模拟场景、精准捕捉，黑科技这样为冬奥会赋能

再过不到一年的时间，北京冬奥会盛典的大幕就将拉开。在紧锣密鼓的备战时刻，运动员在洁白的冰雪上划过一道道弧线，为迎接属于自己的“高光时刻”作着预演。而在他们背后有这样一群人，在崇礼雪场、在实验室、在计算机旁忙碌着，努力用“黑科技”分析解读弧线背后的信息。

▲北京2022年冬奥会张家口赛区国家跳台滑雪中心“雪如意”。新华社发 武殿森 摄

滑冰滑雪的动作如何更精准？如何在非雪季进行雪上训练？……为备战冬奥，几年来，由北京理工大学等高校共同实施的国家重点研发计划“国家科学化训练基地建设关键技术研究与示范”等“科技冬奥”项目稳步推进，一项项“黑科技”已经或即将运用于我国冬季运动项目的训练中，它们将为冬奥运动员的训练和比赛赋能和助力。

捕捉到运动员一颦一笑的高精镜头

“针对设备在冰场环境下的适用情况，刚刚在首都体育学院进行了测试，按道理我们现在应该在东北为运动员做些服务，但因为疫情原因计划受到一些影响。”北京理工大学光电学院仪器研究所副教授刘明告诉记者。

让刘明心心念念的设备，并不算庞然大物，是两台将冰上运动员的运动轨迹、过程加以捕捉、采集的装备。“云台变焦运动轨迹采集与动作捕捉分析设备是有变焦功能的，加入了智能跟踪算法，可以从运动员起跑开始跟随其全部运动过程，运动员在画面中大小相对稳定，就能形成对其比较精细的特写。一方面可以便于提取其运动轨迹，同时也可以对其身体部位进行动作捕捉。冰场全景图像采集与运动轨迹分析系统则可对整个赛场进行全景拍摄，它有很高的单帧分辨率，能达到2500万像素和每秒160帧的帧频，可记录大场景下高速运动运动员的轨迹。虽然精度低些，但能同时测量多人。”刘明表示。

两台装备的强强组合，究竟能帮上运动员什么忙？刘明表示，采集运动员跟踪特写和轨迹，可以帮助运动员优化技术动作，更加科学、有效地进行训练。“例如系统可以分析运动员头部位置，分析过弯道时头部距离冰面的高度，帮助运动员在训练中更科学地调整身体姿态和平衡。”刘明说。

那么，完成跟踪记录，为何不用高速摄像机代劳？刘明的答案很简单，自己的设备就是要让运动员、教练员觉得好用。他告诉记者，现有市场上常见的设备都可以满足多角度拍摄和三维测算需求，但视野相对固定，记录范围相对有限，若要记录较大范围场地，则需设置覆盖不同区域的多组相机，系统复杂、造价很高，通常固定安装在冰场内无法移动。

刘明表示，为突破这些局限，仅是镜头从开始研发到目前产品已经经历了7个版本。“将云台变焦技术运用于机器视觉中，首先要解决的问题就是精度问题，云台有个角精度，变焦镜头有个焦距变化的精度，所以必须随时知道焦距和放大率的实时数据。而市面上的镜头无法做到，所以从转台到变焦系统只能自己做，虽然工作量很大，但设备的精度就有保障了。此外就是算法，作为光学跟踪系统，对于目标物的干扰、遮挡比较敏感，一旦出现运动员相互遮挡、目标物短暂丢失的情况，传统算法就会乱套，所以学生下了很大功夫去完善，目前已经实现了有短暂遮挡继续跟踪的功能，还在不断改进。”刘明说。

“定位到厘米”的三维重现

如果说刘明团队是在冰上的小场捕捉运动员的一颦一笑，那么张海洋团队则是在雪地的大场捕捉滑行时速可达上百迈运动员的几厘米偏差。

▲2021年1月16日，滑雪爱好者在杭州临安大明山万松岭滑雪场滑雪。新华社记者 黄宗治 摄

高山滑雪运动员过旗门时雪板和旗门的相对位置如何？雪车雪橇入弯道的角度如何？这些指标在冰雪运动中都尤为重要，既和选手的技术纯熟度有关，也是选手在整个赛程平稳发挥的关键因素。然而，这些运动场地往往高山起伏，赛道蜿蜒盘旋，有的长达几十公里，如果不借助设备，教练员甚至都看不到运动员在哪里。北理工光电学院副教授张海洋告诉记者，过去教练员纯粹靠经验判断，而现在他的团队则可以为教练员提供精确到厘米级的数据。

“我们运用无人机、车载激光雷达扫描奥运雪场，然后从雪场的三维数据里提取其赛道参数提供给教练，例如转弯半径、坡度等雪道参数，通过点云数据的反演和场景重建后，提供给模拟训练装备的设计开发使用。从今年年初开始，应训练队的要求，我们还在研发在三维地形上实时显示运动员的运动信息，便于教练员观测运动员滑行速度、转弯速度等。”张海洋介绍。

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