FIFA骨骼跟踪试验方法手册1.0

1.简介

随着摄像机硬件和计算机视觉软件的不断改进，跟踪系统的发展已经超越了对重心和球的跟踪，现在可以跟踪单个骨骼点。这种骨骼跟踪打开了各种各样的用例，从比赛判罚到运动表现分析，医疗等等。

然而，正如我们从以前的跟踪发展中看到的那样，在系统实施之前，评估和理解数据的准确性和有效性是至关重要的。

国际足联开发了一种方法，通过将相关数据与黄金标准运动捕捉数据进行比较，来评估骨骼跟踪系统的准确性。该运动捕捉数据在空间和时间上与提供者数据同步，并且一致性水平被量化。

半自动越位技术

此跟踪数据的第一个用例是比赛判罚。《半自动越位技术组件测试概述》中概述了衡量四个关键要素之一的强制性评估。

对于这个用例，骨骼跟踪数据的准确性具有关键的通过/未通过要求，必须满足这些要求才能达到认证要求。

主要利益攸关方正在进行讨论，以确保这些要求既适当又切合实际。

非比赛判罚用例

由于骨骼跟踪数据有许多用途，其中一些不要求绝对坐标的厘米精度，国际足联决定允许供应商完成评估，而不要求那些不用于半自动越位技术的系统通过/未通过。

这一新领域将需要工业界、学术界和体育界的大力合作，以发展必要的理解，以正确验证、实施和提取这些新技术的最大潜力。

2.测试协议

根据EPTS测试方法手册，该验证方法同时捕获提供者骨骼跟踪数据和Vicon运动捕获数据，并评估两个数据集之间的协议。该协议是在现有EPTS协议的基础上完成的，并利用了经过长时间设计和研究的方法。

2.1. 三维动作捕捉

三维运动捕捉系统，如Vicon，被认为是测量运动数据(如肢体跟踪)的黄金标准。

据报道，当进行适当的设置和校准时，这些系统可以提供亚毫米级的测量精度，并且Vicon系统将用于半自动化越位技术验证。

2.2. Vicon捕捉区

虽然目前正在探索全场地评估技术，但目前的方法评估了Vicon捕获区域(约40 x 20m)数据的准确性，如图1所示，并在图2中给出了该设置的真实示例。

检查提供商的摄像机馈送，以确保它们没有聚焦在捕获区域。

图1-Vicon测试区域，带有Vicon标记，用于坐标校准

图2-2021年曼城伊蒂哈德体育场的Vicon测试区

2.3. 摄像机设置

40台Vicon摄像机将放置在测试区域周围，以提供大约40 x 20米的矩形捕获空间。

相机将被设置在三脚架上，并向下倾斜，以减少背景眩光。摄像机将由通过三台PoE交换机连接的Cat5e以太网电缆供电，然后再连接到中央集线器交换机。‍

Vicon锁将连接到这个中心交换机，以允许多个交换机连接。Vicon锁提供脉冲，确保所有摄像机同步。然后，中央集线器将通过以太网电缆连接到捕获计算机。

2.4 摄像机标定

摄像机设置完成后，将使用被动棒校准系统。在校准波之后，测试人员将检查误差值，以确保它们在可接受的误差值范围内(

额外的测试将进行以确定校准空间的一致性。该测试涉及被动棒通过捕获体积空间，棒数据被记录为测试试验，而不是校准过程的一部分。

该测试试验将使用棒进行，因为棒标记之间的已知距离保持固定，这意味着在测试空间内的不同位置测量这些距离，可以识别捕获体积内的问题区域。

棒试验还将提供关于整个捕获体积空间的准确性一致性的信息。

2.5 球员标记

刚体和单个标记的组合将放置在各个身体段的近似质心上。这些刚体包括一个刚体底座(例如热塑性塑料，其形状适于贴合到每个身体部分)，在刚体塑料底座上以独特的模式放置三到五个反射球形标记。

这些刚体簇将使用胶带牢固地固定在球员身体上主要部位上:

左右脚

左右小腿

左右大腿

左右前臂

左右上臂

躯干

骨盆

头

图3显示了刚体簇的例子，每个都有稍微不同的标记配置。

在测试之前，额外的标记将放置在脚踝、膝盖、手腕和肘部的内侧和外侧，以及每个肩膀的肩峰突上。这些将用于静态A姿态(参见“校准活动”部分)，在测试之前删除中间标记。

图3-参与测试者身上的刚体簇

一旦所有刚体都连接到球员身上，将在每个提供者测量的特定地标上放置单独的标记。

关于每个系统测量的骨骼位置数量的讨论必须提前进行，但建议每个球员至少有18点。随着技术的不断发展，这可能会被重新审视。

2.6. 骨骼追踪试验

坐标对齐捕获

供应商将被要求提交放置在比赛场地上的每个Vicon标记的3D坐标。这将有助于Vicon坐标系统和提供者坐标系统之间的对齐过程。

校准活动

为了构建后续Vicon分析的骨骼段和关节结构，将进行校准活动，同时为HEI和Vicon数据之间的肢体跟踪比较提供机会。

每位球员将进行以下校准活动:

静态A型姿势‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

仅带刚体的静态A-Pose(在初始静态A-Pose试验后删除单个内侧标记)

