‌دهد مهندسان vieww به سرعت چیدمان‌های مناسب هر ورزشگاه را پیاده‌سازی کنند.

• لنزهای ماژولار
  طیف لنزهای تک‌کانونی کنترل دقیق زاویه دید و عمق میدان را فراهم می‌کنند—ضروری برای پوشش هم صحنه‌های نزدیک به دروازه و هم خطوط آفساید دوردست.

• پوشش‌های مقاوم
  محفظه‌های سفارشی با سیستم‌های گرمایشی، خنک‌کننده و عایق‌بندی، الکترونیک را در برابر دما، رطوبت و گرد و غبار محافظت می‌کنند.

در نصب‌های اولیه GLT، نیاز به تعادل بین نرخ فریم و کیفیت تصویر باعث شد تا از فرمت Bayer RG8 استفاده شود. اما دیموساییسینگ مجدد درون دوربین، آثار رنگی ناخواسته‌ای در بازپخش‌های آهسته ایجاد کرد. برای حل این مشکل، Basler و vieww حالت دیموساییسینگ تک‌خطی (Unilinear) را توسعه دادند—که اکنون در همهٔ مدل‌های ace 2 استاندارد است—تا شفافیت رنگ و نرخ ۲۰۰ فریم را همزمان حفظ کند. نتیجهٔ نهایی، تصاویر شفاف و بدون نویز است که هم نیازهای داوری لحظه‌ای و هم استانداردهای پخش را برآورده می‌کند.

کالیبراسیون انصاف: نصب در ورزشگاه و عملیات از راه دور

نصب GLT و VAR، برخلاف دوربین‌های مصرفی، نیازمند برنامه‌ریزی و کالیبراسیون دقیق است. معماری منحصربه‌فرد هر ورزشگاه، شرایط نوری و خطوط دید، رویکردی سفارشی می‌طلبد:

1. بررسی محل و اندازه‌گیری
   مهندسان مختصات دوربین، زاویه‌ها و نقاط نصب را با در نظر گرفتن موقعیت خورشید، زاویه نورافکن‌ها و مناطق خیرگی نقشه‌برداری می‌کنند.

2. نصب فیزیکی
   دوربین‌ها روی پایه‌های مقاوم—ستون دروازه، تیرک نورافکن یا میله‌های مخصوص—نصب می‌شوند و هر واحد به مینی‌پی‌سی و شبکه برق از طریق PoE متصل است.

3. کالیبراسیون اپتیکی
   با استفاده از شبکهٔ مرجع روی خط دروازه یا زمین، پارامترهای درونی (اعوجاج لنز، فاصله کانونی) و بیرونی (موقعیت، جهت) هر دوربین به یک مدل سه‌بعدی واحد همگام می‌شوند.

4. آزمون‌های محیطی
   شبیه‌سازی باران، مه و نور ضعیف، عملکرد دقیق سیستم را در شرایط جوی مختلف تأیید می‌کند. آزمون‌های چرخه حرارتی اطمینان می‌دهند که سیستم‌های گرمایش و تهویه تغییری در هم‌ترازی دوربین‌ها ایجاد نکند.

5. نظارت و به‌روزرسانی از راه دور
   پس از تأیید فیفا، هر نصب می‌تواند به‌صورت از راه دور مدیریت شود. به‌روزرسانی‌های firmware، تنظیم پارامترها و تشخیص خطاها از مرکز عملیات vieww انجام می‌شود—که نیاز به دخالت در محل را به حداقل می‌رساند و هزینه‌های نگهداری لیگ را کاهش می‌دهد.

به لطف این فرایند دقیق، باشگاه‌ها و فدراسیون‌ها از عملکرد مداوم و قابل اعتماد بهره‌مند می‌شوند بدون اینکه نیازی به کارکنان فنی تمام‌وقت در هر ورزشگاه باشد.

رفع انتظارات پخش: کیفیتی فراتر از دقت

تماشاگران مدرن انتظار بیش از وضوح عملیاتی دارند؛ آنها خواستار بازپخش‌های بصری جذاب با رنگ‌های غنی، کنتراست بالا و حرکت صاف هستند. در اینجا، الزامات دوگانهٔ بینایی ماشین و برتری پخش چالش منحصربه‌فردی ایجاد می‌کند:

• نرخ فریم بالا در برابر استانداردهای تلویزیون
  تلویزیون عموماً با ۵۰ fps (اروپا) یا ۶۰ fps (آمریکا) پخش می‌کند. در حالی که GLT و VAR با ۲۰۰ fps کار می‌کنند، این فریم‌های اضافی باید برای پخش به‌درستی نمونه‌برداری یا انتخاب شوند تا بازپخش آهسته بی‌وقفه و بدون اشباع انتقال صورت گیرد.

