北京时间12月2日凌晨，卡塔尔世界杯E组第三轮小组赛迎来出人意料的结局，日本2-1爆冷击败欧洲强队西班牙，以小组头名战绩昂首出线。
在这场比赛中，大家最为关心的一个问题就是，在比赛进行到第51分钟时，日本队打入第二个进球，主裁判先是判罚足球出界在先，但主裁判在长时间听取视频助理裁判的意见后，最终判罚进球有效。
比赛画面截图
从上面这个角度看，相信在屏幕前观赛的球迷们一定都会认为足球已经出界，日本的进球无效，但视频助理裁判却给了“球未出界，进球有效”的结论。
根据足球规则规定，只有足球整体出界，才算出界。也就是说，出界是指整个球的最大横截面，对地面的投影全部超出白色边线，才算出界。只要这个投影和白色边线稍微还有一毫米的重叠，那就不是出界。
据澎湃新闻援引外媒最新报道，皮球与底线有1.88毫米重合，所以此球并不算出界。
比赛50分钟时日本队关键进球示意图
显然，有时候肉眼的判断，有时候并不准确。
本届世界杯，国际足联引进了很多高科技，除了之前备受“诟病”的半自动越位系统之外，这次连足球内部也植入了芯片，下面就让我们一起来看看本届世界杯用球还有哪些黑科技。
01
世界杯场上的黑科技
长期以来，足球科技界一直致力于将传感器与现有光学追踪工具相结合，因为这会使VAR（视频助理裁判）和越位审查等判罚更加准确和快捷，让比赛进行得更流畅。
如今，这对组合正式走入世界杯赛场，也必将成为一个公开的技术测试案例。
阿根廷的毫厘越位逃不过半自动越位识别系统
就像蓬勃发展的体育科技世界的许多领域一样，半自动越位识别系统既是终点，也是全新时代的起点。它也是经历了多年的研究和测试，才得以投入使用。
此外，本届世界杯用球，其外在设计带来更优异的空气动力学性能，内部还安置了传感器，令越位判罚更精准无误。关于这一点，想必阿根廷球员们对此深有体会。
年世界杯用球内置追踪传感器，这是世界杯首创
安装在足球内部的特殊传感器在获得国际足联的全面认证之前，已经进行了6年的开发测试。世界杯能迅速将新兴技术推向公众视野，最终的应用范围将远远超出比赛判罚这一用途。
当然，大多数观众对于新技术必然存有诸多疑问：
球和运动员追踪技术是如何开发的？
该技术在本届世界杯上有哪些关键用途？
这项技术是如何进行测试的？
球员、球队和球迷如何能够相信它的判罚结果的准确性和判罚尺度是一致的？
还有或许是最重要的，这项技术产生的大量数据将如何影响未来的球队战术分析、球迷比赛观赏和球员技术提高？
对此，体育记者本道塞特（BenDowsett）采访了多位体育科技界人士，就这项足球领域迄今最大胆的试验寻找答案。
02
半自动越位识别系统是什么技术？
基于什么原理？
年世界杯采用的“半自动越位识别系统”，主要由AI驱动，但最终结果由人类确认。
每个比赛用球内都安置一套设备，根据设计该设备的德国公司KINEXON的说法，这套设备重14克，由两个独立工作的传感器组成：
超宽带（UWB）传感器：一种优于GPS或蓝牙的精确位置数据的技术，而且可以实时传输数据，不断跟踪球的位置；
惯性测量单元（IMU）传感器：一种旨在检测物体在空间的细微运动的传感器。
世界杯用球中心处有传感器
KINEXON公司联合创始人兼总经理马克西米利安施密特（MaximillianSchmidt）表示：“UWB传感器能给出物体的位置信息，IMU则提供球三维的运动细节。”
球只要被踢、被顶、被扔，甚至只是被拍打，相关情况系统都会以每秒帧的速度捕捉到。数据从传感器实时发送到本地定位系统（LPS），该系统由一套网络天线组成，安装在比赛场地周围，这些天线接收并存储数据，并能供立即使用。
在比赛过程中，当一个球飞出界外，一个新球被抛入或踢入场内成为新比赛用球时，KINEXON的后端系统会自动切换到新球的数据输入，不需要人工干预。
KINEXON的球内装置由阿迪达斯提供的悬挂技术支持，该技术将传感器置于球的中心点，并将其固定不动。
球员29个部位被鹰眼系统实时捕捉
球内传感器与鹰眼光学摄像机追踪系统协作运行。鹰眼系统成名于网球场。12台鹰眼摄像机安装在足球场周围，以每秒50次的频率追踪球本身和每位球员，对球员身体的29个点（包括四肢）进行独立追踪。
当这两个数据源结合在一起时，就可以做出越位判决，不仅高度准确，而且出结果的速度比过去快得多——这是国际足联在这个世界杯周期的一个主要优先事项。
国际足联技术创新部足球研究和标准主管尼古拉斯埃文斯（NicolasEvans）说道：“我们在年世界杯后进行了例行述职，认为最需要改进的地方是缩短越位判决所需的时间。”
这个目标达成了，方法是，来自KINEXON和鹰眼的数据输入给人工智能软件；软件运行之后，自动向视频裁判生成自动越位警报，由视频裁判确认，而不是手动回看视频，这太耗时了。
该软件还能生成空间数据的3D渲染，叠加到电视转播和球场内的大显示屏上，让球迷直接看到每一个被审查的判罚是如何做出最后裁决的。
03
数据准确性如何？
经过了怎样的测试？
我们自然可以提出这样一个问题：“我怎么知道这个数据能持续反映球员和球的真实位置？”
这里要理解的第一个概念是刷新频率（更准确的术语是“帧率”），单位为赫兹，指的是特定显示器每秒更新图像的次数，即每秒显示过的帧数。当前高清显示器常用的格式标准为50赫兹，图像每秒更新50次，即每秒50帧。
你将视频逐帧播放，就能看出，相邻帧之间略有差别，能感受到时间的轻微流逝。对于50赫兹的视频，相邻帧的时间间隔是20毫秒（对于60赫兹的视频，相邻帧的时间间隔为16.66毫秒，以此类推）。
KINEXON的球追踪系统的数据以赫兹的速度传送，这意味着它给出的位置比真实位置滞后2毫秒——是标准的50赫兹视频的滞后时间的十分之一。
此外，KINEXON和鹰眼数据之间用PTP主时钟来同步时间，精确到百万分之一秒，这样便能确保这两个信号永远不会紊乱。
为了确保该系统的每个组成部分都不出差错，国际足联在受控和自然环境下都做过了测试。
KINEXON球传感器和鹰眼的光学摄像机组合要通过国际足联的“球场真实测试”。该测试要用到至少36台高质量的Vicon运动捕捉相机，结合为这些摄像机设计的反射标记，放置在球上和每个球员身上，进行超精确的检测。
当球员和球在测试场上移动时，这些Vicon摄像机和KINEXON-鹰眼装置组合同时运行，研究人员比较这两个系统的结果，以评估后者的准确性。
这种测试还用到其他工具，让测试更严格，例如用激光检测高速球员冲刺跑等状况。
进行球场真实测试的36台Vicon运动捕捉摄像机围成一圈，用来测试越位自动判别系统
考虑到世界杯是世界上最受