人工智能在體育測(cè)評(píng)中的應(yīng)用

南京審計(jì)大學(xué) 蔣宇琨 王訓(xùn)誠(chéng)

在人工智能快速發(fā)展之前，校園體育測(cè)評(píng)多半為人工記錄，需要大量監(jiān)考人員投入時(shí)間和精力，但卻不能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。近年來(lái)，隨著人工智能、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)的發(fā)展，人們?cè)谌f(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代更能夠感受到人工智能在多種場(chǎng)景下的應(yīng)用。將人工智能與體育測(cè)評(píng)深度結(jié)合后，體測(cè)過(guò)程不僅變得更加快捷高效，還能夠大量減少人力資源投入、節(jié)約時(shí)間成本，更重要的是體測(cè)數(shù)據(jù)還能夠得到長(zhǎng)久的保存，從而方便考生進(jìn)一步追溯信息。本文基于一體化設(shè)備及智慧體測(cè)平臺(tái)的功能及優(yōu)勢(shì)，探討人工智能在體育測(cè)評(píng)中的應(yīng)用。

1 體育測(cè)評(píng)現(xiàn)狀綜述

從中小學(xué)到高校，身體素質(zhì)一直是學(xué)生考核的一項(xiàng)重要指標(biāo)。近年來(lái)，從政府到人民對(duì)于身體素質(zhì)的重視程度不斷提高。2020年10月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》，要求各地區(qū)部門(mén)結(jié)合實(shí)際，強(qiáng)化體育評(píng)價(jià)；2021年7月，雙減政策頒布后，學(xué)校更加注重學(xué)生的身體素質(zhì)教育。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)97%的小學(xué)生體測(cè)成績(jī)達(dá)到及格，而大學(xué)生卻不到90%。這說(shuō)明，隨著年齡增長(zhǎng)，學(xué)生身體素質(zhì)達(dá)標(biāo)率反而有所下降。

目前，體育測(cè)評(píng)現(xiàn)狀如下：

（1）體育教師資源緊張，測(cè)評(píng)過(guò)程中仍需要人工參與，效率過(guò)低。從2015-2019年，每位體育老師仍將負(fù)責(zé)超過(guò)200名學(xué)生的體測(cè)任務(wù)。除了日常工作之外，教師們還需要完成每年對(duì)學(xué)生的體質(zhì)測(cè)試，以及進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的整理、上報(bào)等工作，這給體育教師帶來(lái)了極大的工作壓力與身心負(fù)擔(dān)。在進(jìn)行體質(zhì)測(cè)試時(shí)，部分學(xué)校僅靠人工畫(huà)線、肉眼判斷，常常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。人工體測(cè)不僅效率較低，而且容易出錯(cuò)，影響結(jié)果的公正性、科學(xué)性。（2）成本高。部分機(jī)器由于需要高新技術(shù)的支撐，成本費(fèi)用明顯較高，但如此高額的費(fèi)用對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)難以負(fù)擔(dān)，以至于很多學(xué)校在引進(jìn)體育測(cè)試設(shè)備上猶豫不決。（3）學(xué)校場(chǎng)地?zé)o法滿足要求。大部分智能設(shè)備采用光電傳感技術(shù)，利用紅外線檢測(cè)作為主要技術(shù)。而部分學(xué)校由于場(chǎng)地不足、設(shè)備老舊等各種原因，無(wú)法滿足以上設(shè)備檢測(cè)的環(huán)境要求；又或者，需要通過(guò)高額重新布置場(chǎng)地以完成對(duì)學(xué)生的體育測(cè)評(píng)。不論何種方式，都會(huì)對(duì)學(xué)校造成較大的負(fù)擔(dān)。（4）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間不足。體育測(cè)試設(shè)備需要儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)，因此體測(cè)產(chǎn)品必須具備極大容量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫(kù)。而目前大部分學(xué)校采用的數(shù)據(jù)庫(kù)，并沒(méi)有在后臺(tái)或者云端設(shè)置容量足夠充足的儲(chǔ)存空間，這可能會(huì)導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)的遺失。學(xué)生也無(wú)法直接查看到自身歷次體測(cè)數(shù)據(jù)以及體測(cè)視頻，因此也很難有針對(duì)性地進(jìn)行體能訓(xùn)練，也無(wú)法追溯體測(cè)成績(jī)。（5）設(shè)備操作繁雜，不滿足個(gè)性化需求。中高考考場(chǎng)的體育測(cè)評(píng)設(shè)備應(yīng)當(dāng)以精簡(jiǎn)、便利、準(zhǔn)確為主，而目前部分體測(cè)產(chǎn)品需要通過(guò)人工組裝、拆卸等方式才能投入使用，甚至由于不夠靈活、零件過(guò)大、難以組裝等問(wèn)題常常給工作人員帶來(lái)麻煩。

