“黑科技”助力運動員在冬奧賽場更快更強

如何使滑冰滑雪的動作更精準?如何在非雪季進行雪上訓練?……為備戰(zhàn)北京冬奧會，提升冬季運動項目訓練水平，幾年來，由北京理工大學牽頭實施的國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項“國家科學化訓練基地建設關鍵技術研究與示范”項目穩(wěn)步實施。一項項“黑科技”已經(jīng)或即將運用于我國冬季運動項目的訓練中，助力“科技冬奧”，讓運動員在冰雪賽場上更快、更強!

“高精鏡頭”追蹤冰上軌跡

連日來，在首都體育學院的滑冰館內(nèi)，北理工光電學院儀器研究所副教授劉明帶領團隊一遍遍測試設備?？磁_上豎立著數(shù)臺圖像采集云臺變焦設備和超高清相機，劉明盯著4K顯示器中正在冰場內(nèi)滑冰的測試人員圖像，操作電腦，采集分析其運動軌跡。

他所負責的速度滑冰運動分析課題，旨在通過“云臺變焦運動軌跡采集與動作捕捉分析”“冰場全景圖像采集與運動軌跡分析”兩套系統(tǒng)，對速度滑冰、短道速滑、花樣滑冰等冰上運動軌跡和動作進行分析，可精細解析單個運動員的動作軌跡，也可對多名運動員軌跡進行同步分析。

“我們系統(tǒng)的作用就是把運動員的運動過程，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行分析，便于優(yōu)化技術動作，幫助運動員、教練員實現(xiàn)科學化訓練。”劉明說。

此項目的最大特點是將云臺變焦技術應用于運動測量，運動員不需穿戴式設備，即便在很大范圍內(nèi)活動，仍可精確獲得其運動數(shù)據(jù)。為滿足高精度測量需求，團隊不斷改良鏡頭設計，在經(jīng)過7個版本的改進后實現(xiàn)了測量過程的平順、快速和高精度。兩臺全景相機具有高達單幀2500萬像素的解析度，采集幀率每秒160幀，適合多人運動軌跡分析。

劉明說，下一步團隊將改進升級系統(tǒng)，增加采集機位數(shù)量，提高圖像解析度，讓分析結果更精準。“希望我們的設備產(chǎn)品能盡快運用于冰上運動甚至是田徑項目的教學和訓練中，提升運動員的成績，這將是我們最大的光榮!”

無人機掃描搭建“仿真雪場”

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

“我們通過測量跳臺滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季兩項等項目的三維場景的數(shù)據(jù)，利用VR(虛擬現(xiàn)實)技術把場景信息顯示出來，再加上運動員跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)視覺場景顯示，用于運動員在室內(nèi)的仿真訓練。”張海洋說。

不同雪場環(huán)境不同，要做到真實還原，需收集大量實地數(shù)據(jù)。為此，研究團隊利用無人機載、車載的激光雷達系統(tǒng)，奔赴北京、河北、吉林等地多個滑雪場進行數(shù)據(jù)掃描和測試，還通過運動員穿戴的傳感器，收集其在雪場運動信息，再反饋到顯示系統(tǒng)中。

運動員模擬訓練系統(tǒng)對重建精度、低溫和實時傳輸?shù)确矫娑家髧栏瘢绕涫堑蜏氐奶魬?zhàn)特別大。有的雪場方圓幾平方公里，有的場地落差近千米，用無人機搭載激光雷達掃描效率較高，但無人機在零下20攝氏度以下就功效下降，為此團隊還開發(fā)出適合低溫環(huán)境運行的無人機載激光雷達掃描系統(tǒng)。

“目前我們的相關成果已應用于國家隊，可減少運動員在非訓練時的損傷，提高運動效率，給教練員提供技術幫助。”張海洋希望，讓技術成果惠及更多運動員。

室內(nèi)仿真模擬“高山滑雪”

在北理工一間實驗室內(nèi)，自動化學院研究生曹洪卿正穿戴好傳感器裝備，走上12米長的鋼制滑臺，踏上滑臺上一副模擬雪橇，面對巨大電子屏上的滑雪場景畫面，開始急速左右擺動滑行。

因參與“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓練系統(tǒng)”的課題，曹洪卿專門參加了滑雪培訓，以親身測試這套室內(nèi)模擬滑雪訓練設備的效果。“在滑臺上主要是做回轉運動，在上面練習挺累的，但有真實雪道的體驗，可達到滑雪訓練的目的。”他說。

據(jù)悉，此項目主要是為高山滑雪、越野滑雪等項目的運動員提供室內(nèi)模擬滑雪訓練設備，以提升其回轉、滑行等專項技術動作的訓練效率。同時，通過在滑雪訓練平臺上安裝運動形態(tài)識別與位姿測量系統(tǒng)，可采集分析運動員運動數(shù)據(jù)，為科學化訓練提供指導依據(jù)。

課題組負責人、北理工自動化學院教授劉向東介紹，這套設備的優(yōu)點是讓運動員在非雪季也能在室內(nèi)展開滑雪訓練，滑臺上的滑行速度可達百公里的時速。運動員全身關節(jié)處的17個傳感器，可精準反映其姿態(tài)動作數(shù)據(jù)，幫助教練評估參考。此外，這套設備的通用型產(chǎn)品還在滑臺下加裝了運動模擬平臺，有高低、傾斜、偏轉變化，通過各角度幫助運動員訓練。相關設備已用于國家高山滑雪隊運動員的日常訓練。

“北京冬奧會越來越近，希望我們的研究成果能促進運動員的訓練，助力科技冬奧在訓練技術方面的提升，做出我們的貢獻。”劉向東說。(魏夢佳、馬曉冬)