北京理工大學(xué)“黑科技”助力北京冬奧會

在數(shù)臺圖像采集云臺變焦設(shè)備和超高清相機(jī)的“眾目睽睽”之下，4K顯示屏上準(zhǔn)確“捕捉”冰場內(nèi)不斷閃動的運(yùn)動員身影，電腦終端則同步分析其運(yùn)動軌跡。

這只是北京理工大學(xué)牽頭實(shí)施的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——國家科學(xué)化訓(xùn)練基地建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項(xiàng)目中最新亮相的成果之一。日前，揭開神秘面紗的一項(xiàng)項(xiàng)“黑科技”，有望幫助運(yùn)動員在冬奧會賽場上做到更快、更強(qiáng)。

高精度鏡頭精準(zhǔn)“捕捉”運(yùn)動員冰上軌跡

圍繞科學(xué)備戰(zhàn)北京冬奧會，有效提升冬季運(yùn)動項(xiàng)目訓(xùn)練水平，連日來，在首都體育學(xué)院的滑冰館內(nèi)，北京理工大學(xué)光電學(xué)院儀器研究所副教授劉明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，一遍又一遍地測試一種助力北京冬奧會的“黑科技”。

劉明團(tuán)隊(duì)所負(fù)責(zé)的這種“黑科技”，其實(shí)是一個(gè)速度滑冰運(yùn)動分析課題，主要是借助“云臺變焦運(yùn)動軌跡采集與動作捕捉分析”“冰場全景圖像采集與運(yùn)動軌跡分析”兩套系統(tǒng)，記錄運(yùn)動員的速度滑冰、短道速滑、花樣滑冰等冰上運(yùn)動軌跡和動作，并進(jìn)行分析，然后精準(zhǔn)分析每一個(gè)運(yùn)動員的動作軌跡，甚至還可以對多位運(yùn)動員的運(yùn)動軌跡進(jìn)行同步解析。

“冰上運(yùn)動多為室內(nèi)項(xiàng)目，無法使用GPS準(zhǔn)確捕捉運(yùn)動員運(yùn)動的軌跡。而我們系統(tǒng)的作用，就是把運(yùn)動員的運(yùn)動過程，通過連續(xù)變焦跟蹤特寫及全景采集的方式記錄下來，再對其動作和軌跡進(jìn)行分析，便于優(yōu)化技術(shù)動作，幫助運(yùn)動員、教練員實(shí)現(xiàn)科學(xué)化訓(xùn)練?！眲⒚鹘榻B，不久的將來，這個(gè)項(xiàng)目成果落地后，將為北京冬奧會冰上項(xiàng)目訓(xùn)練提供科技助力，為幫助運(yùn)動員制定訓(xùn)練計(jì)劃、研究比賽策略等提供精確參考。

這項(xiàng)“黑科技”的最大特點(diǎn)，是將云臺變焦技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動測量，運(yùn)動員不需穿戴式設(shè)備，即便在很大范圍內(nèi)活動，運(yùn)動數(shù)據(jù)仍可被精確測量。為了滿足高精度的測量需求，研究團(tuán)隊(duì)目前還在不斷改良鏡頭設(shè)計(jì)。改進(jìn)7個(gè)版本后，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了測量過程的平順、快速和高精度。其中，兩臺全景相機(jī)具有高達(dá)單幀2500萬像素的解析度，采集幀率每秒160幀，適合多人運(yùn)動軌跡的同步分析。

劉明說，下一步，團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步改進(jìn)升級系統(tǒng)，增加采集機(jī)位數(shù)量，提高圖像解析度，讓分析結(jié)果更加精準(zhǔn)。

三維感知技術(shù)為運(yùn)動員提供高沉浸感訓(xùn)練環(huán)境

運(yùn)動員要想獲得好的競賽成績，日常的模擬訓(xùn)練尤為關(guān)鍵。在真實(shí)的雪地環(huán)境里，運(yùn)動員模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對重建精度、低溫和實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫嬉髧?yán)格，尤其需要克服低溫所帶來的挑戰(zhàn)。有的雪場方圓數(shù)平方公里，有的場地落差近千米，用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)掃描效率較高，但無人機(jī)在零下20攝氏度以下功效會大幅下降。

北京理工大學(xué)冬季項(xiàng)目場景三維感知及重建技術(shù)課題組研發(fā)的高精度機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，將有望破解這一技術(shù)難題。

在北京理工大學(xué)光電學(xué)院，課題研究者張海洋正對著電子屏，緊張地測試用三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)搭建的崇禮滑雪場場景。