2 人工智能在體育測(cè)評(píng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 緩解體育教學(xué)壓力，節(jié)約教育教學(xué)資源

曹明利等[1]提出，無(wú)人監(jiān)管條件下的自動(dòng)體測(cè)測(cè)評(píng)及打分系統(tǒng)有利于減輕教師監(jiān)考及成績(jī)錄入的壓力。智能體測(cè)設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需人工監(jiān)管便能夠完成自動(dòng)化收集、整理與分析體測(cè)數(shù)據(jù)的任務(wù)，并生成多維度數(shù)據(jù)報(bào)表。在算法方面，解決了困難狀態(tài)下目標(biāo)檢測(cè)和姿態(tài)識(shí)別的算法開(kāi)發(fā)。

2.2 體測(cè)過(guò)程更加高效準(zhǔn)確、公平權(quán)威

基于人工智能的無(wú)感知體測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)快速靈活部署，形成智能化體測(cè)流程，使得過(guò)程大幅度簡(jiǎn)化，并利用一鍵式數(shù)據(jù)傳輸方式提升效率。人工智能算法能夠達(dá)到極高的精確度，較大程度避免了師生在體測(cè)過(guò)程中因計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、測(cè)距產(chǎn)生的分歧。另外，計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像測(cè)距、人體姿態(tài)識(shí)別、人體動(dòng)作捕捉、虛擬格柵測(cè)距等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、測(cè)距、判定動(dòng)作是否規(guī)范等，也一定程度上提升了體測(cè)流程的公平和權(quán)威性。

2.3 體測(cè)數(shù)據(jù)追溯和結(jié)果復(fù)議更加便捷

將大數(shù)據(jù)分析運(yùn)用在體育測(cè)評(píng)中，用戶(hù)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、復(fù)盤(pán)和申訴。用戶(hù)獲得授權(quán)后便能夠在后臺(tái)查看得分和扣分情況，以及對(duì)應(yīng)的視頻、關(guān)鍵圖像數(shù)據(jù)等。同時(shí)，大數(shù)據(jù)得以在云平臺(tái)長(zhǎng)期儲(chǔ)存，學(xué)生及教師可以查看歷次體測(cè)結(jié)果，進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練，有助于觀測(cè)學(xué)生身體素質(zhì)變化，幫助提高體測(cè)成績(jī)。

2.4 基于現(xiàn)存數(shù)據(jù)進(jìn)行分析提供日常訓(xùn)練建議

智慧體測(cè)平臺(tái)不僅能夠評(píng)估考生的成績(jī)是否達(dá)標(biāo)、在同齡人中屬于何等水平，還能夠針對(duì)學(xué)生的薄弱之處提供日常訓(xùn)練建議。

3 可應(yīng)用于體測(cè)的人工智能技術(shù)介紹

3.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)與光電感應(yīng)技術(shù)

溫煦等[2]提出用可視化設(shè)備估算多關(guān)節(jié)健身操運(yùn)動(dòng)的能量消耗，目前部分人工智能技術(shù)已經(jīng)可以做到這一點(diǎn)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)使用攝像機(jī)和電腦進(jìn)行識(shí)別、測(cè)量和跟蹤等計(jì)算機(jī)視覺(jué)，并進(jìn)一步做圖形處理，使電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測(cè)的圖像。光電感應(yīng)技術(shù)具有非接觸、精度高、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，并且可以測(cè)試更多參數(shù)，大大突破了此前人工測(cè)量的瓶頸。在體育測(cè)評(píng)中，具有響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)距離長(zhǎng)、分辨率高、便于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量和顏色判別。

