走近冬奧：“電子眼”成“神助攻”

何娟

劉明帶領團隊在雪地進行儀器實驗。

第32屆夏季奧林匹克運動會正式落下帷幕，中國軍團完美收官，人們的關注焦點也很快從東京回到北京，期待2022年冬季奧林匹克運動會在這座“雙奧之城”開啟“冰雪盛宴”。

盡管夏日炎炎，但備戰(zhàn)冬奧的腳步不曾停歇。賽場運動分析系統(tǒng)、冰上項目仿真訓練器材、虛擬冰雪賽道場景……層出不窮的高科技設備，為體育事業(yè)貢獻“智慧大腦”，全方位支持運動健兒。北京理工大學牽頭實施的“科技冬奧”重點專項課題組實施3年以來，先后為冬奧項目打造多套輔助訓練系統(tǒng)，幫助運動員增加“制勝砝碼”。

高精尖“電子眼”助力訓練

姿勢是否標準、動作是否規(guī)范、變速是否合理……考核運動員訓練，以前主要依靠教練員的“火眼金睛”，但面對高山滑雪等特殊運動，運動員的速度、方向、姿態(tài)飛速轉(zhuǎn)變，教練員還是會存在“心之所向，目有所不及”的無奈。

2021年春，北京理工大學光電學院儀器研究所副教授劉明帶隊遠赴長白山，配合國家滑雪隊訓練。通過劉明調(diào)研，他發(fā)現(xiàn)運動員、教練員都有拍攝訓練視頻的需求，而現(xiàn)有的專業(yè)設備在戶外又缺乏便攜性和能動性，并且成本昂貴、操作復雜，“受制于場地環(huán)境等因素，他們主要是借助手機、平板電腦等設備，最終出來的視頻畫質(zhì)不好，畫面也很抖，參考價值并不高”。

劉明的主要研究方向是智能測量與儀器系統(tǒng)，早在“科技冬奧”重點專項課題啟動初期，他就帶領團隊在相關領域攻堅克難，先后研發(fā)出運動軌跡采集與動作捕捉分析、全景圖像采集與運動軌跡分析兩套系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，至少有兩臺相機分別于不同位置拍攝運動場地，并自動拼接生成全景視圖。這套設備還能對運動員進行實時跟蹤，呈現(xiàn)運動員的運動軌跡、動作細節(jié)，實現(xiàn)位置投影和運動過程的再現(xiàn)。“運動員飛速滑行、跳躍等任何動態(tài)，我們都能精準鎖定每一個瞬間。”通過高精尖“電子眼”，全方位追蹤拍攝記錄，實現(xiàn)自動變焦，橫掃視覺盲區(qū)。針對采集成果，劉明又單獨打造一套內(nèi)部網(wǎng)絡系統(tǒng)，以便運動員和教練員在每次訓練結(jié)束后，都能第一時間從云端直接獲取高清素材。

劉明團隊研發(fā)的這兩套系統(tǒng)，除了能最大范圍采集信息，實現(xiàn)位置投影和運動再現(xiàn)，滿足運動員的基本需求，還能通過精準的算法進行數(shù)據(jù)分析，對訓練提出參考意見。“我們的運動員站在哪個賽道上比較有優(yōu)勢、什么時候彎道超車的效果最好、什么時候又該適當減速、關鍵性動作有沒有失誤……在大數(shù)據(jù)的指導下，可以有針對性地輔助運動員進行精細化的體育訓練。”劉明相信，通過圖像采集與數(shù)據(jù)分析的“神助攻”，運動員一定可以在日復一日的訓練中看到自己的進步，“通過觀摩訓練視頻，在正式走上競技賽場之前反復跟自己比賽，發(fā)現(xiàn)錯誤、改正錯誤，調(diào)整戰(zhàn)略，實現(xiàn)競技狀態(tài)和成績的最優(yōu)化。”劉明說。

從進口選材到國產(chǎn)優(yōu)先

針對高山滑雪、短道速滑等項目進行全方位圖像采集和專業(yè)化數(shù)據(jù)分析，對成像的精準度要求非常之高。一開始，劉明選擇采購國外進口的品牌相機，但測試效果卻不如人意。隨后，他改用國產(chǎn)工業(yè)相機，并根據(jù)實際需要進行科學改造，提高鏡頭分辨率，增加運動機構(gòu)數(shù)量，精確視覺算法，優(yōu)化自動變焦機能，最終不僅實現(xiàn)了比進口相機更好的拍攝效果，而且大幅降低了設備成本。

除了影像設備，在其他裝備的選材上，他也把關注的目光更多地投向了國內(nèi)市場。“國內(nèi)的器材首先是價格比較便宜，而且操作相對簡單。此外，與廠家的溝通成本也要低很多，而且對方的服務態(tài)度特別好，這也很大程度地幫我們提高了研發(fā)效率。”采訪期間，劉明多次接到來自快遞員、設備廠家的電話，談話多次被中斷，他則耐心跟記者分享自己在國貨市場發(fā)現(xiàn)的“新大陸”。“比如這個云臺上的發(fā)電機，我們一開始是用日本的，線路特別復雜，給我們造成了很大的困擾。后來選用了國產(chǎn)的，價格便宜大約3000塊錢，而且大大簡化了線路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了系統(tǒng)關鍵部件之間連接的可靠性。同時，運行性能也基本滿足實際測量的需要。”

在劉明工作室的辦公桌上，還有各種大大小小的快遞包裹，分分鐘給人以“網(wǎng)購達人”的形象。他解釋說，“因為研發(fā)過程需要反復進行各種實驗，有時候就買那種可替代的、更便宜的先試著，疫情期間，網(wǎng)購是能最快獲得全國各地各種材料的便捷途徑。”為了節(jié)省成本，劉明總能在多個網(wǎng)購平臺找到物美價廉的工具和材料，甚至連兒子DIY的益智電動軌道玩具車，都被他“征用”拿到工作室，作為實驗替代品。“你可別小看這一堆塑料玩具，我們做軌跡分析跟蹤測試就是用的這輛車。”劉明笑著說。

國家需要什么我們就做什么

從春到夏，從長白山的天然雪山，到四川成都的人工雪場，劉明及其團隊緊跟國家滑雪隊，致力于為奧運健兒提供更好的服務、更強大的科技支撐。“我們再苦再累都不及運動員，又有什么不能堅持的呢？運動員出征冬奧會是為國爭光，我們能為他們服務也算是為國效力。”劉明說。

令劉明欣慰的是，有多位學生自發(fā)參與“科技冬奧”的課題，并在暑假自愿留校繼續(xù)進行科學研究。

楊鵬是較早加入“科技冬奧”專項研究的學生之一，電影《奪冠》中的一幕讓他印象深刻，“美國女排可以借助非常專業(yè)的高科技設備，幫助她們分析賽事利弊、剖析競爭對手的短處和痛點，而當時的中國在技術(shù)手段方面，就比較落后，容易吃虧”。楊鵬表示，他希望竭盡所能發(fā)揮所學，為代表祖國出戰(zhàn)的運動員貢獻自己的力量。另一名叫作李朋宇的學生則多次跟隨劉明外出考察，通過參加項目組的課題研究，不僅鞏固了專業(yè)課的理論知識，還掌握了電路焊接、硬件設計等多項技能。

不久前，劉明又接到了國家體育總局下達的新任務，要求他為國家冰雪運動科研訓練基地研發(fā)冰上軌跡測量設備。這一整個暑假，作為大學教師的劉明都忙碌而充實著，“國家需要什么，我們就全力以赴去做”。