运行校准-肘部摆动

运行校准-肩膀旋转

运行校准-左髋关节摆动

运行校准-右臀摆动

运行校准-深蹲和跑到A姿势结束

球员追踪动作

将进行一系列的球员跟踪动作，以测试供应商对肢体跟踪和越位决策的准确性。活动将包括下面列出的，范围从有明显越位或越位决定的静态场景到有更多球员在捕捉空间的动态场景。

两名球员：

每个球员走入和走出

在Vicon区域的两端的镜像垂直跑动

一个静止，一个垂直移动

“人标”自由移动

四名球员：‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

每个球员走入和走出

在Vicon区域的两端的镜像垂直跑动

一半静止，一半垂直移动

“人标”自由移动

六名球员：

每个球员走入和走出

在Vicon区域的两端的镜像垂直跑动

一半静止，一半垂直移动

“人标”自由移动

3. 数据提交

3.1 实时数据提交

近年来，实时跟踪数据的应用程序急剧增加，这使得评估数据的质量和延迟变得非常重要。在这个阶段，国际足联认为live数据是可以实时使用的数据，根据具体的用例允许各种不同的延迟。

对于寻求半自动越位技术批准的骨骼跟踪系统，此流程是强制性的，但对于赛后使用的骨骼跟踪则不是强制性的。

这个过程的目标是以尽可能小的延迟收集提供者数据，允许在没有收集后修改和清理的情况下完成后分析数据。还对每个数据集进行了延迟评估。

该测试方法使用一种名为Rabbit MQ (RMQ)的开源消息代理软件。提供者需要以与其系统相同的采样频率上传其实时数据，并为每条消息加上收集时间和发布到RMQ的时间戳。

谷歌/MIT作为客户端，在接收到每条消息时为其打上时间戳，然后将消息推送到谷歌云平台的永久存储中。

通过从发布时间戳中减去收集时间戳来评估数据的发布延迟，这两个时间戳都是由提供者生成的。通过从接收时间戳(谷歌/MIT)中减去收集时间戳(由提供者)来评估数据的接收延迟。

RMQ延迟是通过从接收时间戳(MIT)中减去发布时间戳(提供者)来评估的。在以前的事件中，RMQ延迟大约为10毫秒，99%的消息在195毫秒内收到。

有关服务器上传评估的进一步细节，包括Rabbit MQ提交的数据格式要求，可根据要求提供单独的“Rabbit MQ指南”文档。

3.2. 提交后期数据

事后提交资料也可提交，但不得证明可用于赛事判罚之目的。

4.数据分析

4.1. 数据分析处理动作捕捉数据准备

动作捕捉数据(VICON)应作为每个球员的单独演练文件提供，以100 Hz采样，然后向下采样至50 Hz进行比较。

每个动作捕捉文件包含X, Y和Z坐标以及X和Y中的速度，然后将文件分割成单独的地标文件。为了允许动作捕捉数据(VICON)与提供者数据进行比较，X、Y、Z数据应在提供的50 Hz进行测试，或插入到50 Hz。

4.2. 制造商数据提交

供应商必须在测试活动之前向国际足联提交骨骼跟踪数据示例，随后将在供应商、测试机构和国际足联之间召开协调会议。

4.3. 时间同步

数据将使用质心数据进行同步。单个球员和训练文件(动作捕捉数据)应导入并与单个制造商球员数据同步。‍

为了抵消任何滤波相移的影响，将使用与运动捕捉数据相同的方法和滤波从制造商的X和Y坐标计算速度值，即使用3点中心差计算速度，并使用具有1 Hz截止的2阶低通巴特沃斯滤波器进行滤波。

然后，应在制造商的速度数据之间建立同步，使用相互关联与动作捕捉速度数据。相互关联建立了两个数据信号的最佳移位，从而导致制造商的速度数据和运动捕获速度数据之间的最高关系(相关性)。所得到的数据应进行修剪和合并。

计算出的制造商的速度数据将进一步同步，以1为间隔向前和向后移动速度轨迹50个数据点，并在每个点建立均方根差(RMSD)。产生最低RMSD的制造商数据的转移将用于分析。

然后，制造商和VICON的X和Y坐标将被时间同步并用于分析。制造商提供的原始速度数据将单独移动(分离到X和Y坐标)，以确保速度的最佳匹配。用于统计分析的最终文件包含动作捕捉数据和制造商的数据。

4.4. 空间同步

为了检查每个地标的位置数据的差异，应旋转X, Y和Z坐标以匹配运动捕获数据中的坐标。这将通过将制造商的数据旋转1度到360度来实现，直到位置数据的误差最小。

一旦知道了最近的1度旋转，制造商的X和Y坐标将进一步调整到最佳对齐两侧最近的百分之一度。制造商坐标与动作捕捉坐标之间的差值应量化为坐标之间的直线差值。

4.5. 统计分析

每个地标的数据将使用均方根误差(RMSE)进行比较，并绘制为每个地标的X、Y和Z差的组合，并显示比较间隔。3D动作捕捉和提供者数据在单个X、Y和Z轴上的差异也将使用RMSE进行测试。

随着国际足联与主要利益相关者共同开发这一领域，关于国际足联测试报告将如何设计，以确保关键运动表现指标能够测量和可视化，从而使比赛组织者和技术提供商对相关系统有信心，将会有更多的信息。