跳臺(tái)滑雪技術(shù)生物力學(xué)智能分析與反饋系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

伍 勰 ，曲 毅 ，劉思平 ，李 漩 ，唐偉棣 ，曹峰銳 ，劉 宇 *

2022年北京冬奧會(huì)的腳步日益臨近。2021年1月19日，習(xí)近平總書記來到北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)張家口賽區(qū)的國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心，期間，國(guó)家跳臺(tái)滑雪隊(duì)的科研教練團(tuán)隊(duì)向總書記匯報(bào)了科技攻關(guān)情況，團(tuán)隊(duì)積極開展自主創(chuàng)新，幫助運(yùn)動(dòng)員提高訓(xùn)練水平，助力中國(guó)跳臺(tái)滑雪隊(duì)備戰(zhàn)北京冬奧會(huì)。習(xí)近平總書記指出，同我們國(guó)家的強(qiáng)國(guó)之路一樣，中國(guó)冰雪運(yùn)動(dòng)也必須走科技創(chuàng)新之路，一方面要堅(jiān)持自主創(chuàng)新，一方面要善于吸收國(guó)際上的先進(jìn)技術(shù)和訓(xùn)練方法。

跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)由于其運(yùn)動(dòng)形式、所用裝備以及運(yùn)動(dòng)環(huán)境的特殊性，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)化的測(cè)量和觀察具有很大的挑戰(zhàn)性。跳臺(tái)所在的室外往往伴隨有季風(fēng)、低溫和高濕等干擾因素，對(duì)測(cè)量?jī)x器的硬件適應(yīng)性和可靠性要求較高。同時(shí)跳臺(tái)滑雪的運(yùn)動(dòng)速度極高，過程時(shí)間短，對(duì)設(shè)備的采樣速度等關(guān)鍵指標(biāo)也提出了較高的要求。另外，運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集時(shí)需要非侵入性的設(shè)備以減少對(duì)運(yùn)動(dòng)員自身的干擾，以免影響運(yùn)動(dòng)員的發(fā)揮。

為滿足上述跳臺(tái)滑雪技術(shù)分析的要求，本研究團(tuán)隊(duì)在科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)的支持下，融合數(shù)字視頻識(shí)別的人工智能技術(shù)、基于超寬帶（ultra wide band，UWB）的精準(zhǔn)定位技術(shù)和加速度傳感技術(shù)等多項(xiàng)高科技手段，開發(fā)了一套跳臺(tái)滑雪動(dòng)作技術(shù)分析與反饋生物力學(xué)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)跳臺(tái)滑雪整個(gè)過程中重要數(shù)據(jù)的采集、分析與快速反饋，并在實(shí)踐中得到了較好的應(yīng)用，受到了教練員和運(yùn)動(dòng)員的肯定。

1 基本原理與技術(shù)路線

跳臺(tái)滑雪過程可分為4個(gè)階段：助滑、起跳、飛行和著陸（劉樹明 等，2003）。通過文獻(xiàn)分析（Janura et al.，2010；Schwameder，2008；Virmavirta，2000；Vodicar et al.，2010），并遵循生物力學(xué)原理，可基本確定跳臺(tái)滑雪不同動(dòng)作階段的成績(jī)要素（圖1A）。

圖1 跳臺(tái)滑雪的成績(jī)要素（A）與飛行距離的影響因素（B）Figure 1.Biomechanical Elements（A）of Ski Jumping and the Influencing Factors of Fly Distance（B）

