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揭秘奥运计时

(2008-08-05 08:32:07)
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终点线

计时钟

奥运会

历史

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分类: 羊蝎子--我的健康
揭秘奥运计时
天安门广场地下通道新装饰的“云纹”
 
    相信每一个中国人都不会忘记这一刻:北京时间2004年8月28日凌晨2时40分,在希腊雅典奥林匹克体育场,中国选手刘翔在第二十八届奥运会男子110米栏决赛中以12秒91获得金牌,成为第一个获得奥运田径短跑项目世界冠军的黄种人,创造了中国乃至亚洲的纪录。12秒91的成绩不仅打破了12秒95的奥运会纪录,还平了英国选手科林·约翰逊1993年8月20日在德国斯图加特创造的12秒91的世界纪录!
    “12秒95”就这样在国人的心中定格。这个纪录精确到秒后两位数,可是,你是否知道,这个成绩是用何种方法纪录下来的?为什么纪录得如此精确?奥运会比赛从某种程度上说就是时间的较量,因此,从一开始,计时便占据了头等重要的位置。也因此从奥运会诞生的那天起,人们就一直寻找更精确的计时方法。
    自首届现代奥运会在希腊雅典举办以来,奥运计时技术一直在不断地向前发展。一百多年过去了,首届现代奥运会上计时所用的跑表(stopwatch)如今换成了一系列高科技计时装置,如高速数码摄像机、电子触摸垫、红外光束、无线应答器等等。鉴于当今计时技术的快速发展,即便千分之一秒(为眨眼的40倍)的毫微差距,也决定着冠军的归属。
    这种精确度要求第一流的计时技术。纵观当前世界,只有两家公司可以满足国际奥委会制定的计时标准。欧米茄是2006年意大利都灵冬季奥运会官方计时器提供商,还是2004年雅典夏季奥运会官方计时器提供商。这一头衔意味着欧米茄在两年一次的奥运赛场上,为比赛的计时工作提供相关技术和人员。日本精工则是2002年美国盐湖城冬季奥运会的官方计时器提供商。夏季奥运会与冬季奥运会比赛项目的特点有天壤之别,而计时方法同样南辕北辙。
 
夏季奥运会
 
田径
 
    在诸如持续时间只有10秒的100米短跑等短距离赛跑中,准确计时就显得至关重要。因此,计时的方方面面均要实现电子化,甚至是发令枪如今也电子化了。很多看比赛只关注比赛结束后显示屏上显示的成绩,但并不清楚这个成绩是如何计算出来的。
    现在奥运会短跑计时的程序非常先进,也十分复杂。一旦选手双脚蹬在起跑器上,做好启动准备,计时官员扣动发令枪扳机,通过铜线发出电流到起跑器和单独的计时台。电流会启动计时台上的石英晶体振荡器,与此同时,发令枪的声音经由每个选手起跑器的扬声器放大,这样一来,所有参赛选手即可同时听到发令枪响,实现了真正意义上的公平比赛。
    而在赛道的另外一端,激光信号则从终点线一端传向另一端,而另一端的光传感器(亦称光电管或“电子眼”)会收到激光发出的光束信号。当选手穿过终点线,光束受到阻塞,电子眼立即向计时台发送信号,记录下选手的比赛用时。同时,与终点线平行安装的一台高速数码摄像机会以每秒2000次的惊人速度,将图像扫描到一个狭窄剖面上。当每名选手跑过终点线时,摄像机会将最先触及终点线的身体部位的电子信号发送给计时台,从而记下他们的比赛时间。
    计时台则将比赛时间发送给裁判席和电子记分板。图像则会被发送给电脑,电脑使图像与时钟实现同步,令其处于水平时标的并行位置,构成一幅完整的图像。电脑还会用一个垂直指针记录下每名选手身体最先触及终点线的具体部位。随后,技术人员可以在比赛结束后在30秒内将这张合成图像播放在视频显示器上,帮助裁判确定可能差之毫厘的冠军归属。
    在诸如马拉松等长距离比赛项目上,计时钟同样是在电子枪响的同时开始计时。但是,由于马拉松参赛选手众多,使得所有选手同时离开起跑线根本不可能,且有时会有数十名选手同时穿过终点线。鉴于上述考虑,马拉松比赛便需要更为独立的计时系统——射频识别标签(RFID)。每名马拉松选手在比赛前都会在鞋带上系一只轻薄小巧的RFID发射机应答器,以便将其独特的射频信号发送出去。
    你注意过安装在马拉松终点线上那一连串的地垫吗?它们由作用堪比天线的铜线圈组成,用以收集每名选手的信号,同时将他们的识别码和起跑时间发送给计时台。射频地垫每隔5公里铺设一个,运动员沿路的行踪由此尽收眼底,还能自动在计时板上显示选手的最好成绩。另外还有一个射频地垫安设在终点线,用以记录每名选手比赛用时。随后,技术人员将每名选手的比赛用时同计时钟(即枪响时间)进行比较。计时钟由发令枪启动,在第一名穿过终点线时停止运行。这项技术广泛应用于在波士顿、纽约和洛杉矶等城市举办的马拉松比赛,由德州仪器等公司提供。
 
