AI教練如何應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法提升游泳者水平

Yuri Zhovnirovsky 需要離開泳池休息一下，他是一名狂熱的游泳愛好者和水球運(yùn)動(dòng)員，在水中訓(xùn)練了很長時(shí)間。大學(xué)畢業(yè)后，他決定尋找另一條體育出路：Zhovnirovsky 嘗試競技自行車。在進(jìn)行一段時(shí)間后，他的鄰居還是將他勸回了游泳池。再次接觸泳池，他又想起在游泳上經(jīng)受的挫折?！霸俅位氐接境兀磺姓张f，”他說。“我仍要自己數(shù)游了多少圈、劃了多少次水。這就相當(dāng)于說，我在跑步時(shí)要自己數(shù)步數(shù)來計(jì)算跑了多遠(yuǎn)?！痹?Zhovnirovsky 參與自行車運(yùn)動(dòng)時(shí)，他利用可穿戴設(shè)備來跟蹤大量自行車運(yùn)動(dòng)指標(biāo) - 如力量、節(jié)奏、速度和高度。“各種指標(biāo)應(yīng)有盡有?！蓖瑯釉?a href="http://www.wenjunhu.com/v/" target="_blank">科技行業(yè)工作的 Zhovnirovsky 說。而在游泳運(yùn)動(dòng)上，沒有任何可穿戴設(shè)備可與那些跟蹤跑步或自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備相媲美?！拔蚁?，我有技術(shù)背景，我可以尋找解決方案?！?/p>

解決方案很巧妙：智能泳鏡。Zhovnirovsky 創(chuàng)立了 Ciye（讀作“see”；這是縮寫詞，表示“您眼中的教練”）公司來創(chuàng)建智能泳鏡并推向市場。在這款智能泳鏡中，“智能教練”模塊嵌入在左鏡片的左上角。該模塊有一個(gè)小顯示屏，顯示游泳者的圈速、圈數(shù)和分段時(shí)間（每圈時(shí)間），向左快速一瞥即可看到。新功能的開發(fā)和外形的的完善都在進(jìn)行中。Ciye 的智能泳鏡適用于所有游泳者，從業(yè)余游泳者到奧運(yùn)會(huì)運(yùn)動(dòng)員。

渾然天成的解決方案

Zhovnirovsky 在職業(yè)生涯中成長為成功的企業(yè)家。當(dāng)他再次開始游泳時(shí)，他已具備多年創(chuàng)業(yè)和擴(kuò)大經(jīng)營規(guī)模的經(jīng)驗(yàn)。他知道開發(fā) Ciye 智能泳鏡解決方案需要什么。他還有廣闊的目標(biāo)市場?！皟H在美國，每周去三次泳池的人至少有 2600 萬，”他說。計(jì)圈問題幾乎是普遍的難題。例如，一名 Ciye 測試人員每天游 9.5 公里（6 英里），在測試智能泳鏡之前，她需要通過心算跟蹤她的圈數(shù) - 總共 422 圈。Zhovnirovsky 說，“這是普遍存在的問題。當(dāng)你詢問游泳者游了多少圈時(shí)，大多數(shù)人說不清楚，因?yàn)閹缀鯚o人能記住四圈以上。”無法跟蹤游泳過程中的進(jìn)度還會(huì)阻礙游泳者提高水平的能力。“如果您與游泳者交談，他們抱怨最多的是如何衡量運(yùn)動(dòng)成績：我正在更改風(fēng)格，但我到底是變得更好了？更快了？還是越來越差了？”他說。“我很難獲得有關(guān)改變?nèi)绾斡绊戇\(yùn)動(dòng)成績的信息?！庇斡臼直碇惖脑O(shè)備已嘗試解決這些問題，但它們有很大的缺點(diǎn)。首先，手表戴在手臂上，游泳時(shí)手臂的運(yùn)動(dòng)讓傳感器不堪重負(fù)。它們?cè)诟櫲?shù)方面不是很準(zhǔn)確，如果您要檢查您的速度，需要將手腕移入視野中，而這會(huì)干擾您的劃水動(dòng)作。這些設(shè)備也無法在鍛煉過程中提供實(shí)時(shí)反饋。根據(jù)常識(shí)，Zhovnirovsky 認(rèn)為游泳者需要的解決方案要融入游泳日常用品。他說，“每個(gè)游泳者都會(huì)戴泳鏡。答案就非常明顯了?！?/p>

