如何使滑冰滑雪的動(dòng)作更精準(zhǔn)?如何在非雪季進(jìn)行雪上訓(xùn)練?……為備戰(zhàn)北京冬奧會(huì)，提升冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目訓(xùn)練水平，幾年來(lái)，由北京理工大學(xué)牽頭實(shí)施的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)“國(guó)家科學(xué)化訓(xùn)練基地建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目穩(wěn)步實(shí)施。一項(xiàng)項(xiàng)“黑科技”已經(jīng)或即將運(yùn)用于我國(guó)冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的訓(xùn)練中，助力“科技冬奧”，讓運(yùn)動(dòng)員在冰雪賽場(chǎng)上更快、更強(qiáng)!

“高精鏡頭”追蹤冰上軌跡

連日來(lái)，在首都體育學(xué)院的滑冰館內(nèi)，北理工光電學(xué)院儀器研究所副教授劉明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一遍遍測(cè)試設(shè)備。看臺(tái)上豎立著數(shù)臺(tái)圖像采集云臺(tái)變焦設(shè)備和超高清相機(jī)，劉明盯著4K顯示器中正在冰場(chǎng)內(nèi)滑冰的測(cè)試人員圖像，操作電腦，采集分析其運(yùn)動(dòng)軌跡。

他所負(fù)責(zé)的速度滑冰運(yùn)動(dòng)分析課題，旨在通過(guò)“云臺(tái)變焦運(yùn)動(dòng)軌跡采集與動(dòng)作捕捉分析”“冰場(chǎng)全景圖像采集與運(yùn)動(dòng)軌跡分析”兩套系統(tǒng)，對(duì)速度滑冰、短道速滑、花樣滑冰等冰上運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)作進(jìn)行分析，可精細(xì)解析單個(gè)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作軌跡，也可對(duì)多名運(yùn)動(dòng)員軌跡進(jìn)行同步分析。

“我們系統(tǒng)的作用就是把運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)連續(xù)變焦跟蹤特寫(xiě)及全景采集的方式記錄下來(lái)，再對(duì)其動(dòng)作和軌跡進(jìn)行分析，便于優(yōu)化技術(shù)動(dòng)作，幫助運(yùn)動(dòng)員、教練員實(shí)現(xiàn)科學(xué)化訓(xùn)練。”劉明說(shuō)。

此項(xiàng)目的最大特點(diǎn)是將云臺(tái)變焦技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)測(cè)量，運(yùn)動(dòng)員不需穿戴式設(shè)備，即便在很大范圍內(nèi)活動(dòng)，仍可精確獲得其運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。為滿足高精度測(cè)量需求，團(tuán)隊(duì)不斷改良鏡頭設(shè)計(jì)，在經(jīng)過(guò)7個(gè)版本的改進(jìn)后實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的平順、快速和高精度。兩臺(tái)全景相機(jī)具有高達(dá)單幀2500萬(wàn)像素的解析度，采集幀率每秒160幀，適合多人運(yùn)動(dòng)軌跡分析。

劉明說(shuō)，下一步團(tuán)隊(duì)將改進(jìn)升級(jí)系統(tǒng)，增加采集機(jī)位數(shù)量，提高圖像解析度，讓分析結(jié)果更精準(zhǔn)。“希望我們的設(shè)備產(chǎn)品能盡快運(yùn)用于冰上運(yùn)動(dòng)甚至是田徑項(xiàng)目的教學(xué)和訓(xùn)練中，提升運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)，這將是我們最大的光榮!”

無(wú)人機(jī)掃描搭建“仿真雪場(chǎng)”

在茫茫雪原上高速疾馳，忽而起伏顛簸，忽而側(cè)身轉(zhuǎn)彎……在北理工光電學(xué)院，“冬季項(xiàng)目場(chǎng)景三維感知及重建技術(shù)”課題組的張海洋正在電子屏上展示其用三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)搭建的崇禮滑雪場(chǎng)場(chǎng)景，讓人身臨其境。他身旁，擺放著兩架搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)。