為了向2022年冬奧會的雪上項(xiàng)目訓(xùn)練提供科技支持，從2018年8月起，由光電學(xué)院趙長明教授牽頭的課題組成員，就開始了“冬季項(xiàng)目場景三維感知及重建技術(shù)”的研究工作，并根據(jù)冬奧項(xiàng)目的訓(xùn)練需求，進(jìn)一步研發(fā)了“運(yùn)動員運(yùn)動信息多源實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)”。

兩年來，團(tuán)隊(duì)跟隨國家隊(duì)采集了大量雪場和運(yùn)動員訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并緊跟運(yùn)動隊(duì)訓(xùn)練需求進(jìn)行科研開發(fā)，為多個(gè)雪上運(yùn)動項(xiàng)目訓(xùn)練提供了技術(shù)支持。張海洋說：“我們通過測量跳臺滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季兩項(xiàng)等項(xiàng)目的三維賽道數(shù)據(jù)，利用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)把場景信息重建和顯示出來。配合所采集到的高精度運(yùn)動員運(yùn)動信息，建立了一套運(yùn)動信息多源實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，幫助教練員糾正訓(xùn)練動作和提高訓(xùn)練效率，同時(shí)還能用于運(yùn)動員在室內(nèi)的仿真訓(xùn)練?！?/p>

然而，不同的雪場，環(huán)境有所不同。而要做到真實(shí)還原雪地場景，就需要收集大量的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)。為此，研究團(tuán)隊(duì)利用無人機(jī)載和車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，分赴北京、河北、吉林等地多個(gè)滑雪場進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描、測試，同時(shí)還通過運(yùn)動員穿戴的傳感器，收集其在雪場運(yùn)動信息，再反饋“裝”入顯示系統(tǒng)中。

目前，該團(tuán)隊(duì)的相關(guān)成果已應(yīng)用于國家隊(duì)的日常訓(xùn)練中。這些成果可減少運(yùn)動員在非訓(xùn)練時(shí)的損傷，提高運(yùn)動效率，給教練員的指導(dǎo)提供必要的技術(shù)支持。

人體高速彈射裝置為冰雪訓(xùn)練精準(zhǔn)控制速度

在速度滑冰運(yùn)動中，掌握彎道處的滑行技術(shù)是制勝的關(guān)鍵，而訓(xùn)練中滑行加速至高速，卻非常耗費(fèi)體力。因此，運(yùn)動員通常僅在臨近比賽前才開始進(jìn)行大量的彎道技術(shù)訓(xùn)練。

只需幾秒鐘的時(shí)間，一名速度滑冰運(yùn)動員就可從靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到指定速度，然后，調(diào)節(jié)姿態(tài)、入彎一氣呵成……在速度滑冰國家隊(duì)訓(xùn)練場地內(nèi)，運(yùn)動員們正在使用北京理工大學(xué)宇航學(xué)院航天發(fā)射技術(shù)團(tuán)隊(duì)研制的“人體高速彈射裝置”，開展彎道技術(shù)訓(xùn)練。

這套由北京理工大學(xué)宇航學(xué)院牽頭研制的“人體高速彈射裝置”，主要用于輔助速度滑冰運(yùn)動員的彎道滑行技術(shù)訓(xùn)練，可實(shí)現(xiàn)加速過程的精準(zhǔn)控制，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國內(nèi)空白。2019年4月研制成功的首臺裝置，最近在國家隊(duì)訓(xùn)練中心安裝調(diào)試完畢，教練組進(jìn)行了模擬訓(xùn)練，深受國家隊(duì)教練和運(yùn)動員喜愛，已成為國家隊(duì)日常訓(xùn)練科目之一。

“該設(shè)備具有過程可控、調(diào)節(jié)方便、滑離速度精確等優(yōu)點(diǎn)，通過助力運(yùn)動員訓(xùn)練中的加速過程，減少體力消耗，提高訓(xùn)練效率，提升運(yùn)動水平，取得了很好的訓(xùn)練效果?！痹擁?xiàng)目主要研發(fā)人、宇航學(xué)院教師郝繼光說。

除速度滑冰外，針對跳臺滑雪的人體彈射裝置目前也已經(jīng)研制成功，不久將在訓(xùn)練基地安裝應(yīng)用，可為我國運(yùn)動員在2022年冬奧會取得優(yōu)異成績提供科技支撐。

此外，該校自動化學(xué)院還研發(fā)了“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓(xùn)練系統(tǒng)”，為高山滑雪、越野滑雪等項(xiàng)目的運(yùn)動員提供室內(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)動作的訓(xùn)練效率。（中國教育報(bào)記者 柯進(jìn) 通訊員 哈楠）