3.2 虛擬格柵測(cè)距與圖像測(cè)距

虛擬格柵測(cè)距將現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際距離轉(zhuǎn)化為視頻中的虛擬距離，使現(xiàn)實(shí)與虛擬相結(jié)合，以此獲取精確的體測(cè)成績(jī)。根據(jù)趙安慶等[3]提出的模型，測(cè)距儀測(cè)量精度可以做到1cm以?xún)?nèi)，大幅度避免攝像機(jī)存在畸變效果。在立定跳遠(yuǎn)、坐位體前屈等需要精確計(jì)算距離長(zhǎng)度的項(xiàng)目中，體測(cè)設(shè)備可以使用虛擬格柵技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)中的距離對(duì)應(yīng)到計(jì)算機(jī)上圖片的距離。

3.3 傳感器技術(shù)

傳感器的技術(shù)通過(guò)感知光線、氣體、人體、溫度濕度等，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，給中央處理器處理。在體育測(cè)評(píng)中，可用于肺活量吹氣測(cè)試等。

3.4 人體動(dòng)作捕捉與姿態(tài)識(shí)別技術(shù)

在體育測(cè)評(píng)中，類(lèi)似于仰臥起坐的項(xiàng)目對(duì)人體姿態(tài)要求較高，身體姿態(tài)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)體育成績(jī)有重要影響。人工智能技術(shù)通過(guò)高清攝像頭對(duì)學(xué)生體測(cè)實(shí)行全過(guò)程監(jiān)督，保證動(dòng)作捕捉時(shí)的完整性、準(zhǔn)確性。

4 人工智能在體育測(cè)評(píng)中的應(yīng)用

4.1 人工智能在檢錄中的應(yīng)用

人臉識(shí)別技術(shù)能夠快速鎖定用戶(hù)身份，避免了此前冗長(zhǎng)的錄入流程。學(xué)生可以在平臺(tái)上提前輸入身份信息，并錄入人臉圖像，生成獨(dú)自的賬號(hào)。在檢錄時(shí)，只需要進(jìn)行人臉圖像比對(duì)，便可以從后臺(tái)調(diào)度所需數(shù)據(jù)，節(jié)省大量時(shí)間。同時(shí)，人工智能在體測(cè)檢錄中的使用可以杜絕非本人測(cè)試的可能性，大大降低替考率。為了保證測(cè)評(píng)高效進(jìn)行，學(xué)生能夠提前線上預(yù)約考試時(shí)間段，在測(cè)試主機(jī)上刷身份證或校園卡進(jìn)行簽到。曹厚文等[4]提出使用讀卡器讀取校園卡中的基本信息，并對(duì)下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理。校園卡和人臉識(shí)別雙保險(xiǎn)，為檢錄流程提供了巨大方便。

4.2 人工智能在立定跳遠(yuǎn)中的應(yīng)用

人工智能動(dòng)作捕捉系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)的激光測(cè)距設(shè)計(jì)，更加著眼于測(cè)量動(dòng)作是否完整合規(guī)。一旦測(cè)試者腳尖觸碰到或超過(guò)了站立區(qū)禁止線，人工智能動(dòng)作捕捉系統(tǒng)將被觸發(fā)，自動(dòng)識(shí)別為起跳犯規(guī)動(dòng)作，同時(shí)伴隨著警鳴聲和語(yǔ)音提示，告知測(cè)試者動(dòng)作犯規(guī)。此外，除了跳遠(yuǎn)距離，人工智能的應(yīng)用還能夠捕捉到更多數(shù)據(jù)，例如起跳擺臂幅度、滯空高度、滯空時(shí)間、起跳下蹲角度等，并給予標(biāo)準(zhǔn)成績(jī)和動(dòng)作評(píng)價(jià)。利用智慧體測(cè)平臺(tái)，測(cè)試者能夠登錄賬戶(hù)查詢(xún)成績(jī)和數(shù)據(jù)，得知自己的扣分點(diǎn)，并利用歷次數(shù)據(jù)糾正錯(cuò)誤姿勢(shì)。人工智能評(píng)價(jià)模型能夠提供對(duì)立定跳遠(yuǎn)的定量分析，從而幫助學(xué)生和教師了解立定跳遠(yuǎn)動(dòng)作，促進(jìn)成績(jī)提高、減少運(yùn)動(dòng)損傷。黃國(guó)豪等[5]提出，結(jié)合生物學(xué)和人體力學(xué)后，人工智能系統(tǒng)還能夠輔助設(shè)計(jì)起跳、騰空和落地動(dòng)作，做到“定制”立地跳遠(yuǎn)姿態(tài)。由此，學(xué)生可以借助系統(tǒng)自行練習(xí)立定跳遠(yuǎn)，過(guò)程更具個(gè)性化、專(zhuān)業(yè)化。

