現(xiàn)代體育賽事是運(yùn)動(dòng)員之間爭分奪秒的比拼，更是賽場背后各種高科技大比武。近年來，我們看到每屆奧運(yùn)會都有各種新科技亮相，不僅給人們帶來了更刺激的觀賽體驗(yàn)，而且一次次幫助運(yùn)動(dòng)員突破身體極限，生動(dòng)詮釋了“更快、更高、更強(qiáng)”的奧林匹克精神。

以不久前結(jié)束的北京冬奧會為例，在速度滑冰男子500米比賽中，中國隊(duì)以34秒32的成績打破奧運(yùn)會紀(jì)錄，并奪得中國男子速度滑冰歷史上的首枚冬奧會金牌，那一刻真是令人熱淚盈眶，無比自豪，至今難以忘懷。

這枚來之不易的金牌背后，是運(yùn)動(dòng)員日復(fù)一日揮灑的汗水，也是教練員們幕后默默的專業(yè)指導(dǎo)和鼓勵(lì)。但你可能不知道的是，這背后還有一項(xiàng)AI黑科技的功勞，它一次次精準(zhǔn)地幫助運(yùn)動(dòng)員們調(diào)整細(xì)微技術(shù)動(dòng)作，大幅提升了訓(xùn)練效率和質(zhì)量。

簡單易用的“AI教練”

在過去的體育訓(xùn)練模式中，教練全靠肉眼觀察運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)，并憑借經(jīng)驗(yàn)反復(fù)對運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整、糾正，沒有客觀、具體的量化數(shù)據(jù)分析，欠缺訓(xùn)練針對性和效率。最近二十年來，為了精確了解運(yùn)動(dòng)員的體能狀況、動(dòng)作細(xì)節(jié)以及分析對手風(fēng)格、預(yù)測戰(zhàn)術(shù)等，數(shù)據(jù)科學(xué)逐漸被引入到體育運(yùn)動(dòng)中。隨著體育運(yùn)動(dòng)越來越依賴數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，為了更好的收集數(shù)據(jù)，利用可穿戴設(shè)備收集運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)成為一種常見方式。但這種方式的弊端是顯而易見的，將傳感器放置在高速奔跑的短跑、速滑等運(yùn)動(dòng)員的身體關(guān)鍵部位，不僅可能會干擾運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)過程，而且成本較高。

那有沒有一種更簡單易用的方法來收集并精準(zhǔn)分析運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)?英特爾? 3DAT運(yùn)動(dòng)員追蹤技術(shù)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的技術(shù)。據(jù)悉，從去年冬季開始，中國速度滑冰隊(duì)已在日常訓(xùn)練中采用了這套技術(shù)系統(tǒng)。

以速度滑冰為例，該項(xiàng)目訓(xùn)練和比賽場地空間范圍大，賽道一圈大概400米，且運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)速度很高，動(dòng)作幅度很大，如果每個(gè)運(yùn)動(dòng)員都采用可穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)，必然會給運(yùn)動(dòng)員增加額外的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，速度滑冰是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的體育項(xiàng)目，一個(gè)輕微的技術(shù)動(dòng)作處理不當(dāng)可能就會影響整個(gè)比賽結(jié)果，這要求動(dòng)作捕捉系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)生成可視化、量化的數(shù)據(jù)，以供教練和運(yùn)動(dòng)員參考。

而3DAT首先可以通過攝像機(jī)甚至智能手機(jī)來獲取訓(xùn)練視頻樣本，無需運(yùn)動(dòng)員佩戴可穿戴設(shè)備，無疑為獲取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)開辟了一條簡單、輕量的路徑。更重要的是，其基于機(jī)器視覺和AI技術(shù)，能從拍攝的標(biāo)準(zhǔn)視頻中提取運(yùn)動(dòng)員的骨骼和肌肉形狀及運(yùn)動(dòng)軌跡，重建運(yùn)動(dòng)員2D及3D骨骼的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及軌跡模型，并生成生物力學(xué)數(shù)據(jù)，從而能讓教練和運(yùn)動(dòng)專家們精準(zhǔn)地評估運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體狀態(tài)，并進(jìn)行更有針對性的指導(dǎo)。