“我們通過(guò)測(cè)量跳臺(tái)滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季兩項(xiàng)等項(xiàng)目的三維場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，利用VR(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)把場(chǎng)景信息顯示出來(lái)，再加上運(yùn)動(dòng)員跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)場(chǎng)景顯示，用于運(yùn)動(dòng)員在室內(nèi)的仿真訓(xùn)練。”張海洋說(shuō)。

不同雪場(chǎng)環(huán)境不同，要做到真實(shí)還原，需收集大量實(shí)地?cái)?shù)據(jù)。為此，研究團(tuán)隊(duì)利用無(wú)人機(jī)載、車載的激光雷達(dá)系統(tǒng)，奔赴北京、河北、吉林等地多個(gè)滑雪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描和測(cè)試，還通過(guò)運(yùn)動(dòng)員穿戴的傳感器，收集其在雪場(chǎng)運(yùn)動(dòng)信息，再反饋到顯示系統(tǒng)中。

運(yùn)動(dòng)員模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)重建精度、低溫和實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫娑家髧?yán)格，尤其是低溫的挑戰(zhàn)特別大。有的雪場(chǎng)方圓幾平方公里，有的場(chǎng)地落差近千米，用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)掃描效率較高，但無(wú)人機(jī)在零下20攝氏度以下就功效下降，為此團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)出適合低溫環(huán)境運(yùn)行的無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。

“目前我們的相關(guān)成果已應(yīng)用于國(guó)家隊(duì)，可減少運(yùn)動(dòng)員在非訓(xùn)練時(shí)的損傷，提高運(yùn)動(dòng)效率，給教練員提供技術(shù)幫助。”張海洋希望，讓技術(shù)成果惠及更多運(yùn)動(dòng)員。

室內(nèi)仿真模擬“高山滑雪”

在北理工一間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，自動(dòng)化學(xué)院研究生曹洪卿正穿戴好傳感器裝備，走上12米長(zhǎng)的鋼制滑臺(tái)，踏上滑臺(tái)上一副模擬雪橇，面對(duì)巨大電子屏上的滑雪場(chǎng)景畫(huà)面，開(kāi)始急速左右擺動(dòng)滑行。

因參與“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓(xùn)練系統(tǒng)”的課題，曹洪卿專門(mén)參加了滑雪培訓(xùn)，以親身測(cè)試這套室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備的效果。“在滑臺(tái)上主要是做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在上面練習(xí)挺累的，但有真實(shí)雪道的體驗(yàn)，可達(dá)到滑雪訓(xùn)練的目的。”他說(shuō)。

據(jù)悉，此項(xiàng)目主要是為高山滑雪、越野滑雪等項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員提供室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備，以提升其回轉(zhuǎn)、滑行等專項(xiàng)技術(shù)動(dòng)作的訓(xùn)練效率。同時(shí)，通過(guò)在滑雪訓(xùn)練平臺(tái)上安裝運(yùn)動(dòng)形態(tài)識(shí)別與位姿測(cè)量系統(tǒng)，可采集分析運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，為科學(xué)化訓(xùn)練提供指導(dǎo)依據(jù)。

課題組負(fù)責(zé)人、北理工自動(dòng)化學(xué)院教授劉向東介紹，這套設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是讓運(yùn)動(dòng)員在非雪季也能在室內(nèi)展開(kāi)滑雪訓(xùn)練，滑臺(tái)上的滑行速度可達(dá)百公里的時(shí)速。運(yùn)動(dòng)員全身關(guān)節(jié)處的17個(gè)傳感器，可精準(zhǔn)反映其姿態(tài)動(dòng)作數(shù)據(jù)，幫助教練評(píng)估參考。此外，這套設(shè)備的通用型產(chǎn)品還在滑臺(tái)下加裝了運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)，有高低、傾斜、偏轉(zhuǎn)變化，通過(guò)各角度幫助運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練。相關(guān)設(shè)備已用于國(guó)家高山滑雪隊(duì)運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練。

“北京冬奧會(huì)越來(lái)越近，希望我們的研究成果能促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練，助力科技冬奧在訓(xùn)練技術(shù)方面的提升，做出我們的貢獻(xiàn)。”劉向東說(shuō)。(魏夢(mèng)佳、馬曉冬)