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在8月初舉行的東京奧運會女子投擲項目比賽中，中國選手鞏立姣和劉詩穎發(fā)揮出色，分獲鉛球和標(biāo)槍金牌。鞏立姣更以20米58創(chuàng)造了個人最好成績，也為中國隊贏得奧運會田賽項目首枚金牌。

賽后，中國田徑協(xié)會發(fā)來感謝信，感謝北京體育大學(xué)用科技手段為中國投擲運動員在技術(shù)環(huán)節(jié)上找到了實現(xiàn)自我突破的“關(guān)鍵一招”。

“我們用人工智能技術(shù)對運動員的動作技術(shù)進(jìn)行分析，提出改進(jìn)建議，以科技手段助運動員一臂之力。”北京體育大學(xué)運動與健康研究院院長劉卉教授說。記者采訪了解到，這項在東京奧運會嶄露頭角的技術(shù)系統(tǒng)，目前也正在為積極備戰(zhàn)北京冬奧會的中國運動員不斷改進(jìn)升級提供服務(wù)。

突破傳統(tǒng)動作捕捉方法局限

用生物力學(xué)方法研究人體運動，需要對所做動作進(jìn)行定量分析，基礎(chǔ)前提離不開數(shù)據(jù)。

快速高質(zhì)量地獲得運動員動作技術(shù)數(shù)據(jù)，是當(dāng)前急需攻克的一項關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)動作捕捉技術(shù)，要么需要在人體固定反光標(biāo)記點或慣性傳感器，要么需要人工識別人體關(guān)節(jié)點。

“前者不能在比賽中使用，后者則因為工作量大、耗時長、重復(fù)性差，嚴(yán)重影響動作技術(shù)分析的反饋速度和可靠性，限制了生物力學(xué)在助力競技體育中的應(yīng)用。”劉卉解釋道。

如何破困局?劉卉團(tuán)隊利用基于深度學(xué)習(xí)原理的人工智能技術(shù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)對動作視頻中人體關(guān)節(jié)點的計算機(jī)自動識別，進(jìn)而建立起適用于競技體育和一般生物力學(xué)研究的計算機(jī)系統(tǒng)——無反光點人體運動自動捕捉人工智能系統(tǒng)。

作為科技冬奧重點專項“冬季項目運動員專項能力特征和科學(xué)選材關(guān)鍵技術(shù)研究”課題負(fù)責(zé)人，劉卉告訴科技日報記者，該系統(tǒng)已應(yīng)用在國家速度滑冰和越野滑雪項目的訓(xùn)練中，獲得超過8000人次的賽時動作技術(shù)數(shù)據(jù)，使機(jī)器深度學(xué)習(xí)越發(fā)“得心應(yīng)手”，對于滑冰與滑雪運動員的動作捕捉與技術(shù)分析，既能精準(zhǔn)到具體細(xì)節(jié)，又能快速反饋分析結(jié)果。

多項算法技術(shù)確保自動識別快速準(zhǔn)確

研究中，劉卉團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，運動視頻自動解析至少需要解決“跟得住”“識別準(zhǔn)”“精度高”三個問題。

運動現(xiàn)場拍攝視頻，畫面環(huán)境復(fù)雜多樣。課題組在常用的運動人體跟蹤算法中結(jié)合了光流跟蹤技術(shù)，即通過動作量的多少、動作幅度的大小來準(zhǔn)確鎖定主ID(身份人物)，有效規(guī)避快速運動造成的影像模糊，減小復(fù)雜背景等因素干擾，確保能夠“跟得住”。

同時，對大量已標(biāo)記的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，利用計算機(jī)系統(tǒng)形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可識別不同運動姿態(tài)的人體關(guān)節(jié)點，達(dá)到“識別準(zhǔn)”。

此外，該系統(tǒng)具有對每一幀圖像的關(guān)節(jié)點進(jìn)行獨立計算的功能，如何減小獨立計算時關(guān)節(jié)點位置的隨機(jī)誤差?劉卉介紹，運用算法增加對連續(xù)運動的時間約束，即識別出各個關(guān)節(jié)點的高頻誤差并把它排除掉，以此修正關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)，最終獲得高精度計算結(jié)果。

“從2019年起，經(jīng)過數(shù)個版本的迭代升級，該系統(tǒng)已能快速準(zhǔn)確地自動識別運動視頻中的人體關(guān)節(jié)點，對旋轉(zhuǎn)、翻滾等人體動作也能進(jìn)行比較好的自動識別。”劉卉說，系統(tǒng)合成并輸出所有識別點的三維坐標(biāo)，支持多視頻批量自動解析與指標(biāo)計算。

劉卉告訴科技日報記者，如果系統(tǒng)采用的是工業(yè)錄像機(jī)，數(shù)據(jù)的傳輸與處理往往在1—3分鐘就可完成。“這將對技巧類運動員深刻體驗競技狀態(tài)、掌握技術(shù)要領(lǐng)起到至關(guān)重要的作用。”她說。

高空動作捕捉不再是難事

據(jù)了解，這一系統(tǒng)還提供多種空間三維標(biāo)定方案，可解決大范圍、高空動作的數(shù)據(jù)采集問題。

這是多大范圍?劉卉表示，縱橫20—30米的空間范圍都可覆蓋。尤其是針對跳臺滑雪空中技巧類的項目，能夠為教練員很難用肉眼識別的技術(shù)細(xì)節(jié)找尋改進(jìn)的空間。

目前，該系統(tǒng)已被用于鋼架雪車、花樣滑冰、跳臺滑雪等項目的國家隊備戰(zhàn)訓(xùn)練工作，將為運動員備戰(zhàn)北京冬奧會提供重要科技支撐。(科技日報記者 何亮 付麗麗)