三維動(dòng)作捕捉技術(shù)：給教練員裝上了“第三只眼”
來(lái)源：中國(guó)數(shù)字科技館
2021年1月，張家口崇禮區(qū)的國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心“雪如意”，室外氣溫將近零下40℃，幾個(gè)背著巨大器材包的人影在雪白的山頂上慢慢移動(dòng)。
他們的工作，就是在設(shè)置好的捕捉點(diǎn)架設(shè)捕捉運(yùn)動(dòng)影像的攝像機(jī)，通過(guò)人工智能輔助系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)員起跳角度、空中姿態(tài)、速度、距離等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維動(dòng)作捕捉和技術(shù)分析，幫助運(yùn)動(dòng)員提高訓(xùn)練水平，助力中國(guó)跳臺(tái)滑雪健兒備戰(zhàn)北京冬奧會(huì)。
位于河北省張家口市崇禮區(qū)的國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心“雪如意” 圖片來(lái)源/新華社
不夸張地說(shuō)，三維動(dòng)作捕捉技術(shù)相當(dāng)于給教練員裝上了“第三只眼”。
對(duì)于跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，滑行的速度、起跳的時(shí)機(jī)與方向、手臂擺動(dòng)的角度、自身的狀態(tài)等，都會(huì)影響成績(jī)。由于各個(gè)動(dòng)作的瞬時(shí)性，在傳統(tǒng)訓(xùn)練過(guò)程中，為了讓運(yùn)動(dòng)員每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)動(dòng)作都達(dá)到“最優(yōu)”，教練員的做法通常是用視頻記錄，然后回放分析。
然而，受觀測(cè)距離、角度等方面影響，這一做法也有一定局限性。有關(guān)研究人員介紹道：“運(yùn)動(dòng)員在畫面中很小，很難發(fā)現(xiàn)諸如手臂擺動(dòng)角度、膝踝距離差等方面的細(xì)微差別，而這些恰恰對(duì)于成績(jī)影響很大。”
幸好，在科技的加持下，這一問(wèn)題有了解決方案。
在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——“冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海體育學(xué)院科學(xué)研究院院長(zhǎng)劉宇帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)適合雪上運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)效率和運(yùn)動(dòng)能力提升的神經(jīng)—生物力學(xué)增強(qiáng)技術(shù)與干預(yù)模式，利用人工智能輔助系統(tǒng)捕捉運(yùn)動(dòng)員三維動(dòng)作信息，包括起跳開(kāi)始蹬伸距離、起跳時(shí)下肢三個(gè)關(guān)節(jié)的角度、身體姿態(tài)、飛行初期的攻角、雪板的仰角等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，幫助教練員和運(yùn)動(dòng)員掌握分析每一個(gè)時(shí)刻的技術(shù)動(dòng)作細(xì)節(jié)。
跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目中，教練員可通過(guò)人工智能輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程的三維捕捉分析。圖為虛擬數(shù)字人在起跳時(shí)的核心生物力學(xué)指標(biāo)展示 圖片來(lái)源/上海體育學(xué)院
2021年8月，這一輔助系統(tǒng)又取得了新的突破。根據(jù)使用方建議，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將在滑道側(cè)面的多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位，如距離出發(fā)臺(tái)20m、40m、60m、80m、100m、落地區(qū)等架設(shè)實(shí)時(shí)高速視頻攝制系統(tǒng)，并基于單目相機(jī)的人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員上述關(guān)鍵位置的三維動(dòng)作捕捉分析。同時(shí)通過(guò)自動(dòng)控制的機(jī)器搖臂實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員全過(guò)程及關(guān)鍵點(diǎn)位動(dòng)作的記錄，并快速生成有關(guān)數(shù)據(jù)。有關(guān)視頻和生物力學(xué)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員，便于后續(xù)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作分析等工作的進(jìn)行。
與此同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還利用可穿戴傳感器技術(shù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員全程速度、加速度及其雪板進(jìn)行空間位置精確跟蹤、測(cè)定，優(yōu)化其動(dòng)作控制。
安裝測(cè)試標(biāo)定架 圖片來(lái)源/上海體育學(xué)院
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“科技冬奧”專項(xiàng)主要科研人員、上海體育學(xué)院副教授伍勰表示：“我們拍攝范圍非常廣，一幀幀畫面疊加，可以看到整個(gè)動(dòng)作，起跳的地方，有4臺(tái)攝像機(jī)捕捉數(shù)據(jù)，之后每隔20米，一直到落地，都有攝像機(jī)去捕捉全程數(shù)據(jù)。然后在科研服務(wù)車上，我們做一些數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示在大屏幕上?！?/P>
一名運(yùn)動(dòng)員的報(bào)告就有十幾頁(yè)，在反饋信息量非常大的情況下，他們會(huì)先給教練員最關(guān)鍵指標(biāo)的簡(jiǎn)報(bào)表，再根據(jù)需求提供更細(xì)致的數(shù)據(jù)報(bào)告。而這個(gè)最關(guān)鍵指標(biāo)，主要通過(guò)前期對(duì)訓(xùn)練隊(duì)的跟蹤，來(lái)確定相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)、需要提高的指標(biāo)。使用方表示，這位數(shù)字“教練”提供的數(shù)據(jù)對(duì)于診斷運(yùn)動(dòng)員各環(huán)節(jié)動(dòng)作的短板、加快提高成績(jī)很有幫助。
撰文：趙玲
編輯：吉菁菁
科學(xué)性審核：霍波 北京理工大學(xué)宇航學(xué)院教
