三維重現(xiàn)、智能管理等科技冬奧項目穩(wěn)步推進(jìn)

再過不到一年的時間，北京冬奧會盛典的大幕就將拉開。在緊鑼密鼓的備戰(zhàn)時刻，運動員在潔白的冰雪上劃過一道道弧線，為迎接屬于自己的“高光時刻”作著預(yù)演。而在他們背后有這樣一群人，在崇禮雪場、在實驗室、在計算機(jī)旁忙碌著，努力用“黑科技”分析解讀弧線背后的信息。

滑冰滑雪的動作如何更精準(zhǔn)？如何在非雪季進(jìn)行雪上訓(xùn)練？……為備戰(zhàn)冬奧，幾年來，由北京理工大學(xué)等高校共同實施的國家重點研發(fā)計劃“國家科學(xué)化訓(xùn)練基地建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”等“科技冬奧”項目穩(wěn)步推進(jìn)，一項項“黑科技”已經(jīng)或即將運用于我國冬季運動項目的訓(xùn)練中，它們將為冬奧運動員的訓(xùn)練和比賽賦能和助力。

捕捉到運動員一顰一笑的高精鏡頭

“針對設(shè)備在冰場環(huán)境下的適用情況，剛剛在首都體育學(xué)院進(jìn)行了測試，按道理我們現(xiàn)在應(yīng)該在東北為運動員做些服務(wù)，但因為疫情原因計劃受到一些影響?！北本├砉ご髮W(xué)光電學(xué)院儀器研究所副教授劉明說。

讓劉明心心念念的設(shè)備，并不算龐然大物，是兩臺將冰上運動員的運動軌跡、過程加以捕捉、采集的裝備?！霸婆_變焦運動軌跡采集與動作捕捉分析設(shè)備是有變焦功能的，加入了智能跟蹤算法，可以從運動員起跑開始跟隨其全部運動過程，運動員在畫面中大小相對穩(wěn)定，就能形成對其比較精細(xì)的特寫。一方面可以便于提取其運動軌跡，同時也可以對其身體部位進(jìn)行動作捕捉。冰場全景圖像采集與運動軌跡分析系統(tǒng)則可對整個賽場進(jìn)行全景拍攝，它有很高的單幀分辨率，能達(dá)到2500萬像素和每秒160幀的幀頻，可記錄大場景下高速運動運動員的軌跡。雖然精度低些，但能同時測量多人?！眲⒚鞅硎?。

兩臺裝備的強(qiáng)強(qiáng)組合，究竟能幫上運動員什么忙？劉明表示，采集運動員跟蹤特寫和軌跡，可以幫助運動員優(yōu)化技術(shù)動作，更加科學(xué)、有效地進(jìn)行訓(xùn)練。“例如系統(tǒng)可以分析運動員頭部位置，分析過彎道時頭部距離冰面的高度，幫助運動員在訓(xùn)練中更科學(xué)地調(diào)整身體姿態(tài)和平衡?！眲⒚髡f。

那么，完成跟蹤記錄，為何不用高速攝像機(jī)代勞？劉明的答案很簡單，自己的設(shè)備就是要讓運動員、教練員覺得好用?，F(xiàn)有市場上常見的設(shè)備都可以滿足多角度拍攝和三維測算需求，但視野相對固定，記錄范圍相對有限，若要記錄較大范圍場地，則需設(shè)置覆蓋不同區(qū)域的多組相機(jī)，系統(tǒng)復(fù)雜、造價很高，通常固定安裝在冰場內(nèi)無法移動。

劉明表示，為突破這些局限，僅是鏡頭從開始研發(fā)到目前產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)歷了7個版本?！皩⒃婆_變焦技術(shù)運用于機(jī)器視覺中，首先要解決的問題就是精度問題，云臺有個角精度，變焦鏡頭有個焦距變化的精度，所以必須隨時知道焦距和放大率的實時數(shù)據(jù)。而市面上的鏡頭無法做到，所以從轉(zhuǎn)臺到變焦系統(tǒng)只能自己做，雖然工作量很大，但設(shè)備的精度就有保障了。此外就是算法，作為光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，對于目標(biāo)物的干擾、遮擋比較敏感，一旦出現(xiàn)運動員相互遮擋、目標(biāo)物短暫丟失的情況，傳統(tǒng)算法就會亂套，所以學(xué)生下了很大功夫去完善，目前已經(jīng)實現(xiàn)了有短暫遮擋繼續(xù)跟蹤的功能，還在不斷改進(jìn)?！眲⒚髡f。

“定位到厘米”的三維重現(xiàn)

如果說劉明團(tuán)隊是在冰上的小場捕捉運動員的一顰一笑，那么張海洋團(tuán)隊則是在雪地的大場捕捉滑行時速可達(dá)上百邁運動員的幾厘米偏差。

高山滑雪運動員過旗門時雪板和旗門的相對位置如何？雪車雪橇入彎道的角度如何？這些指標(biāo)在冰雪運動中都尤為重要，既和選手的技術(shù)純熟度有關(guān)，也是選手在整個賽程平穩(wěn)發(fā)揮的關(guān)鍵因素。然而，這些運動場地往往高山起伏，賽道蜿蜒盤旋，有的長達(dá)幾十公里，如果不借助設(shè)備，教練員甚至都看不到運動員在哪里。北理工光電學(xué)院副教授張海洋告訴記者，過去教練員純粹靠經(jīng)驗判斷，而現(xiàn)在他的團(tuán)隊則可以為教練員提供精確到厘米級的數(shù)據(jù)。

