运动中的“黑科技”
竞技体育的智能训练与竞赛
现代体育比赛不仅是各国运动员展示速度和力量的竞技场，也是世界各国展示形象、将前沿科技与体育融合的大舞台。随着人类对挑战自我的执着追求，各种竞技项目的成绩正在逼近人类能力的极限。为了进一步提高比赛成绩，哪怕是百分之一甚至千分之一，教练员和运动员都要通过各种方式和技术努力实现，科技的使能作用越来越重要。
在2018俄国世界杯上，数字表示和跟踪系统(EPTS)第一次被完全采用。其主要功能是自动采集并以数据形式呈现运动的时空信息，从而实现训练和比赛的数字化读数。在摄像头和可穿戴传感器的帮助下，EPTS系统可以跟踪球员和足球的运动信息，并通过平板电脑为教练提供统计数据、位置信息和相应的视频片段，帮助教练在场上做出决策。作为EPTS的一部分，弹射式可穿戴传感器也首次被批准用于世界杯。这套运动员智能追踪系统的核心部件是一个火柴盒大小的卫星定位装置，佩戴在运动员肩胛骨中间，可以监测运动员的跑步距离、速度、跑步节奏、冲击负荷、心率等数据，并做出深度分析。目前，在世界各地的职业足球、曲棍球和橄榄球队中，这样的装备已经成为球队训练的标配。运动员经常穿着装有这种装置的“黑背心”进行训练。教练不仅可以在场边实时检查全队的表现并给予指导，还可以了解每个运动员的状态并给予针对性的训练运动调控，降低受伤概率。
在数字化方面，全国男篮联赛也是一个成功的例子。每个俱乐部都有一个由数据科学、运动科学、医学等不同领域的专家组成的运动成绩分析团队。数据科学的运用远远不局限于简单的事件统计(如投篮、篮板、助攻等。)，而是基于教练的战术需求，基于深度学习和数据挖掘对比赛中智能跟踪系统捕捉到的篮球和球员的时空数据进行分析，帮助教练和运动员了解数据背后的比赛模式、伤病风险和对手风格，预测各种战术的成功机会。教练掌握这些信息后，可以评估不同位置的球员对球队的贡献，设计训练计划，制定相应的战术。在这样一个复杂的系统中，以SportVU为代表的智能系统起着至关重要的作用。SportVU技术起源于军用多摄像机动态跟踪技术。通过挂在竞技场天花板上的六个摄像头，该系统每秒钟捕捉25幅图像，以跟踪和分析球员的运动。传统的统计方法只统计主要结果，而SportVU系统可以还原整个过程，提供更加详细、量化的数据，这也代表了体育数据科学的一个主要发展方向。
除了团队运动中的多人时空信息分析，运动员个人技术动作的数据采集、分析和评估技术近年来也取得了长足的进步，而这背后的主要推动力就是动作捕捉技术的进步。运动捕捉技术是一种数字化采集三维人体运动的手段。以前因为设备和环境复杂，使用起来非常不方便。动作捕捉技术的主要应用仅限于大型电影的制作，并且通常仅用于体育方面的科学研究。随着运动捕捉技术不断向轻量化和易用化发展，基于运动捕捉技术的运动分析系统也进入了实用阶段。例如，基于可穿戴设备的高尔夫运动分析和辅助训练系统MySwing，可以借助佩戴在球员身上的多个微动传感器，准确捕捉球员身体和球杆的空间运动数据，并提供分析结果，并使用多种不同的数据可视化方法，帮助球员和教练更好地洞察肉眼难以观察的技术细节。借助这样的设备，教练对球员的指导不再是“凭感觉和经验”，主观经验可以量化，形成数据模型，不仅使技术动作的分析更加客观，也使训练更有针对性和高效性。
运动员比赛成绩的提高不仅来源于训练水平的提高，还来源于运动器材科技含金量的提高，甚至在某些情况下给体育带来了巨大的变化。纵观奥运历史，器材的科技进步对竞技成绩的提高起到了重要的推动作用，连续三届奥运会称霸自行车赛场的英国队就是其中的代表之一。在这个游戏中，结果是由千分之一秒决定的。每一个微小的偏差和改进都可能改变比赛的结果。英国团队利用高科技手段实现了人和车的完美结合。基于流体动力学和人体工程学的分析，每一辆英国运动员的赛车都经过精心调校，以达到人车最大程度的契合。此外，高科技的比赛服和特殊的赛车轮胎也成为了英国队的“国家机密”。为了防止高科技机密泄露出去，英国自行车队甚至规定赛后立即上缴设备和仪器，统一回收销毁。
