Giải mã công nghệ giấu bên trong trái bóng chính thức của World Cup 2022

Chính thức khởi tranh vào ngày 20/11, World Cup 2022 nhanh chóng được coi là một trong những kỳ World Cup ứng dụng nhiều công nghệ bậc nhất trong lịch sử của giải đấu này. Một trong số công nghệ đó nằm bên trong Al Rihla – trái bóng chính thức của World Cup 2022 tại Qatar.

Công nghệ 'bí ẩn' bên trong trái bóng chính thức của World Cup 2022

Mặc dù Al Rihla được sản xuất bởi được Adidas, các công nghệ bên trong quả bóng lại được thiết kế bởi KINEXON – công ty hàng đầu thế giới trong mảng theo dõi hiệu suất của một số môn thể thao. Chúng đã được phát triển và thử nghiệm trong sáu năm trước khi nhận được chứng nhận đầy đủ của FIFA.

Kết quả nghiên cứu này là một cụm thiết bị đặc biệt được tích hợp bên trong trái bóng Al Rihla. Với trọng lượng chỉ vỏn vẹn 14 gram, các thiết bị này thực chất chính là cụm cảm biến riêng biệt hoạt động đồng thời.

Thiết bị đầu tiên là cảm biến băng thông siêu rộng (UWB). Nó được sử dụng để cung cấp dữ liệu vị trí chuẩn xác chưa từng có, vượt trội hoàn toàn so với Bluetooth hoặc GPS. Số dữ liệu được thu thập sẽ được truyền theo thời gian thực để liên tục theo dõi vị trí của quả bóng trong trận đấu.

Thiết bị thứ hai là cảm biến đơn vị đo lường quán tính (IMU) - loại cảm biến dùng để phát hiện các chuyển động sắc thái của một vật thể trong không gian.

So với trái bóng tại các kỳ World Cup trước, Al Rihla tích hợp nhiều công nghệ hiện đại nhất hiện nay

"Mặc dù cảm biến băng thông siêu rộng giúp chúng tôi có được vị trí của một vật thể, nhưng cảm biến IMU cung cấp cho chúng tôi dữ liệu về chuyển động chi tiết trong không gian ba chiều", ông Maximillian Schmidt, đồng sáng lập và giám đốc điều hành của KINEXON cho biết.

Vì vậy, bất cứ khi nào trái bóng Al Rihla được đá, đánh đầu, ném hoặc thậm chí là chạm vào, các cảm biến sẽ thu nhận và xử lý dữ liệu với tốc độ cực nhanh. Dữ liệu sau đó sẽ được gửi theo thời gian thực từ các cảm biến đến hệ thống định vị cục bộ (LPS), vốn bao gồm hàng loạt ăng-ten mạng được lắp đặt xung quanh sân vận động để nhận và lưu trữ dữ liệu tức thời.

Đặc biệt, khi một quả bóng bay ra ngoài biên trong quá trình thi đấu và một quả bóng mới được đưa vào sân để thay thế, hệ thống phụ trợ của KINEXON sẽ tự động chọn dữ liệu đầu vào của quả bóng mới mà không cần sự can thiệp của con người.

Tuy nhiên, liệu việc tích hợp hệ thống cảm biến bên trong có ảnh hưởng tới tốc độ và quỹ đạo bay của trái bóng Al Rihla, so với các trái bóng bình thường (không tích hợp thiết bị bên trong)?

Để kiểm chứng điều này, Adidas đã thực hiện hàng loạt thử nghiệm khác nhau. Với sự giúp đỡ của các câu lạc bộ ở những nơi như Tây Ban Nha, Đức và Anh, các thử nghiệm mù (blind-test) đã được thực hiện để xem liệu cầu thủ có thể phân biệt được sự khác biệt giữa bóng "bình thường" và bóng được gắn thiết lập cảm biến/hệ thống treo.

Song song đó, một thử nghiệm khác sẽ được tiến hành trong phòng thí nghiệm. Các hệ thống robot sẽ được lập trình để "đá" bóng ở các tốc độ, độ xoáy và hướng khác nhau. Sau đó, các camera tốc độ cao sẽ đánh giá đường bay của quả bóng, đảm bảo rằng sự hiện diện của cảm biến không tạo ra đường bay bất thường.

Kết quả, các thử nghiệm mù quy mô lớn đã được thực hiện cho thấy, các cầu thủ không thể nhận ra sự khác biệt giữa quả bóng tích hợp cảm biến và quả bóng thông thường.