在助滑階段，運(yùn)動(dòng)員的主要任務(wù)是姿態(tài)控制，控制身體重心，并保持一個(gè)合理的低風(fēng)阻流線型姿態(tài)，獲得俯沖速度并為起跳做好準(zhǔn)備。起跳是整個(gè)技術(shù)動(dòng)作的關(guān)鍵，起跳動(dòng)作的好壞決定著運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)（李成植等，2000）。由于助滑速度快（出臺(tái)時(shí)速度可達(dá)90 km/h左右，基本呈水平方向），起跳階段的主要任務(wù)則是獲得盡可能大的垂直速度，其中蹬伸的加速度（爆發(fā)力）體現(xiàn)了專項(xiàng)體能，而起跳時(shí)機(jī)則體現(xiàn)了專項(xiàng)技術(shù)，總體上的要求就是增大垂直速度的同時(shí)盡可能地減小水平速度的損失。在飛行階段，為了減少前進(jìn)的空氣阻力和增加升力，運(yùn)動(dòng)員在充分伸展肢體的同時(shí)需要保證合理的身體和雪板姿態(tài)角（胡齊等，2018），獲得最佳的空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)，從而達(dá)到最大飛行距離。在著陸階段，運(yùn)動(dòng)員必須保證著陸的穩(wěn)定性和安全性。在跳臺(tái)滑雪的成績(jī)?cè)u(píng)判中，運(yùn)動(dòng)員的總得分是距離分加上飛行姿勢(shì)分、出發(fā)門值分和風(fēng)力補(bǔ)償分。由于不同跳臺(tái)的助滑道弧度及起跳端的仰起角存在差異，加上不同賽事所處的氣候和雪情條件不同，跳臺(tái)滑雪沒有世界紀(jì)錄，只有最好成績(jī)，但影響成績(jī)的最重要因素還是起跳時(shí)的動(dòng)作技術(shù)與空中姿態(tài)（張桂珍等，2003）。若將飛行距離作為一個(gè)定量目標(biāo)，可將飛行距離分為真空飛行距離和空氣動(dòng)力學(xué)距離（圖1B）。真空飛行距離是指忽略空氣作用時(shí)，僅由起跳的初始條件所決定的飛行距離，是可計(jì)算的。而空氣動(dòng)力學(xué)距離是指起跳后由空氣對(duì)人體作用（升力與阻力）而形成的飛行距離，由于空氣動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，這個(gè)距離不能直接計(jì)算，但可以通過將真實(shí)測(cè)量的飛行距離減去真空飛行距離得到（趙爽等，2017），結(jié)果的正負(fù)值取決于運(yùn)動(dòng)員在空中的姿態(tài)控制能力，在風(fēng)速、風(fēng)向穩(wěn)定的情況下，正值越大表明空中技術(shù)越好。對(duì)跳臺(tái)滑雪動(dòng)作結(jié)構(gòu)與成績(jī)影響因素進(jìn)行深入分析，有助于在訓(xùn)練中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作中的瑕疵，確定其在技術(shù)或體能上的訓(xùn)練改進(jìn)方向，這也是科技助力訓(xùn)練的核心目標(biāo)。

針對(duì)跳臺(tái)滑雪的動(dòng)作技術(shù)特點(diǎn)，本研究的智能分析與反饋系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)路線如圖2所示。采集運(yùn)動(dòng)員單次跳臺(tái)滑雪中各類生物力學(xué)參數(shù)的時(shí)間序列，并記錄環(huán)境參數(shù)、出發(fā)杠位值和距離成績(jī)，形成一份完整的運(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)記錄，通過持續(xù)測(cè)試與錄入，逐步構(gòu)建多隊(duì)員、多人次的跳臺(tái)滑雪生物力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，定期對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行橫向與縱向的綜合對(duì)比，包括與國(guó)外優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)的對(duì)比，尋找不同訓(xùn)練周期運(yùn)動(dòng)員存在的問題，給予教練員關(guān)鍵指標(biāo)的反饋和訓(xùn)練建議。

圖2 智能分析與反饋系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線圖Figure 2.R&D Technical Route of Intelligent Analysis and Feedback System

2 系統(tǒng)模塊與功能

本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是指向性研發(fā)。首先，系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)是針對(duì)跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目特點(diǎn)展開的，其輸出的生物力學(xué)指標(biāo)也具有專項(xiàng)性特征，基本涵蓋了跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)中最重要的技術(shù)指標(biāo)。其二，本系統(tǒng)是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家科研單位與科創(chuàng)公司，從系統(tǒng)構(gòu)思到研發(fā)一步一步完善形成，具有明確的國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的特征，在研發(fā)過程中突破了大范圍標(biāo)定的問題，包括起跳區(qū)域跟蹤范圍的擴(kuò)大和全程定位中的遮擋問題。

