除了精彩比赛 世界杯计时系统的进步也值得人们期待

　　来源：科学大院

　　原标题：留给xx队的时间不多了……

　　2018年俄罗斯世界杯简直冷门迭爆，各大强队纷纷回家，比赛中最常听到的解说词可能就是那句无限惋惜的：“留给xx队的时间不多了……”

　　事实上，除了精彩的比赛，计时系统的进步也值得人们期待。现代竞技体育的公平性很大程度上有赖于先进的计时设备。

　　一个时代的计时仪器代表这个时代的最高科技水平。竞技体育计时器的发展历史更像一部人类科技的进步史。

　　下面，大院er就带大家领略下世界级的体育比赛计时神器咯！

　　2018俄罗斯世界杯官方计时器

　　――HUBLOT宇舶表

　　宇舶BIG BANG系列手表是应国际足联专门委托特别为“世界第一运动”足球而定制的，并连续三次以官方合作伙伴身份助力世界杯。俄罗斯世界杯裁判腕表限量2018枚，腕表预设32支世界杯决赛圈球队专属表盘，并配备多种提醒功能，包括赛前15分钟提醒、红黄牌判罚、球员替换以及进球。产生进球时，腕表会立即产生震动并显示“GOAL”字样。比赛期间，表盘还可以显示诸多赛事数据，包括比分、红黄牌数量、进球球员姓名、球员替换情况以及比赛已进行时间等。

　　在本次世界杯的所有比赛中，裁判员使用的腕表除上述功能外，还将关联门线技术，该技术依托电子视频辅助系统追踪足球的全部轨迹，帮助裁判员判定足球是否完全穿过球门线。在绿茵赛场上，特别设置了掌控比赛时间的Big Bang腕表型计时牌，赛事时间、换人以及加赛时间等重要时刻都将展示在该计时牌上，成为足球场上的一大亮点！


图1 绿茵场上的Big Bang腕表型计时牌

　　游泳比赛中的“量子计时器”

　　游泳比赛中有很多平局，如果计时足够精确，那么运动员触壁时间绝对不可能完全一样。2008年北京奥运会，场馆计时的技术人员多达700名，各种器材重达400吨，此次奥运会男子100米蝶泳决赛是经过后备电脑和水上、水下录像全方位反复分析后才得出了结果。

　　如果使用了量子计时器，再出现同样的情况，裁判就不用这么头疼了。

　　量子是构成物质的基本单元，能量最基本携带者，通过捕获单个原子、电子、或其他微观粒子制造的高精度计时器就是量子计时器。几乎找不出一个体育项目，是它无法计时的。

　　2012年伦敦奥运会、2016年里约奥运会的游泳项目使用量子水上运动计时器。游泳比赛依旧以百分秒来确定选手成绩，背后却依靠强大精准的计时器作为凭证，让选手心服口服。奥运会中的量子计时器是包括装置于此计时器主体之内、支持其精准运作的一整套系统，它拥有16个独立计时器、128个输入端及32个输出端，功能极为强大，通过在起跳台、电笛讯响发令器和触摸板设施来实现精准计时。

　　量子计时器及量子水上运动计时器精度达到了千万分之一秒，使比赛时间精确到微秒，不夸张地说，比眨一下眼还要快，眨眼大约需要350，000微秒时间。


图2 伦敦奥运会游泳项目使用的量子计时装置

　　NBA的PTS计时系统

　　各大球迷们还记得2017年CBA季后赛辽宁与新疆的精彩大战吗？最后时刻技术台一次低级失误，令一场经典对决黯然失色。

　　CBA 联赛半决赛第四场比赛，在距离比赛结束还有 6.5 秒时，双方打成 107 平，辽宁队拥有球权。辽宁队球员赵继伟在接球后，计时器并没有随即启动，直至他第一次出手时才开始走表。在双方争抢篮板的过程中，球弹向高位刚好落回到赵继伟的头上，他接球之后不等落地再次投篮命中两分。此时计时器显示距离比赛结束还有 0.3 秒。109-107！赛后经过慢帧技术处理，赵继伟出手时间为 7.07 秒，超过 6.5 秒，从规则上讲进球无效，应该进行加时赛。


图3 从动图中可以看出赵继伟接球后，计时牌并没有动

　　中国篮协对CBA半决赛新疆和辽宁第四战的争议做出公开处罚，包括计时员、当值裁判和技术代表等都受到了不同程度的处罚。

　　如何最大程度避免失误呢？中国篮协引进NBA使用的PTS篮球无线计时系统（裁判别在腰间的小黑盒）。NBA的篮球场的裁判哨子，腰间小黑盒以及技术台都是可以控制计时器的。技术台由24秒计时器、24秒显示器、犯规显示器、球权控制器加上4台技术电脑，若干个专用接口，与现场的LED屏组合而成，裁判响哨之后是由技术员对信息进行反馈。

　　NBA在裁判员腰间，安装辅助开表器，也叫“时间同步器”。裁判员观察到开球即刻启动开表器，与此同时，记录台的计时人员也启动开表器。这两个开表器，开启一个就走表。这样做即“双保险”，最大程度的避免失误。这种开表器也已经被国际篮联（FIBA）采用，但只是在世界杯、奥运会等大型赛事中使用。