中国的体育科技也正在进入智能时代。随着2022年北京冬奥会的临近，冬奥会备战工作不断深入，许多高科技手段被应用到运动员训练的各个环节。借助人工智能、大数据、物联网技术，形成了竞技体育“训练-技术辅助-保障”的新模式，成为冬季项目补短板、实现跨越式发展的关键因素。比如，在我国自主研发的风洞实验辅助训练系统中，借助风洞模拟技术，不仅可以进行实验研究，还可以进行冰雪项目的辅助训练；通过全景VR滑雪模拟器，构建数字化虚拟训练场地环境，为中国高山滑雪爱好者和单板滑雪爱好者提供不同地形和雪况的模拟，让运动员在室内以真实的滑雪速度和重力体验完成训练，提高比赛适应能力；多种不同的动作捕捉技术被广泛用于收集和分析运动员的技术动作，为运动员精细打磨技术动作提供了有效的帮助。
未来，借助大数据和人工智能，从技术、战术、体能、心智、性格等多个维度对运动员进行评估，构建可量化的“冠军模型”，不仅可行，而且不可或缺。智能技术也将对教练和运动员在训练和比赛中产生深远的影响。
观看比赛，数字竞技场和智能观看比赛。
在国外一些职业体育赛事中，观众已经可以坐在家里通过头戴式VR显示设备“零延迟”“零距离”观看比赛。
蔓延全球的新冠肺炎疫情爆发后，在过去一票难求的比赛场馆里，已经很难听到观众的喊叫声，观看比赛转播几乎成了目前唯一的看球方式。丰富体育转播手段，让球迷和体育爱好者以更具互动性和沉浸感的方式欣赏感兴趣的赛事，已经成为体育产业发展的重要环节。
培养观众对体育的热情，其中一个重点就是帮助他们了解项目，了解比赛，阅读比赛。为了让不熟悉项目的观众快速全面的了解比赛信息，让对项目感兴趣的观众看到更多有趣的内容，视频AI技术的应用将成为主流。这项技术通过人工智能的方法对视频图像进行学习、分析、理解和识别，涉及视频分类、字符识别、语音识别、字符识别等。其主要应用场景是突破传统转播下观看比赛的单一形式，形成个性化的观看模式。当观众通过特定的APP观看比赛时，系统不断学习，获取他们的兴趣点。通过识别自己喜欢的球员和游戏中的关键动作，实时生成游戏集锦，并在游戏过程中自动选择最佳观看座位，在游戏过程中播放游戏最有趣的瞬间。观众还可以随时查看和获取比赛不同维度的信息，例如查看运动员的详细个人信息，了解项目规则介绍等。随着视频AI技术的不断进步，这一应用有着广阔的发展空间。
新型可视化技术、无线通信和新兴互联网技术的结合，不断突破距离限制，为观众在家实现非接触、近距离观看和互动体验创造了条件。其中，5G和虚拟现实(VR)技术的应用加速了智能观赛的发展。在国外一些职业体育赛事中，观众已经可以坐在家里通过头戴式VR显示设备“零延迟”“零距离”观看比赛。利用5G“高速低时延”的网络特性，2022年北京冬奥会将采用5G+8K直播技术。届时，观众可以随时随地观看高清转播，并通过移动终端的社交软件与亲朋好友实时分享精彩画面。同时，北京冬奥会也将实现5G+VR转播。通过VR技术带来的360度视角，观众可以自由旋转视角观看比赛，实现场景的沉浸感。在VR中，不仅可以看到完全真实的游戏场景，还可以实现一种超越现实的体验。在观看比赛的过程中，通过对场地环境和移动目标的识别，根据用户的喜好，叠加多种数字信息，实现个性化的观看体验，达到更好的观看效果。