本系統(tǒng)研發(fā)的功能性模塊包括采集和分析反饋兩大模塊。采集模塊主要涉及軟硬件構(gòu)架、同步通信和數(shù)據(jù)整合，包括起跳區(qū)采集模塊和全程運(yùn)動(dòng)跟蹤模塊。分析反饋模塊的任務(wù)是建立數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合數(shù)據(jù)分析并實(shí)現(xiàn)調(diào)取、對(duì)比、報(bào)告輸出等功能。為保證描述的完整性，以下以采集模塊的構(gòu)架為基礎(chǔ)，并結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，分為起跳區(qū)工作模塊與全程工作模塊兩部分進(jìn)行闡述。

2.1 起跳區(qū)工作模塊

起跳（take-off）被認(rèn)為是整個(gè)跳臺(tái)滑雪最重要的階段，因?yàn)樗鼪Q定了后續(xù)飛行的初始條件（李成植等，2000；龍春生，1992；樸成龍 等，2004；Virmavirta et al.，2009；Vodicar et al.，2010）。跳臺(tái)滑雪的起跳區(qū)是指滑道末端約6 m的直道區(qū)域（長(zhǎng)度和角度依跳臺(tái)設(shè)計(jì)而定），運(yùn)動(dòng)員的起跳動(dòng)作在此區(qū)域內(nèi)完成。在起跳過程中，運(yùn)動(dòng)員通過髖、膝關(guān)節(jié)的快速蹬伸來獲取適宜的身體空翻角速度和身體重心垂直速度。較大的空翻角速度將使運(yùn)動(dòng)員在起跳離臺(tái)后盡可能快地確定空中飛行姿勢(shì)，最大限度減少身體在速度方向與空氣接觸的正面投影面積和時(shí)間，有效減小空氣阻力，為空中飛行創(chuàng)造良好的空氣動(dòng)力條件（Arndt et al.，1995；Janura et al.，2011；Virmavirta et al.，2009）。另外，起跳階段運(yùn)動(dòng)員身體重心垂直速度越大，離臺(tái)后空中飛行軌跡的高度就越高（Vodicar et al.，2010）。因此，運(yùn)動(dòng)員在起跳階段保持合理的身體姿態(tài)條件下，身體重心的垂直速度越大對(duì)跳躍飛行距離越有利。為捕捉起跳動(dòng)作并進(jìn)行快速反饋分析，本系統(tǒng)的視頻圖像識(shí)別、人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的人工智能底層計(jì)算技術(shù)，采用了由北京體育大學(xué)、中國(guó)田徑協(xié)會(huì)和大連銳動(dòng)公司合作開發(fā)的、基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)視覺人體跟蹤與姿態(tài)估計(jì)技術(shù)，利用4臺(tái)高速相機(jī)（120 Hz），在起跳區(qū)進(jìn)行同步視頻拍攝（圖3），并通過AI技術(shù)快速識(shí)別運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)，形成三維空間運(yùn)動(dòng)學(xué)特征指標(biāo)的計(jì)算與輸出，輸出指標(biāo)綜合了相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，包括運(yùn)動(dòng)員起跳和離臺(tái)時(shí)的身體重心速度、髖關(guān)節(jié)角度、膝關(guān)節(jié)角度、軀干與水平軸夾角、肩膝關(guān)節(jié)連線與水平軸夾角，以及起跳階段的髖膝關(guān)節(jié)伸展角速度、軀干與水平軸夾角角速度、肩膝關(guān)節(jié)連線與水平軸夾角角速度等（Arndt et al.，1995；Virmavirta et al.，2009），并配合顯示三維特征圖面及其指標(biāo)值（圖4）。同時(shí)，在起跳區(qū)正側(cè)面架設(shè)獨(dú)立高速相機(jī)（100 Hz）捕捉起跳的側(cè)面視角圖像，并利用Dartfish軟件進(jìn)行圖像疊加視頻反饋（圖5）。