產(chǎn)品推出后會(huì)大受歡迎

Ciye 團(tuán)隊(duì)本身就由游泳愛好者組成，他們很清楚市場需要什么樣的智能泳鏡。如果能讓游泳者在不中斷泳姿的情況下查看游泳時(shí)間、休息時(shí)間和分段時(shí)間，他們就可以根據(jù)自己的目標(biāo)實(shí)時(shí)推進(jìn)或調(diào)整速度。Ciye 的智能泳鏡還需要?jiǎng)龠^市面上的主流智能泳鏡。這些主流智能泳鏡可以在游泳時(shí)向游泳者投影其數(shù)據(jù)，這很吸引人，但會(huì)妨礙游泳者的視線并引起不適。挑戰(zhàn)在于如何將智能泳鏡變?yōu)檎鎸?shí)產(chǎn)品。他們需要?jiǎng)?chuàng)建一種產(chǎn)品，可以準(zhǔn)確地感知和識(shí)別游泳中的各元素 - 開始游泳、停止游泳、游泳轉(zhuǎn)向、泳姿 - 并可以通過頭部的傳感器感知這些元素。當(dāng)檢測運(yùn)動(dòng)和方向時(shí)，九軸慣性測量單元（可穿戴設(shè)備中的一種常見傳感器，用于將加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)集成在一個(gè)設(shè)備中）會(huì)產(chǎn)生含噪信號(hào)。

Ciye 團(tuán)隊(duì)需要一個(gè) AI 模型，該模型能夠從錯(cuò)綜復(fù)雜的混亂的情況中梳理出相關(guān)的信號(hào)，并標(biāo)注特定的動(dòng)作，如仰泳或自由泳。Zhovnirovsky 說，“數(shù)據(jù)標(biāo)注是機(jī)器學(xué)習(xí)中最重要的活動(dòng)之一，也是最難大規(guī)模實(shí)現(xiàn)的。以我的經(jīng)驗(yàn)來看，它比算法本身更重要?！盋iye 需要的東西在當(dāng)時(shí)并不存在，因此該團(tuán)隊(duì)使用 MATLAB 創(chuàng)建了滿足他們需求的自定義數(shù)據(jù)標(biāo)注工具。除了運(yùn)行深度學(xué)習(xí)算法，這項(xiàng)技術(shù)還需要體積小、防水、電池壽命長。算法必須簡潔而強(qiáng)大?！拔覀儽仨毱胶馑惴ǖ男阅芎蛷?fù)雜性，”Ciye 數(shù)據(jù)科學(xué)總監(jiān) Koosha Davis 表示。Sadeghi 需要?jiǎng)?chuàng)建一種節(jié)省內(nèi)存和計(jì)算能力的算法，盡可能減少對(duì)電池的要求，以便傳感器能夠發(fā)揮最大能力。Sadeghi 使用 MATLAB 工具箱進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和信號(hào)處理，一次又一次地迭代算法。他基于 Ciye 的測試游泳者社區(qū)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法，這些測試游泳者會(huì)發(fā)送其鍛煉數(shù)據(jù)和游泳的詳細(xì)描述。泳鏡以超過 99% 的準(zhǔn)確度捕獲信息、識(shí)別劃水類型、劃水速率、圈數(shù)等。

游泳類型識(shí)別的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的優(yōu)化。（圖片所有權(quán)：Ciye）

Zhovnirovsky 說：“很難有一種高精度算法適用于如此龐大的人群。我們能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，很大程度上是因?yàn)?MATLAB 及其提供的工具?！痹?Ciye 掌握技術(shù)后，他們需要泳鏡來承載這項(xiàng)技術(shù)。Ciye 團(tuán)隊(duì)與 FINIS， Inc.（該公司開發(fā)并銷售改進(jìn)游泳方法和體驗(yàn)的產(chǎn)品）合作，共同開發(fā)這款采用可拆卸 Ciye 教練模塊的智能泳鏡。Ciye 模塊的大小和形狀類似于缺失尖端的吉他撥片，它卡在泳鏡左鏡片的外圍，看起來并不顯眼。該模塊的設(shè)計(jì)還支持客戶輕松更換塑料鏡片，而無需每次購買全新的教練解決方案。