4.3 人工智能在坐位體前屈中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的體育測(cè)試中，坐位體前屈設(shè)備往往帶有手推板，測(cè)試者為提高成績(jī)，有時(shí)會(huì)利用慣性推出手推板。同時(shí)，膝蓋處是否彎曲僅能靠自覺(jué)或人工監(jiān)測(cè)加以管理，不能保證所有測(cè)試者動(dòng)作合規(guī)。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的防犯規(guī)功能，能夠識(shí)別測(cè)試者人體關(guān)節(jié)關(guān)鍵點(diǎn)是否合規(guī)，同時(shí)，也能夠判斷其在前屈時(shí)是否有膝蓋彎曲等犯規(guī)動(dòng)作。除前屈距離外，融入人工智能的設(shè)備還能夠測(cè)量更多數(shù)據(jù)，例如腿部彎曲程度、身體彎曲程度、手臂彎曲度、肩膀下壓角度、前屈時(shí)長(zhǎng)等。大數(shù)據(jù)還可以為學(xué)生檢索配套的韌帶拉伸動(dòng)作，例如平臺(tái)監(jiān)測(cè)到學(xué)生肩膀柔韌度不夠，可以提供配套的肩部拉伸動(dòng)作，進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練。

4.4 人工智能在仰臥起坐中的應(yīng)用

人工智能在仰臥起坐中的應(yīng)用，主要應(yīng)當(dāng)以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為基礎(chǔ)，用于檢測(cè)、判別和記錄1min內(nèi)有效的仰臥起坐次數(shù)。在仰臥起坐的過(guò)程中，測(cè)試者的頭部、頸部、手部、雙手肘關(guān)節(jié)、臀部、雙腿膝關(guān)節(jié)、腳部都是關(guān)鍵評(píng)判點(diǎn)，測(cè)試設(shè)備主要通過(guò)關(guān)鍵部位動(dòng)態(tài)姿勢(shì)的檢測(cè)，來(lái)判斷測(cè)試者的動(dòng)作是否合規(guī)有效。同時(shí)，除了最為重要的仰臥起坐個(gè)數(shù)，智能動(dòng)作捕捉系統(tǒng)還能夠測(cè)量觸墊時(shí)長(zhǎng)、腰腿彎曲度、仰臥時(shí)長(zhǎng)、腿部彎曲度等數(shù)據(jù)。融入人工智能后，學(xué)生和教師能夠觀察到根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的爆發(fā)力指數(shù)和耐力指數(shù)。通過(guò)智能機(jī)械設(shè)備查看上升時(shí)間和下降時(shí)間，還能夠幫助學(xué)生有效控制時(shí)間。

4.5 人工智能在引體向上中的應(yīng)用

在體育測(cè)試中，引體向上主要考察上肢肌肉力量，對(duì)于考生的動(dòng)作規(guī)范有比較嚴(yán)格的要求。而由于引體向上動(dòng)作本身在最高處停留時(shí)間較短，監(jiān)考教師容易因疏忽造成觀察不到考生動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)。人體動(dòng)作捕捉、姿態(tài)識(shí)別技術(shù)和圖像測(cè)距，能夠幫助測(cè)量懸垂平均高度、握距、握距夾角、肘膝距離、離地距離等數(shù)據(jù)。借助智慧體測(cè)平臺(tái)，計(jì)算機(jī)能夠輔助計(jì)算出平均單個(gè)完成時(shí)間、懸垂平均高度、耐力指數(shù)、爆發(fā)力指數(shù)等，幫助學(xué)生進(jìn)行體能分析。