“我們運用無人機(jī)、車載激光雷達(dá)掃描奧運雪場，然后從雪場的三維數(shù)據(jù)里提取其賽道參數(shù)提供給教練，例如轉(zhuǎn)彎半徑、坡度等雪道參數(shù)，通過點云數(shù)據(jù)的反演和場景重建后，提供給模擬訓(xùn)練裝備的設(shè)計開發(fā)使用。從今年年初開始，應(yīng)訓(xùn)練隊的要求，我們還在研發(fā)在三維地形上實時顯示運動員的運動信息，便于教練員觀測運動員滑行速度、轉(zhuǎn)彎速度等。”張海洋介紹。

對于這個由5位老師、10位學(xué)生組成的團(tuán)隊而言，冒著嚴(yán)寒測雪場的經(jīng)歷令所有人難忘?！?月初，崇禮雪場的溫度是零下35攝氏度，無人機(jī)很難達(dá)到要求，只能由團(tuán)隊師生抱著激光雷達(dá)冒著低溫嚴(yán)寒去測量。但是由于場地起伏、植被遮擋等原因，激光雷達(dá)測量的一個步進(jìn)只有百米，于是我們團(tuán)隊男生搬著設(shè)備、女生記錄數(shù)據(jù)，充分利用運動員訓(xùn)練休息的間隙，一條雪道一條雪道進(jìn)行測量，整整在低溫下測了一天。到第二天我們的三維場景就做出來了，交給訓(xùn)練隊使用?！眻F(tuán)隊一位成員說。

“冬奧實地賽場賽道落差大，運動員滑全程危險性、技術(shù)要求很高，需要克服很大心理壓力，所以一天只能滑幾次，體力消耗很大，借助仿真系統(tǒng)可以幫助其提高訓(xùn)練效率、建立心理預(yù)期?！睆埡Ｑ蟊硎?，項目意義還在于為運動員搭建室內(nèi)模擬場景，團(tuán)隊掃描完每一個場景后，VR團(tuán)隊都會緊張地投入到模擬場景的制作中?！澳壳霸揭盎?、冬季兩項等項目的三維場景都在緊張的制作中，等非雪季提供給運動員使用。因為三維場景的精度很高，在厘米級，所以仿真性也會很好，我們的滑雪模擬器不僅可以實現(xiàn)左右滑，還有前后滑，甚至全坡道的模擬，和高精度三維地形完美結(jié)合?！?/p>

“精確到肌肉”的智能管理

“在速度滑冰運動中，主要是靠腳蹬冰來獲取動量。通過統(tǒng)計男女運動員起跑時身體左右兩側(cè)的各個夾角特征的平均值，可知相比于男運動員而言，女運動員膝蓋之間的夾角偏大，屈膝的幅度較小，可以適當(dāng)嘗試一下壓低身體重心，右側(cè)手臂夾角偏大，應(yīng)該適當(dāng)回收，提高身體穩(wěn)定性?！遍L春師范大學(xué)速滑隊的運動員接到了這樣一份智能化運動管理建議。

跳臺滑雪用何種姿勢起跳最好？速度滑冰如何控制身體與冰面角度？據(jù)悉，北理工宇航學(xué)院針對高山滑雪、越野滑雪、跳臺滑雪、速度滑冰等4類冬季運動項目，基于三維動作捕捉技術(shù)、空氣動力學(xué)、柔性傳感器技術(shù)、非接觸式生命體征檢測技術(shù)，研發(fā)了動作姿態(tài)采集與空氣動力學(xué)實驗分析系統(tǒng)、生理參數(shù)監(jiān)測與運動生物力學(xué)分析訓(xùn)練系統(tǒng)，建立人體骨骼肌肉、呼吸循環(huán)等生物力學(xué)模型，進(jìn)而對運動員在不同運動項目中的各個專項訓(xùn)練中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、匯總，為特定運動員提供個體化、智能化訓(xùn)練方案。

將智能管理“精確到肌肉”的還有上海體育學(xué)院的劉宇教授團(tuán)隊，據(jù)報道，團(tuán)隊通過采集跳臺滑雪運動員的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合可穿戴設(shè)備等新技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)啟動、肌肉控制等方法研究，建立數(shù)字化高速影像、冠軍選手模型、運動員心理分析、運動損傷防護(hù)等，為雪上技巧類項目提供理論和數(shù)據(jù)支撐，助力選手實現(xiàn)成績突破。

為無微不至地服務(wù)于運動員，一些高校還在運動員的穿戴上下了功夫。據(jù)媒體報道，北京服裝學(xué)院劉莉教授團(tuán)隊用減阻面料設(shè)計了最新款速滑競速服，采用新型的柱狀陣列式抗沖擊結(jié)構(gòu)和新型吸能緩震材料、防切割面料為高山滑雪、短道速滑選手設(shè)計了訓(xùn)練防護(hù)服、比賽用服。前不久，天津工業(yè)大學(xué)領(lǐng)銜的國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”積極保暖服裝研發(fā)項目組向備戰(zhàn)2022年北京冬奧會的運動員捐贈了可穿戴自加熱耐低溫服裝用品，在零下40℃的環(huán)境下，加熱面罩內(nèi)部溫度仍可達(dá)10℃左右，持續(xù)發(fā)熱1至3小時。

“團(tuán)隊隊員很不容易，但運動員比我們更辛苦。我們非常榮幸能為他們提供技術(shù)支持。冬奧漸漸臨近，希望每位運動員都能快樂訓(xùn)練，多出成績，為國爭光！”張海洋說。

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