Ở chiều ngược lại, các cảm biến bên trong quả bóng Al Rihla cũng được lắp đặt theo công nghệ treo do Adidas cung cấp. Công nghệ này cho phép cảm biến nằm ở điểm trung tâm bên trong của quả bóng và giữ an toàn cho nó ở một vị trí nhất quán. Điều này có nghĩa, cụm cảm biến vẫn sẽ hoạt động bình thường sau những cú ra chân cực mạnh của các cầu thủ.

Cực kỳ chính xác

Làm cách nào để chúng ta biết được liệu dữ liệu từ các cảm biến có phản ánh nhất quán vị trí chính xác của cầu thủ và quả bóng?

Cận cảnh cụm cảm biến UWB và IMU nằm ở trung tâm của quả bóng Al Rihla

Theo đó, khái niệm đầu tiên cần hiểu ở đây là tốc độ làm tươi (refesh rate), được đo bằng Hz để chỉ số lần mỗi giây mà một màn hình nhất định có thể dựng một hình ảnh mới.

Video 50Hz tiêu chuẩn, định dạng phổ biến được sử dụng cho màn hình HD ngày nay, đang tạo hình ảnh mới 50 lần mỗi giây (hoặc "tốc độ khung hình" là 50 khung hình mỗi giây, đối với những người quen thuộc hơn với thuật ngữ này). Bất kỳ ai đã làm chậm video ở chế độ từng khung hình đều biết cảm giác có những khoảng thời gian ngắn trôi qua giữa mỗi khung hình – đó được gọi là độ trễ đầu vào (input lag). Đối với video 50Hz, độ trễ đầu vào sẽ là 20 mili giây trên mỗi khung hình (đối với video 60Hz, đó là 16,66 mili giây trên mỗi khung hình).

Với riêng hệ thống cảm biến bên trong quả bóng của KINEXON, dữ liệu được xử lý ở tần số 500Hz. Điều này có nghĩa, độ trễ đầu vào của hệ thống sẽ thấp hơn tới 10 lần so với tần số 50Hz tiêu chuẩn, tức mọi dữ liệu thu được từ cảm ứng sẽ được xử lý nhanh chóng và chính xác với rất ít sai số và độ trễ.

Tuy nhiên, FIFA còn có tham vọng nhiều hơn thế. Bên cạnh việc tích hợp các cảm biến bên trong quả bóng Al Rihla, hệ thống camera theo dõi quang học Hawk-Eye – vốn được ứng dụng nhiều trong bộ môn tennis – cũng được sử dụng tại giải đấu. 12 camera Hawk-Eye được thiết lập xung quanh sân vận động sẽ giám sát cả quả bóng và từng cầu thủ 50 lần mỗi giây. 29 điểm riêng biệt trên cơ thể mỗi cầu thủ (bao gồm cả tay chân) sẽ được chú ý trong suốt trận đấu.

Bên cạnh đó, dữ liệu từ cả KINEXON và Hawk-Eye sẽ được xử lý bằng phần mềm trí tuệ nhân tạo, vốn đã được lập trình để tự động đưa ra cảnh báo khi xảy ra tình huống việt vị cho các trọng tài trong phòng video của trận đấu. Thay vì phải thảo luận tình huống với nhau, một quá trình tốn thời gian, AI sẽ tự động tạo cảnh báo để các trọng tài VAR có thể xác nhận. Như vậy, tổ trọng tài đưa ra các quyết định việt vị không chỉ có độ chính xác cao mà còn nhanh hơn nhiều so với trước đây – ưu tiên chính của FIFA trong kỳ World Cup này.

Phần mềm này cũng tạo ra hình ảnh 3D trong các tình huống việt vị để người hâm mộ có cái nhìn trực tiếp và trực quan hơn về quá trình ra quyết định của các ông vua áo đen. Đây chính là điểm mấu chốt của công nghệ mang tên "Công nghệ việt vị bán tự động".

Chưa kể đến, FIFA cũng ứng dụng Giao thức thời gian chính xác PTP, cho phép đồng bộ hóa 2 nguồn dữ liệu từ KINEXON và Hawk-Eye với độ chính xác đến một phần triệu giây, đảm bảo hai nguồn cấp dữ liệu không bao giờ sai lệch với nhau.

Tham khảo FIFA.com/Fivethirtyeight/Wikipedia