4.6 人工智能在其他測(cè)試中的應(yīng)用

在肺活量測(cè)試中，人工智能防犯規(guī)系統(tǒng)，能夠使學(xué)生在換氣時(shí)儀器自動(dòng)鎖定成績(jī)，避免肉眼檢測(cè)不到的作弊情況。在智能設(shè)備輔助下測(cè)量身高體重也更加方便，不需要傳統(tǒng)升降機(jī)測(cè)量身高。人工智能一體設(shè)備能夠同時(shí)顯示身高、體重、BMI值等數(shù)據(jù)，一次通過(guò)即可終止測(cè)試。800/1000m跑為室外耐力測(cè)評(píng)項(xiàng)目，不能夠讓考生佩戴沉重的設(shè)備。目前的長(zhǎng)跑測(cè)試以穿戴智能馬甲為主，雖然已經(jīng)很輕便，但仍然無(wú)法完全擺脫穿戴設(shè)備的負(fù)擔(dān)。將人工智能人臉識(shí)別應(yīng)用于測(cè)試后，可以實(shí)時(shí)捕捉保存測(cè)試過(guò)程中的視頻圖像，將測(cè)試沖刺過(guò)程記錄下來(lái)，并與學(xué)生特征進(jìn)行對(duì)比，判斷是否存在作弊的可能性，將測(cè)試視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)里，以便隨時(shí)調(diào)出回放。50m短跑與長(zhǎng)跑類(lèi)似，可以在起點(diǎn)和終點(diǎn)處放置人工智能設(shè)備桿，檢測(cè)學(xué)生搶跑情況，比肉眼觀察更加公平有效。沖刺階段，人工智能設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)保存測(cè)試過(guò)程中的視頻，以便回溯。當(dāng)測(cè)試學(xué)生的軀干通過(guò)終點(diǎn)線時(shí)，記錄測(cè)試成績(jī)。

5 展望

（1）多平臺(tái)聯(lián)動(dòng)。吳鳳彬等[6]提出，基于目標(biāo)導(dǎo)向管理的運(yùn)動(dòng)App在大學(xué)生體育鍛煉中能夠?yàn)橹笇?dǎo)大學(xué)生選擇科學(xué)有效的鍛煉行為提供參考。通過(guò)App、大數(shù)據(jù)平臺(tái)以及小程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在學(xué)生端提供便捷的測(cè)試流程、趣味化激勵(lì)學(xué)生參與評(píng)測(cè)，學(xué)生在手機(jī)端、平板端還有電腦端都可以觀察數(shù)據(jù)，成績(jī)?cè)u(píng)定與復(fù)議簡(jiǎn)單可視。（2）多方合作。智能設(shè)備制造商應(yīng)與各地區(qū)教育局、學(xué)校、政府達(dá)成合作，由教育局助力推廣，優(yōu)先在部分中小學(xué)日常體測(cè)中試點(diǎn)。未來(lái)，體測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)可以和當(dāng)下流行的體育健身軟件合作，根據(jù)學(xué)生身體素質(zhì)大數(shù)據(jù)分析，為學(xué)生配套日常的體能訓(xùn)練動(dòng)作，智能化地提供不同的方案與視頻。（3）持續(xù)健康干預(yù)。基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的尖端分析算法，可對(duì)學(xué)生運(yùn)動(dòng)過(guò)程做分析判斷，通過(guò)智能化系統(tǒng)分析運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，融入運(yùn)動(dòng)健康、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、課程建議等，并結(jié)合體育課程，給出持續(xù)的干預(yù)方案。由此打通全流程信息流，真正做到全面了解學(xué)生體質(zhì)健康狀況，有針對(duì)性地改善學(xué)生體質(zhì)健康狀況，持續(xù)改進(jìn)方法，創(chuàng)新體育工作，形成工作閉環(huán)和運(yùn)動(dòng)健康新風(fēng)尚。

人工智能在體育測(cè)評(píng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在采用先進(jìn)算法、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，能夠?yàn)閷W(xué)校學(xué)生提供一個(gè)更高效、公平、精確和權(quán)威的智能化體測(cè)服務(wù)，不僅為學(xué)生提供了便捷的體測(cè)流程，還能緩解體測(cè)壓力、節(jié)約教學(xué)資源。

引用

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