自行车比赛
 
    因为自行车比赛计时面临着类似马拉松的诸多挑战,所以,计时技术也有诸多相同之处。无线应答器将安装在每辆自行车前轮轮胎前缘,可以随时向安装在起点线、终点线及沿途各站的天线发送识别码,这些天线将记录下每名选手的比赛时间,将其发送给计时台进行比较。三台高速摄像机安装在终点线(包括跑道上),提供按照时间顺序确定的选手成绩,如详细记录每名运动员轮胎前部数据的垂直指针,用于帮助确定冠亚军最终归属。这项技术还广泛应用于环法大赛等自行车比赛中,由法国格勒诺布尔的Matsport公司提供。
 
水上运动
 
    每名游泳运动员的起跑器类似于短距离田径比赛,均安装有一个扬声器,用于宣布由计时官或起跑器启动的时间。在接力一类的比赛中,身在泳池中的选手必须通过按动游泳池壁的触摸板,才能“加标签于”(tag)下一棒的队友。接着,触摸板将信号发送到计时电脑,记录下第一名运动员的比赛时间,同时启动第二名选手开始的时间,并报告给计时板。
这种触摸板由一堆薄薄的PVC和水平带制成,可以记录集中压力(如来自于选手的手),而不是分散压力(如泳池的波浪)。蛙式游泳、自由式游泳、仰泳等个人项目的计时过程均与之类似,比赛期间,选手必须按泳道两端的触摸板,记录下他们的比赛时间。水上项目还采用类似田径比赛的终点摄影(Photo Finish)技术,用于以每秒100帧录下选手冲刺的图像。
 
冬季奥运会
 
    奥运会分为夏季奥运会和冬季奥运会,每两年交替举办。由于这些运动项目之间存在诸多不同之处——从距离远近到天气因素——各项运动赛事的计时技术自然也大相径庭。
 
雪橇
 
    由于奥运会雪橇选手会以高达90英里(约合145公里)的时速滑行,所以,即便是哪位选手笑到最后,他也是以极其微弱的优势险胜。在计时精确至千分之一秒,且计时设备必须承受零下30华氏度低温的情况下,高科技成为比赛不可或缺的重要条件。雪橇比赛的起点线和终点线均装有0.5英寸至1英寸红外光束,用以聚焦接收装置,在光束被分离的那一刻,接收装置会启动或停止运行计时钟。激光技术尽管在竞赛环境下大显神通,但仍在2002年美国盐湖城冬奥会上被红外光束所取代,因为研究表明降雪经常使激光束出现问题,而大雾使电子眼失去火眼金睛的效力,从而降低了精确度。
 
速度滑冰
 
    速度滑冰计时技术同短距离田径比赛存在诸多相似之处。计时钟由发令枪启动,电子眼在每名选手穿过终点线激光束的那一刻,将信号发送给计时电脑。因为速度滑冰选手的速度最高可达时速30英里(约合48公里),甚至于一个脚尖决定着冠亚军的归属,两台分开安装的摄像机扫描终点线,以每秒2000帧的速度记录下每一张图像,并将完成的图像发给裁判帮助确定最终的胜者。
 