具體而言，在速度滑冰項(xiàng)目中，起跑和直線加速階段是影響運(yùn)動(dòng)員成績的關(guān)鍵，也是教練員最關(guān)心的重點(diǎn)。在起跑階段，3DAT技術(shù)通過機(jī)器視覺和AI技術(shù)從視頻畫面中抽取和識別人體和人體關(guān)節(jié)點(diǎn)，生成2D骨骼，再利用場地、相機(jī)參數(shù)等信息重建三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并能通過生物力學(xué)算法計(jì)算出雙腳與起跑線的夾角、雙腿蹲屈的幅度、雙臂的位置、重心擺放等起跑姿勢參數(shù)集，以及包括步頻、蹬冰時(shí)間、懸空時(shí)間、地面時(shí)間、膝關(guān)節(jié)角速度、起跑角速度等各種起跑后的參數(shù)集，從而讓教練和運(yùn)動(dòng)專家們既能多視角回放觀看運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作和姿勢，也能通過量化數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析起跑姿態(tài)對速度的影響。

在直線加速階段同理，教練和運(yùn)動(dòng)專家們可通過3DAT生成的核心關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度和角速度，以及運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)心的軌跡和加速度等數(shù)據(jù)，幫助運(yùn)動(dòng)員分析姿態(tài)對蹬冰質(zhì)量和效率的影響。

實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的技術(shù)底座

簡單易用的背后，通常是絕對不簡單的底層技術(shù)。不難理解，圖像包含的信息量是巨大的，要從連續(xù)多幀的視頻畫面中逐層提取出肘、踝、膝、肩關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置信息，對計(jì)算能力的要求是非常高的。而在平時(shí)訓(xùn)練中，教練員往往要求即時(shí)采集、即時(shí)生成數(shù)據(jù)，以即時(shí)調(diào)整技術(shù)細(xì)節(jié)，這對計(jì)算能力和AI算法又提出了更高的要求。

據(jù)悉，3DAT技術(shù)不僅支持1080P、4K等畫質(zhì)，還能以160fps的幀速率解碼，支持多路視頻的同步采集以及多路視頻在后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中的同步處理、多路視頻生成3D姿態(tài)數(shù)據(jù)等;并能實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)生成，測量誤差可低至5毫米級別，角度誤差可控制在7-8度左右;在實(shí)際應(yīng)用中，還可在訓(xùn)練現(xiàn)場即時(shí)生成3D數(shù)據(jù)和生物力學(xué)數(shù)據(jù)。

那這些能力背后有著怎樣的底層技術(shù)支撐呢?

首先，英特爾? 至強(qiáng)? 可擴(kuò)展平臺可實(shí)時(shí)處理、校驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)和分析復(fù)雜而龐大的訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息，確保了3DAT系統(tǒng)的及時(shí)性。

第三代英特爾? 至強(qiáng)? 可擴(kuò)展處理器相比上一代產(chǎn)品性能提升高達(dá)46%，支持8通道DDR4/3200, 64條PCI EXPRESS 4.0通道，全面增強(qiáng)I/O吞吐量，為信息量巨大、實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度要求高的圖形、影像處理和3D建模、數(shù)據(jù)分析，提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。英特爾? 傲騰? 技術(shù)提供充足的數(shù)據(jù)存儲容量的同時(shí)，可憑借低時(shí)延特性確保數(shù)據(jù)處理效率。英特爾? Scalable Video Technology可在不損失圖像質(zhì)量的前提下大幅提升視頻編碼效率，從而能確保視頻播放和報(bào)告生成的低時(shí)延。

其次，3DAT基于英特爾OpenVINO視覺工具套件進(jìn)行開發(fā)，基于英特爾? 至強(qiáng)? 集成了AI加速技術(shù)，能讓視頻數(shù)據(jù)讀取、預(yù)處理、缺失幀修復(fù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)生成等圖像處理更精準(zhǔn)、高效，測量達(dá)像素級精度，也顯著提升了深度學(xué)習(xí)推理和訓(xùn)練的性能，能讓模型生成更高效、更精準(zhǔn)，推理執(zhí)行速度大幅提升。