但這正是這款智能泳鏡的魅力所在。佩戴泳鏡時(shí)，顯示部分位于游泳者的視野之外，僅當(dāng)眼睛向左瞟時(shí)才看得見。在那一瞥中，游泳者會(huì)看到顯示一些數(shù)據(jù)點(diǎn)的黑色圓形屏幕，其中包括圈數(shù)、每圈時(shí)間、休息時(shí)間和總時(shí)間，而且每次看到的都是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)游泳者轉(zhuǎn)身蹬離池壁開始新一圈時(shí)，泳鏡會(huì)顯示前一圈的時(shí)間和劃水次數(shù)。Zhovnirovsky 說，“它讓您不再浪費(fèi)時(shí)間去計(jì)數(shù)，只需專注于您的訓(xùn)練方法和成績。”泳鏡還可以跟蹤游泳的詳細(xì)信息，這些信息會(huì)在游泳后出現(xiàn)在 App 中。在該 App 中，除了實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)之外，用戶還可以獲得每次鍛煉的詳細(xì)明細(xì)，查看其總距離、平均速度和消耗的卡路里數(shù)。通過該 App，用戶還可以設(shè)置改進(jìn)目標(biāo)，并與其他游泳者聯(lián)系，為這項(xiàng)原本孤獨(dú)的運(yùn)動(dòng)增添社交元素。Zhovnirovsky 說，“該 App 可以幫助您保持游泳的動(dòng)力和社交聯(lián)系。我們希望它成為您眼中的個(gè)性化專職教練?！?/p>

虛擬教練

新冠肺炎疫情改變了人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，包括游泳界。這也讓人們開始關(guān)注虛擬工具在體育運(yùn)動(dòng)中的效用。Zhovnirovsky 說，“對(duì)我來說，在疫情期間擁有這款設(shè)備非常有用?！霸谝咔槠陂g，即使您能夠去泳池，您也非常孤獨(dú)，因?yàn)闊o法保持以前的社交?！比魏稳硕疾粦?yīng)呆在泳池周圍，教練也不行，而且游泳者在進(jìn)入泳池前和離開時(shí)都需要戴上口罩。智能泳鏡和 App 恢復(fù)了一些社交功能，同時(shí)確保運(yùn)動(dòng)員可以繼續(xù)訓(xùn)練。對(duì)于專業(yè)人士來說，虛擬教練不僅僅是工具，它的重要性不止于此。在 2021 年舉行的 2020 年東京夏季殘奧會(huì)期間，美國游泳運(yùn)動(dòng)員 Mallory Weggemann 沒有帶教練，因?yàn)槁眯邢拗?，教練員無法隨同運(yùn)動(dòng)員參賽。但 Weggemann 使用智能泳鏡記錄了她的游泳訓(xùn)練情況，并將數(shù)據(jù)發(fā)給教練，教練可以在幾個(gè)時(shí)區(qū)之外為她提供建議和支持。Weggemann 最終贏得兩枚金牌、一枚銀牌，并打破兩項(xiàng)殘奧會(huì)記錄。在另一個(gè)實(shí)例中，Ciye 團(tuán)隊(duì)將泳鏡帶到奧林匹克訓(xùn)練中心，讓德國國家隊(duì)試用。

Zhovnirovsky 說，“他們的進(jìn)步更快了?，F(xiàn)在他們隨時(shí)能看到時(shí)鐘，知道什么時(shí)候游得慢，什么時(shí)候游得快，促使他們更快地進(jìn)步?！?/p>

隨著在游泳市場初步取得成功，Ciye 正在將眼睛中的虛擬教練帶到其他運(yùn)動(dòng)中，為跑步者和騎車人開發(fā)智能太陽鏡。這些太陽鏡將能夠跟蹤與智能泳鏡類似的指標(biāo)值，如步數(shù)、距離、速度和活動(dòng)持續(xù)時(shí)間。目前的原型看起來像一副普通的運(yùn)動(dòng)太陽鏡，但內(nèi)置小電池和 Ciye 技術(shù)。最后，Zhovnirovsky 說，Ciye 計(jì)劃設(shè)計(jì)一種帶可拆解模塊的眼鏡，就像泳鏡一樣。全功能的太陽鏡目前仍處于原型階段，Zhovnirovsky 希望能夠在年底推出。

Ciye 團(tuán)隊(duì)還在研究太陽鏡和泳鏡的生物特征記錄功能。對(duì)于泳鏡，他們擁有一項(xiàng)通過頭部檢測心率的技術(shù)專利，正計(jì)劃在太陽鏡上實(shí)現(xiàn)類似功能。在 Zhovnirovsky 的設(shè)想中，這款太陽鏡不僅可以跟蹤心率，還可以測量血氧飽和度和計(jì)算最大攝氧量，即身體在激烈活動(dòng)中所消耗的最大氧氣量，反映心血管的健康狀況。在可穿戴健身設(shè)備中，Zhovnirovsky 認(rèn)為未來像 Ciye 這樣的產(chǎn)品將占據(jù)主流。他說，“為了在鍛煉時(shí)獲得實(shí)時(shí)反饋，科技將武裝到眼睛上。我們的使命為每個(gè)人配備虛擬教練?！?/p>

編輯：黃飛