• شفافیت رنگ
  نورپردازی ورزشگاه‌ها—LED، متال هالید، نور طبیعی—دمای رنگ‌های مختلفی ایجاد می‌کند. دیموساییسینگ پیشرفتهٔ ace 2 و پردازش تصویر vieww تعادل سفیدی، منحنی گاما و اشباع رنگ را به‌صورت پویا تنظیم می‌کنند تا بازپخش یکنواخت رنگ برای تماشاگران جهانی فراهم شود.

• فشرده‌سازی و جزئیات
  vieww سیگنال‌های SDI دوربین‌ها را به تصاویر JPEG با کیفیت بالا تبدیل می‌کند تا از آثار فشرده‌سازی میان‌فریمی جلوگیری شود. این رویکرد عکاسی‌شده، جزئیات ریز مانند دکتره‌های کفش نزدیک خط آفساید یا الگوهای چرخش توپ در منطقهٔ پنالتی را حفظ می‌کند.

• تأخیر
  تماشاگران و داوران بی‌صبرند برای تصمیم‌های کند. با بهره‌گیری از معماری سرور–کلاینت هوشمند و همگام‌سازی میکروثانیه‌ای در دوربین‌ها، vieww تضمین می‌کند که سیگنال GLT در کمتر از یک ثانیه به ساعت داور برسد—زمانی که برای تماشاگران نامحسوس است اما برای جریان بازی حیاتی.

متعادل‌سازی این عوامل نیازمند همکاری نزدیک بین مهندسان بینایی ماشین، تکنسین‌های پخش و مقررات‌گذاران لیگ است. همکاری بلندمدت vieww با Basler و شریک عملیاتی آن در DFL نشان می‌دهد که چگونه هم‌افزایی می‌تواند جلوه و انصاف فوتبال را بهبود بخشد.

چالش‌های میدانی برای بینایی ماشینی در فوتبال

با وجود دوربین‌ها و الگوریتم‌های پیشرفته، فوتبال همچنان ورزشی ارگانیک و غیرقابل‌پیش‌بینی است. چند چالش باقی می‌ماند:

• پنهان‌شدن توپ و ازدحام بازیکنان
  در درهم‌آمیختگی‌های داخل محوطهٔ پنالتی، بازیکنان ممکن است دید دوربین‌ها را مسدود کنند. سیستم vieww این مشکل را با استفاده از داده‌های هم‌گام‌شدهٔ چند دوربین حل می‌کند و حتی در هنگام ناپدید شدن توپ، مسیر آن را بازسازی می‌کند.

• شرایط متغیر توپ
  توپ‌های مدرن دارای سطح بافت‌دار، پنل‌های بازتابی و چیپ‌های تعبیه‌شده (در برخی لیگ‌ها) هستند. سیستم‌های بینایی ماشین باید خود را با تغییرات بازتاب و هندسه وفق دهند تا دقت ردیابی حفظ شود.

• نورپردازی پویا
  مسابقات شبانه تحت نور LED استادیوم، بازی‌های روز در فضای باز و گذار سایه‌ها می‌توانند الگوریتم نوردهی خودکار را گیج کنند. کنترل نوردهی در زمان واقعی و تنظیمات مبتنی بر منطقهٔ مورد علاقه کمک می‌کند تا روشنایی و کنتراست تصویر ثابت بماند.

• سیستم‌های پشتیبان
  اگر دوربین یا لینک شبکه در طول مسابقه از کار بیفتد چه؟ پیکربندی‌های دوربین افزونه و قطعات قابل تعویض داغ vieww تضمین می‌کنند که هیچ نقطهٔ شکست واحدی موجب اختلال در پشتیبانی تصمیم نمی‌شود. فیدهای پشتیبان و سرورهای مقاوم، پیوستگی را بدون وقفه حفظ می‌کنند.

با این حال، فراتر از موانع فنی، تعامل ظریف بین پیشنهادات ماشین و قضاوت انسانی وجود دارد. داور ممکن است پیشنهاد VAR را در مواردی که فناوری نتواند قصد را به‌وضوح تشخیص دهد، لغو کند. سیستم ایده‌آل داده‌های عینی را با شهود انسانی ترکیب می‌کند—تقویت می‌کند، جایگزین نمی‌کند.

آیندهٔ قضاوت با بینایی ماشینی در فوتبال : هوش مصنوعی، تحلیل‌ها و فراتر

با پیشرفت رزولوشن دوربین‌ها، قدرت پردازش و تکنیک‌های هوش مصنوعی، کاربردهای بینایی ماشین در فوتبال تنها افزایش خواهد یافت:

1. تشخیص خودکار خطا
   مدل‌های AI آموزش‌دیده بر اساس هزاران صحنهٔ برچسب‌خورده می‌توانند خطاهای محتمل—تکل‌ها، ضربات بلند، کشیدن پیراهن—را در زمان واقعی پرچم‌گذاری کنند و به داوران هشدار دهند.