此外，3DAT還具有易部署、易實(shí)施的特點(diǎn)?；谠?邊、端協(xié)同，通常在現(xiàn)場只需部署2-4臺攝像設(shè)備，甚至在條件有限的情況下采用隨身攜帶的智能手機(jī)，就能采集視頻樣本，再將視頻上傳到云端/邊緣，通過基于英特爾至強(qiáng)處理器的服務(wù)器進(jìn)行高速處理，可近乎實(shí)時(shí)地向教練和運(yùn)動(dòng)員反饋分析結(jié)果。

走出奧運(yùn)，普惠大眾

簡單的講，3DAT技術(shù)最顯著的特征就是通過機(jī)器視覺和AI算法替代了那些放置于運(yùn)動(dòng)員身體上的傳感器，具備簡單易用、采集范圍大、易部署等優(yōu)勢，并基于英特爾? 至強(qiáng)? 可擴(kuò)展平臺可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析處理，從而降低動(dòng)作捕捉技術(shù)的門檻。而由于AI模型可擴(kuò)展可訓(xùn)練，它還易于移植到更多體育比賽項(xiàng)目，以及藝術(shù)表演、健身、運(yùn)動(dòng)康復(fù)等廣泛的領(lǐng)域，進(jìn)而走向普惠大眾之路。

比如在北京冬奧會開幕式上的《致敬人民》和《雪花》兩個(gè)節(jié)目中，英特爾基于3DAT技術(shù)，聯(lián)合第三方專業(yè)團(tuán)隊(duì)定制開發(fā)了“基于人工智能技術(shù)的演出實(shí)時(shí)特效系統(tǒng)”，通過高效部署多個(gè)人體檢測AI模型和算法調(diào)整，僅用4臺攝像機(jī)就完成了上百名演員的精準(zhǔn)人體識別，及大范圍內(nèi)的人體精準(zhǔn)定位，并實(shí)現(xiàn)了從圖像采集、識別、檢測到處理全過程不到幾十毫秒的端到端時(shí)延，最終打造出現(xiàn)場屏幕與演員位移實(shí)時(shí)互動(dòng)的效果，為觀眾呈現(xiàn)了一場科技與藝術(shù)完美融合的視覺盛宴。

不難想象，既然這項(xiàng)技術(shù)能應(yīng)用于冬奧會訓(xùn)練和開幕式表演這樣的頂級場景，自然將其下沉應(yīng)用于健身、運(yùn)動(dòng)康復(fù)等領(lǐng)域也不在話下。比如，健身教練可隨時(shí)隨地將學(xué)員的訓(xùn)練視頻上傳到云端，即時(shí)獲取生成的3D骨骼和相關(guān)數(shù)據(jù)，為學(xué)員提供正確的鍛煉方式指導(dǎo);俱樂部或教練員可通過收集的視頻數(shù)據(jù)來評估球員的技能和運(yùn)動(dòng)潛力，以低成本、高精準(zhǔn)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員選材。進(jìn)一步擴(kuò)展想象， AR/VR系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分是重建用戶的3D姿態(tài)，3DAT自然能與AR/VR技術(shù)結(jié)合，為我們打造出各種全新的沉浸式、互動(dòng)式娛樂體驗(yàn)，甚至加速推動(dòng)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的無縫融合，助力人類邁入元宇宙時(shí)代......

值得一提的是，為了讓更多項(xiàng)目能使用到這一技術(shù)，更好的賦能產(chǎn)業(yè)，英特爾還與AWS合作部署了3DAT Cloud SDK，通過開放API可讓開發(fā)者、使用者、ISV伙伴們根據(jù)自身不同需求，在AWS云上快速實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)和應(yīng)用部署。相信這將進(jìn)一步加速該技術(shù)普及，為未來的體育訓(xùn)練和比賽乃至更多的領(lǐng)域帶來更大的變化。

本文參考來源：

北京冬奧一項(xiàng)AI黑科技即將走進(jìn)大眾：實(shí)時(shí)動(dòng)捕三維姿態(tài)，誤差不到5毫米，量子位https://mp.weixin.qq.com/s/T62uhROO1ZViyNENTh7wzg

3DAT助力冬奧開幕式及賽前訓(xùn)練：這究竟是什么「神秘黑科技」?，機(jī)器之心https://mp.weixin.qq.com/s/2lQTQiMU5xJsDtxA04h7Xw

北京2022年冬奧開幕式：科技美學(xué)詮釋奧運(yùn)精神，英特爾中國