以往比赛往往会因为一个不恰当的判罚而毁于一旦，对比赛本身的公平性和观赛体验造成不利影响。为了解决这一问题，智能技术正被引入球场，打造“智慧球场”。早在2006年，“鹰眼”系统就被用于网球比赛。用高速摄像机从不同角度捕捉网球的飞行轨迹，进行三维重建和落点计算。当出现有争议的比分时，“鹰眼”系统辅助裁判确定网球的准确落点。类似的技术也被引入到足球比赛中，成为球门线技术。在计算机的帮助下，可以判断足球是否越过球门线，从而确定进球是否有效。这项技术在2013年被国际足联正式引入世界杯，成为足球史上高科技被采用的历史性决定。2018俄罗斯世界杯期间，国际足联首次采用了视频助理裁判系统(VAR)。当比赛出现球进门、红牌、红黄牌送错目标、点球四种情况时，VAR系统会在场上提醒裁判，并通过视频回放和自动识别技术纠正误判和漏判。此外，以体操为代表的评分技巧和难度的项目，人工智能裁判也在酝酿中。由于比赛的激烈，体操运动员之间的动作差异越来越微妙，对裁判员的能力要求越来越高，裁判员在长期工作后保持评分的准确性也越来越困难。人工智能体操评分系统通过3D激光传感器测量并建立运动员的三维人体运动模型，对其旋转速度、肢体摆动幅度、跳跃高度进行极其精确的记录，并与数据库数据进行比对，从而判断运动员的技术动作是否成功，是否需要加分或减分。据预测，如果人工智能评分技术在体操比赛中测试成功，将会推广到花样滑冰和跳水等其他项目。
大众健身实现专业化，增强娱乐性。
智能技术正逐渐在不同的运动项目中得到应用，运动技术的评估和训练辅助是人工智能技术在全民健身产业发展中的重要应用领域。
人们希望在专业人士的指导下，有计划、有步骤地进行锻炼，但缺乏专业的健身指导信息资源和途径，这必然导致大众健身活动的盲目性、随意性和风险性。在一些体育科学发达、普及率较高的国家，普遍接受按照“运动处方”进行科学锻炼，但在中国，运动处方对大多数人来说还是一个新概念，运动处方者更是凤毛麟角。运动处方是指导人们采用最适宜的运动项目，根据锻炼者的基本情况和评估结果，结合主客观条件，以处方的形式制定适宜的运动内容、运动强度、运动时间和频率，并指出运动中的注意事项，从而达到科学的、有计划的健身目的。鉴于人民群众对科学健身的迫切需求与缺乏科学指导信息资源之间的矛盾，可以预见，基于人工智能技术的运动处方管理系统将在我国具有巨大的发展潜力。
智能运动处方系统基于大量的专家知识，以用户的体能测试数据为基础，充分评估用户的运动能力，预测可能的运动风险，根据用户的运动目的制定健身运动处方，动态监控运动过程，不断检查运动处方的有效性，并在大数据的基础上通过机器学习不断优化运动处方。
智能穿戴设备的快速发展，为运动处方的制定和有效实施创造了有利条件。当越来越多的跑步距离、速度、心率、心电、血氧等指标在智能手环、智能手表等可穿戴设备上实现时，大型专业设备就成了每个人都可以随身携带的健康助手。过去复杂的测试已经在不知不觉中完成，智能化的运动处方也不再遥远。
同时，锻炼者保持良好的运动技能同样重要，这也需要专业知识的指导。以最常见的跑步为例，如果跑者的技术动作出现问题，不仅会影响跑步的成绩，更是导致运动损伤的关键因素。对于专业研究者来说，跑步过程中的技术动作可以用脚着地方式、着地时间、垂直摆动、膝关节屈伸角度等专业数据指标来描述。在过去，这些都需要在实验室环境下进行精确分析，但现在有了面向普通消费者的智能产品，通过自动化手段帮助跑者诊断跑步中的技术问题，并基于数据指导其改进，让普通人也能接受专业的运动技术指导。类似的智能技术也逐渐在不同的运动项目中得到应用。运动技术的评估和训练辅助是人工智能技术在全民健身产业发展中的重要应用领域。
为了帮助锻炼者坚持锻炼计划，提高锻炼过程中的娱乐性也很重要。通过智能设备将不同形式的互动和社交引入运动:基于智能可穿戴设备的运动记录和打卡排名已经非常普及；通过智能互动屏，锻炼者与虚拟数字教练互动，或者通过摄像头、麦克风在锻炼过程中与他人社交的产品受到追捧；更多突破性的新技术将很快从实验室走向大众，户外运动时通过增强现实(AR)眼镜进行娱乐和社交的“黑科技”不再遥远。在智能技术的帮助下，大众健身将变得更加科学、有效和有趣。
(作者:刘浩洋、崔、陶宽，均来自北京体育大学，刘浩洋为教授，崔为博士后，陶宽为讲师)