滑雪
 
    高山滑雪选手手持滑雪杖从起点旗门高速启动滑行。这些旗门一打开,即向计时台发送电子信号启动计时钟。同雪橇比赛相似,运动员穿过终点线时,红外线受到干扰,即停止计时钟运行。在越野滑雪和北欧式滑雪(Nordic)等长距离滑雪比赛中,安装在每名选手滑雪鞋上的射频识别标签会将他们的信号发到天线。天线埋设于起跑线、终点线和两点之间的雪地下面。这样一来,选手的启动时间、穿越终点的时间以及比赛进程全部尽收眼底,被录像后播出,供裁判进行实时判罚。
 
保持计时准确性的绝招
 
    尽管大部分比赛用时对外公布时只精确到百分之一秒,但奥运会计时标准要求比赛计时精确至毫秒。即便是出现了极其微小的误差,计时员也必须做好最坏的打算。以下是计时员保持计分准确的几大“绝招”。
    “智能”系统:由于担心遇到电缆被切断或某一设备停止工作,每一套计时系统均拥有最多四套备用系统。一旦某一设备失灵,这些系统会自动开启,这样一来,计分结果不会丢失(奥运比赛可没有重赛)。一些冗余系统(redundant system)通过时间同步打印机将数据打印出来,从而给数据备份。而其他一些冗余系统则确保时间可以通过计分板和互联网及时传递至观众和媒体,让他们对赛果有实时了解。此外,安设于起点线和终点线的激光和红外光束并非一直不变,相反,它们不断地快速闪烁,以便不会被背景灯或降雪的变化所干扰。信号只有在光束连续中断多次之后才发送给计时钟。
    自动防故障装置:因为诸多运动员存在“抢跑”的问题,计时员此时还必须起到裁判员的作用,用以保留参赛选手得分的精确性。科学家研究发现,普通人对刺激(如发令枪)的反应为十分之一秒,而在奥运会赛场,如果运动员的启动时间迟于发令枪响后十分之一秒,就会有专门的系统停止计时钟工作,因为这意味着他在发令枪响前之开始“反应”。
    为测量这种反应,田径和游泳比赛中使用的起动器均安装有电子压力板,发令枪响前选手双脚放在上面。作为压力的第一迹象(选手脚蹬住起跑器),起跑器向计时台发送信号。如果选手的反应时间被确定为低于十分之一秒,计时钟会自动停止运转,同时告警信号发送至计时官员耳机重新进行比赛。通常情况下,抢跑的选手会失去比赛资格。
    在游泳接力比赛中,反应时间经由两个方法确定,一是比赛启动的时间,二是每名选手“加标签于”队友。如果队友在第一名选手碰到泳池触摸板后不到十分之一秒即跳离起跑器,那么他之后的选手则会因错误启动而失去比赛资格。在这两种情况下,高速视频摄像机还在水平时标下记录下运动员的比赛过程,以出现防争议时进行解决。
    争议中进步——因为奥运官方计时器备有高度冗余的系统,及具有数字和视觉数据的多个计时设备,那么裁判员通过分析,有关计时方面的争议通常会快速得到解决。不过,一旦选手的投诉最终被证实正当,一般情况下,往往会导致对现有计时技术的研究和开发。
    例如,在德国选手西尔克·克劳斯哈尔(Silke Kraushaar)1998年获得无舵雪橇金牌之后,裁判分析发现光电传感器具有精确至两毫秒的误差,这恰恰是克劳斯哈尔胜出第二名的时间。由于担心这一系统的精确度,时任美国奥委员会首席工程师的汤姆·威斯滕伯格(Tom Westenburg)开发出高速调制(high-modulation)、三重冗余(triply-redundant)的系统,精确度小于半毫秒,目前一些比赛还在使用这套系统。
 