图4 NBA裁判使用的辅助开表器

　　田径场上的中的电子计时及其方式

　　冲线带的故事：“迈布里奇线”？

　　马在奔跑的时候是否有一瞬间四蹄同时离地呢？单凭人眼是难以分辨的。电影之父埃德沃德?迈布里奇通过计算，设计一套由多架相机组成的天才感应装置，马奔跑过程中依次踢断连接在不同相机上的绳子同时触发相机快门，就可以拍摄到一组马匹运动姿态。为纪念这一伟大的时刻，迈布里奇在拍摄奔马时所用的细线就被称为“迈布里奇线”。




图5 迈布里奇线示意图

　　这条线给了田径比赛启发，1948年伦敦奥运会上引入了一台被称为“魔眼”的终点摄影机，裁判根据终点处“魔眼”捕捉到的运动员影像来判定最终成绩，这一技术在该届奥运会田径项目男子100米决赛上一举成名。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。一夜之间，赛事排名变得不再有争议。在此之前，裁判员靠肉眼判断运动员通过终点的时刻按下秒表无疑会引入很大误差。


图7 1948年伦敦奥运会上使用的终点摄影机

　　如今奥运会田径比赛起跑、冲线、显示成绩、电视直播等一整套流程都需要更加精准的计时系统。国内外田径比赛计时方法主要有终点电子计时摄像和射频识别计时技术。

　　终点电子计时摄像――短跑计时神器

　　发令枪响，连接在发令台上的传感器同时启动高精度计时器，运动员接近终点线时， CCD高速数字摄像机以1ms/帧的速度连续拍摄运动员冲刺图像，经图像处理后存入计算机并叠加上时标，裁判通过移动鼠标来判读每个运动员的成绩，计算机自动排名并生成分组成绩表，输送至比赛大屏幕显示器。


图8 终点电子计时摄像图片（图片来自菲普莱体育）

　　终点电子计时摄像是田径场内的径赛计时最为广泛采用的方法，但是需要人工辅助识别每个运动员。

　　射频识别计时技术――类似条形扫码的计时技术

　　射频识别计时RFID（Radio Frequency Identification）技术适用于长距离比赛的计时和记圈的系统，特别是成千上万名运动员参赛时，射频识别计时技术的优势十分明显。运动员携带不影响竞技状态的无源无线RFID感应器通过设置在起跑线上的射频识别天线阵列时，感应器向阅读器发出对应于每一个运动员的信息特征码，该运动员的信息特征码被数据处理系统处理并记录，实现自动计时和自动记圈的功能。


图9 射频识别RFID系统可以精确和快速地记录每个参赛运动员的身份、成绩和名次。

　　在比赛中，怎样判断抢跑/跳？

　　2012年伦敦奥运会，孙杨夺得1500米自由泳冠军并破世界纪录。由于发令枪的失误导致孙杨的“抢跳”也惊出广大观众一身冷汗。那么，在田径和游泳比赛中，怎样判断抢跑/跳呢？


图10 孙杨夺冠之后击水庆祝

　　田径场的起跑器和游泳馆的起跳台上都装有电子压力板，发令枪响之后，选手在十分之一秒之内出发，就算抢跑（抢跳）。科学研究表明，人听到发令枪响后的反应时间不可能少于十分之一秒，如果少于，那就是提前启动了。游泳接力赛中，抵达队员先要触碰“触摸板”，后一棒队员才能起跳，起跳的“电子压力板”显示的起跳时间必须在触碰时间之后，不然，整个接力队成绩就会被取消。

　　时间还可以测多准？

　　看到这里，想必小伙伴们对体育运动计时器及其重要性有了一定的了解。体育计时器有很大的发展空间。大家有所不知，时间是世界上能够测量的最准的物理量，我们把地球上的时间尺度可以划分44级台阶，可以看出目前科技水平能够测量的最小的时间单位是10-18 s，能够算出的最小时间单位是10-25 s（Z0粒子的寿命）。


图11 时间的44级台阶

　　伦敦奥运男子200米自由泳决赛中，孙杨和朴泰桓以1分44秒93的成绩并列亚军。可见量子计时器在体育竞赛中的使用还不够成熟――百分秒一样的情况下，千分秒是抛弃还是补足？

　　量子钟是世界上精度最高的计时技术，原子钟是科学研究中应用最成熟的量子技术。原子钟通过原子能级之间跃迁来测量时间，其中铯原子钟计时精度可以达到100万年差一秒。除了铯原子钟，还有铷原子钟，氢钟和光钟等高精度技术工具。目前用做卫星钟、国家标准时间的产生等对时间精度要求非常高的地方。


图 12 原子钟的基本原理

　　第二次量子革命即将到来，最大的挑战是将技术概念变为原型，把原型进行商业化。这不仅需要计时领域的科技大佬研制更加精准又适合竞技体育的计时器，更需要设计完好计时系统把计时器精度最大限度的利用起来！