最近大家都在看世界杯，趁机科普一下球场上的高科技。
在世界级球类体育竞技比赛中，对于裁判的争议似乎从未停止。特别是2010年足球世界杯1/8决赛，英格兰与德国队的对决，英格兰在1：2落后的情况下奋起直追，英格兰球员兰帕德在禁区弧内挑射打中横梁明显越过门线，却因边裁的错误判断导致这粒进球最终被判罚“未能越过门线”，这次误判也被媒体称为“世纪性误判”。
此事件引发了巨大的社会舆论争议，FIFA(国际足球联盟)也开始反思并加快引入门线技术来避免类似事件的重演。2012年12月在日本国际足球俱乐部世界杯中首次使用球门线技术。
什么是门线技术？
门线（goal line）技术特指在足球比赛中，通过使用智能电子辅助系统来判断足球何时完全穿过球门柱和横梁下方的球门线，从而帮助裁判做出是否进球的决定，当然门线技术不能代替裁判，只是一种辅助判定工具。不过，在目前的比赛中，对于可能有争议的射门，门线技术几乎可以百分百确定是否进球，所以门线技术在裁判判决中极为重要。
因此，国际足球协会委员会对门线技术提供商要求非常高。基本要求：
1、门线系统要保证足够高的精度。目前的门线系统准确率超过99.9%。
2、门线系统要足够鲁棒，不受球上泥土或任何恶劣天气条件的影响。
3、门线判定结果要非常快，在1s内给出结果，并且能够在需要回放的时候立马给出回放结果。这样不会影响正常的比赛节奏。
4、门线系统只能第一时间将判决信息发送到裁判，供内部使用。目前门线技术都是通过无线网络将进球结果以振动和文字形式直接发送到裁判的手环上。
门线技术比人类还准确吗？
答案是肯定的。这里主要说两个参数：60ms，120km/h。
裁判面临的一个很大的挑战是人眼每秒只能处理大约16张图像，这意味着球需要在线后至少保持60ms以上。但实际情况中，在某些极端情况下，球可能在线后只有几毫秒，一名球员将球踢回，或者球可能会反弹回球场，在这种情况下，人眼根本无法看到球是否越过线。另外，人眼对于高速运动的足球是很难看清细节的，而像马里奥巴洛特利，克里斯蒂亚诺罗纳尔多，兹拉坦伊布拉西莫维奇这样的超级球星射门时的球速超过120公里/小时。因此必须借助例如高速相机等电子设备才能够准确判决。
门线技术的原理是？
门线技术其实是一类统称，目前FIFA已批准使用多个门线系统，主要有：Cairos GLT、Hawk-Eye、Goalminder、GoalRef、GoalControl等。这些系统根据原理，基本可以分为两大类：基于摄像机技术和基于磁场传感器技术。
基于摄像机的门线技术
我们以Hawk-Eye（鹰眼）技术为例进行介绍。Hawk-Eye是由Paul Hawkins博士和西门子子公司的工程师于1999年开发，已经广泛用于板球，网球和斯诺克中。早在2005年，Hawk-Eye技术就已经通过国际网球联合会的考验并被批准使用，并用于美国公开赛，澳大利亚网球公开赛和温布尔登网球赛。但Hawk-Eye在足球方面的应用较晚，最早是在2013-2014英超联赛赛季在英国使用。
Hawk Eye系统需要在体育场四周不同位置安装14台高速高清摄像机，每7台摄像机关注一个球门。如下图所示。
鹰眼系统首先使用图像处理算法检测足球大概区域。
然后自动调出对应的最佳拍摄视角相机数据。结合多个相机使用多相机三角视觉测量来计算其相对于球门线的精确位置。
即使某些相机的视野被球员的身体挡住，该系统也可以产生可靠鲁棒的结果。这是因为实现三角测量只需要两个相机即可，而比赛现场为每个球门配备了7台不同角度的相机，为算法提供了充足的冗余度。有了精确的计算，鹰眼系统不仅可以精确的给出进球结果，还能够模拟球运动的轨迹。
鹰眼门线系统会在1s内计算出射门结果，并通过无线网络将结果发送裁判手环，以振动和文字方式提醒。完全不影响比赛节奏。
鹰眼系统输入的都是高帧率高清图像，还要合成球运动轨迹，结果要在极短的时间内给出，对计算性能的要求还是很大的。所以看到如下图所示的鹰眼系统控制室里庞大的服务器也没有什么奇怪的了。
基于磁场的门线技术
我们以典型代表Cairos GLT系统为例简单介绍。下图是该系统示意图。
该系统由Cairos Technologies AG与阿迪达斯合作生产。该系统使用的足球是特制的，其内部有悬浮的电子传感器。
携带电流的细电线被埋在禁区和球门线后方，形成一个网格。由于铜线与磁场之间的干扰，移动的球会影响均匀的磁场。扰动磁场波纹通过网络传输到计算机，计算机计算后决定球是否越过线。
从原理来看，基于磁场的门线技术精度没有基于相机的门线技术精确，而且布设也比较麻烦。不过，基于磁场门线技术除了用在判断射门结果中，还可用于运动员平时的射门效果训练过程中。