奥运计时百年历史
 
    尽管奥运会历史可追溯至公元前776年,但奥运计时技术的历史仅仅始于100年多前。以下便是奥运计时技术百年重大突破一览:
    1896年希腊雅典奥运会:首届“现代”奥运会,出现了用于确定选手时间的计时表----浪琴表(Longines)制造的手动计时怀表,当时的精确度只有1/5秒。
    1912年瑞典斯德哥尔摩夏季奥运会:首次使用电子计时和终点摄影。
    20世纪20年代:比利时安特卫普夏季奥运会;法国巴黎夏季奥运会;荷兰阿姆斯特丹夏季奥运会:首次使用计时器,精确度达到百分之一秒。
    1932年美国洛杉矶夏季奥运会:1932年之前,所有比赛都是人工计时,由每个计时员写下自己记录下的时间,但从本届奥运会开始,欧米茄(现为斯沃琪集团旗下子公司)被命名为奥运会第一个官方计时器提供商。68年后的悉尼奥运会上,欧米茄派出的技术人员与计时器的重量已经跃变为32名、3.50吨。
    这家瑞士钟表公司的产品是詹姆斯·邦德的最爱,保持着22次作为奥运会官方计时器提供商的记录;引进“科比相机”(Kirby camera),可以同时对终点线拍照,以及每次拍摄都留有“时戳”(time-stamp)的精密时计。1932年洛杉矶奥运会后,机械表的计时精确度在钟表师的不断创新中逐渐提高,从1/5秒、1/10秒到1/100秒,为运动比赛的计时提供了越来越严密的保障。
    1948年瑞士圣莫里茨冬季奥运会:首次使用光电管,用于终点摄影的狭缝摄影机(Slit camera),被人们俗称为“魔眼”。“魔眼”所拍摄的照片可以解决终点裁判肉眼无法判断的胜负之争,使得恼人的麦布里奇线从此逐渐退出了奥运赛场。以前这条线与机械秒表相连,只有被冲过终点的冠军运动员奋力撞断,秒表才会停止。“魔眼”的所有功能均为电子控制,可以达到精确度极高的1/1000秒,超越了此前所有的设备。
    1952年芬兰赫尔辛基夏季奥运会:欧米茄计时器(OTR)首次采用石英钟并打印比赛成绩,一举为公司赢得国际奥委会颁发的“十字勋章”;时钟增加至狭缝摄影机上,用以自动时戳记录,精确度达到百分之一秒。
    1964年日本东京夏季奥运会:欧米茄再次发力,“Omegascope”技术的研发成功给关注奥运会的电视观众带来了福音,因为这一装置可以将时钟叠放在电视屏幕上,选手比赛时间首次在电视上直播公布;首次成为奥运会官方计时器提供商的日本精工,将发令枪同石英钟和终点摄影摄像机联系在一起。
    1968年墨西哥墨西哥城夏季奥运会:触摸板首次用于记录水上项目比赛时间。这个触摸板高90厘米,宽240厘米,三分之二都没在水中,它们可以对游泳选手最轻微的触摸作出反应,但是却不会受到池水运动的影响。因此,参赛选手不再需要像从前一样亲自去按停计时表。
    1972年德国慕尼黑夏季奥运会:首次测算参赛选手反应时间,并在计时中加以考虑;选手成绩的官方时间精确至百分之一秒,而非之前的十分之一秒。
    1976年加拿大蒙特利尔夏季奥运会:电子计分板首次用于实时显示比赛成绩,这种计分板可以显示除了时间以外的点数和分数等信息。
    1988年韩国汉城夏季奥运会:赛事官员除了记录计时数据,还首次可以处理计时数据。首次使用了计算机计时来测量、分配以及打印时间,还可在其存储器中存储信息,用于分析体育运动的细节。数字化奥运会时代来临。
    1992年法国阿尔贝维尔冬季奥运会:电子终点摄影技术首次实现同计时系统的完美结合。观众可以通过电子计分板观看终点现场的情况,实时播报进一步发展。
    1996年美国亚特兰大夏季奥运会:自行车和马拉松比赛中首次采用无线应答器。
    2002年美国盐湖城冬季奥运会:雪橇比赛中红外光束取代光电管;无线应答器首次用于远距离滑雪比赛。
    2004年希腊雅典夏季奥运会:终点摄影机每秒可拍摄1000张照片;沙滩排球引入雷达测速仪(Radar gun)。
    2008年北京奥运会:官方指定计时商欧米茄将创纪录地使用700名技术人员、400吨重的器材。除担任计时任务外,还会提供数据处理和场馆比赛结果服务。如今的奥运计时,已经远远超出了我们的想象。(杨孝文)
 

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