2. ردیابی بازیکن و نقشه‌های حرارت
   فراتر از داوری، لیگ‌ها در حال استفاده از شاخص‌های عملکرد بازیکن از ردیابی چنددوربینی‌اند: مسافت طی‌شده، الگوهای دوی سرعت، چیدمان‌های تاکتیکی و حتی تخمین‌های بیومتریک.

3. پخش واقعیت افزوده (AR)
   تصور کنید مسابقهٔ زنده‌ای را تماشا می‌کنید که در آن نشانه‌هایی برای مسیرهای پاس، خطوط آفساید که به پرسپکتیو دوربین تنظیم شده‌اند یا نقشه‌های حرارتی احتمال گل‌زنی روی صفحه ظاهر می‌شود—داده‌های بینایی ماشین با تجربهٔ تماشاگر تلفیق می‌شود.

4. ادغام با پوشیدنی‌ها
   ترکیب دوربین‌های میدانی با حسگرهای نصب‌شده روی بازیکن و دستگاه‌های هوشمند داوری می‌تواند تصمیم‌گیری را بهبود بخشد، با همبستگی بین نشانه‌های بصری و شتاب، ضربان قلب و نیروی برخورد.

5. تطبیق در ورزش‌های دیگر
   درس‌های فوتبال به راگبی، تنیس، هاکی و سایر ورزش‌هایی که فراخوان‌های دقیق خط، موقعیت بازیکن و ردیابی توپ در آنها حیاتی است نیز قابل انتقال است. رویکرد مدولار vieww می‌تواند کاربردهای فراتر از زمین فوتبال پیدا کند.

در هر سناریو، اصل هدایت‌کننده یکسان باقی می‌ماند: استفاده از فناوری برای افزایش انصاف، شفافیت و لذت—همچنان که درام انسانی ورزش در کانون توجه قرار دارد.

نتیجه‌گیری: بینایی ماشینی در فوتبال

وقتی vieww GmbH برای نخستین بار در سال ۲۰۱۳ فناوری گل‌لاین را معرفی کرد، برخی خالص‌گرایان نگران بودند که این فناوری شور و ذات انسانی فوتبال را بزداید. در عوض، بینایی ماشین به یار خاموش اما حیاتی تبدیل شد—بی‌سر و صدا در پس‌زمینه عمل می‌کند تا تنها بحث‌های باقی‌مانده بر تاکتیک‌ها، شکوه و زیبایی بازی متمرکز باشد.

از کالیبراسیون دقیق دوربین‌های Basler ace 2 در آخن تا اتاق‌های بازبینی VAR در سراسر آلمان، راه‌حل‌های vieww مثال زنده‌ای هستند از اینکه چگونه نبوغ مهندسی می‌تواند جنجال‌های صدساله را حل کند. با نگاهی به آینده—با بینش‌های مبتنی بر هوش مصنوعی، پخش تقویت‌شده با AR و نوآوری‌های میان‌رشته‌ای—یک چیز روشن است: در فوتبال، سوت پایانی هرگز نباید تحت‌الشعاع «گل یا بی‌گل» باشد.

ذات فوتبال در غیرقابل‌پیش‌بینی بودنش نهفته است: سرزنی در آخرین لحظه، دریبل جسورانه، کارت قرمز ناعادلانه. فناوری بینایی ماشین درام را از بین نمی‌برد؛ بلکه اطمینان می‌دهد که وقتی درام رخ می‌دهد، تصمیمات گرفته‌شده به اندازهٔ استعدادهای روی زمین بی‌نقص هستند. بالاخره، در ورزشی که بر لحظه‌های آنی و حاشیه‌های میلی‌متری تعریف می‌شود، چه بهتر که ابزارهای داوری ما با نرخ ۲۰۰ فریم بر ثانیه و دقت زیر میلی‌متری کار کنند؟

همان‌طور که Matthias Engelhardt، مدیرعامل vieww، به درستی بیان می‌کند:

«ما مشتری دیرینهٔ Basler هستیم و همکاری راه‌حل‌محور آنها را می‌ستاییم! ما پیشنهادهای بسیار شخصی‌شده‌ای از آنها دریافت می‌کنیم که نیازهای ویژهٔ محصولات ما را برآورده می‌سازد. همچنان به همکاری خوب با Basler برای خدمت هرچه بیشتر و گسترده‌تر به بازار اعتماد داریم!»