圖3 四相機(jī)同步捕捉起跳動(dòng)作的視角方案Figure 3.Perspective Scheme for Four Cameras to Capture Take-off Movements Simultaneously

圖4 起跳過程及離臺(tái)特征畫面相關(guān)參數(shù)結(jié)果顯示Figure 4.The Parameter Results during Take-off and Off-Station Phases

圖5 運(yùn)動(dòng)員出臺(tái)前后的動(dòng)作姿態(tài)圖像疊加顯示Figure 5.Superimposed Display of the Posture Images of the Athletes before and after the Launch

2.2 全程工作模塊

除了起跳，助滑和飛行技術(shù)與成績(jī)也高度相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，與跳臺(tái)滑雪距離成績(jī)最顯著相關(guān)的是助滑速度（Virmavirta et al.，2009），研究者認(rèn)為，優(yōu)秀的跳臺(tái)運(yùn)動(dòng)員能有效減小滑雪板和助滑道之間的摩擦力，以及在助滑過程中保持更好的空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)。而在飛行階段，運(yùn)動(dòng)員必須保持成功起跳所取得的優(yōu)勢(shì)，V型飛行方式中雪板姿態(tài)角與身體姿態(tài)都是重要的技術(shù)指標(biāo)（胡齊等，2020a，2020b；劉樹明，2002）。在不同的競(jìng)技水平上，影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)的因素可能有所差別，但更多更詳細(xì)的過程數(shù)據(jù)收集對(duì)于尋找個(gè)體運(yùn)動(dòng)員自身的技術(shù)缺陷仍是不可或缺的。

在跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)分析的文獻(xiàn)中，鮮見對(duì)運(yùn)動(dòng)員全程速度與姿態(tài)的跟蹤捕捉研究，這可能主要受限于測(cè)試的硬件設(shè)備，在安裝、采集、通訊等方面都具有技術(shù)難點(diǎn)。為解決這一問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用基于UWB的精準(zhǔn)定位技術(shù)，這種技術(shù)是一種新興的無線傳輸技術(shù)，具有精確三維動(dòng)態(tài)定位的能力（Jan et al.，2021）。將UWB與加速度傳感器整合為可穿戴元件（采樣頻率50 Hz），固定于運(yùn)動(dòng)員頭盔之上，通過基站與傳感器之間的數(shù)據(jù)交換，并結(jié)合特定跳臺(tái)的幾何學(xué)特征，獲取運(yùn)動(dòng)員在助滑階段和飛行階段任一時(shí)刻的位置、速度與加速度。這樣，與出臺(tái)位置附近的運(yùn)動(dòng)學(xué)視頻捕捉相結(jié)合，就能完成對(duì)整個(gè)跳臺(tái)滑雪過程的重要參數(shù)的捕捉。在研發(fā)期間，所解決的重要技術(shù)問題包括：基站配置形成覆蓋整個(gè)賽場(chǎng)的定位區(qū)域、對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理、對(duì)賽道的高度和坡道精準(zhǔn)繪制等，實(shí)現(xiàn)了全程動(dòng)作的數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)?；竟ぷ髟砼c結(jié)果數(shù)據(jù)顯示見圖6。其中數(shù)據(jù)曲線分別為運(yùn)動(dòng)員的全程速度與加速度時(shí)間序列，起跳點(diǎn)的速度值與通過視頻分析得到的速度結(jié)果基本吻合，表明其精度可靠。在離臺(tái)前運(yùn)動(dòng)員加速度在100 ms內(nèi)達(dá)到峰值（3 g左右），表明起跳蹬伸動(dòng)作的最大反作用力約為3 BW，與著陸時(shí)的最大反作用力基本相同。當(dāng)然，由于傳感器位于頭盔頂端，數(shù)值與人體重心加速度會(huì)有所差別，后續(xù)可通過實(shí)驗(yàn)室條件下的模擬起跳與著地進(jìn)行修正。

圖6 基于UWB和加速度傳感器的穿戴設(shè)備工作場(chǎng)景與數(shù)據(jù)顯示Figure 6.Wearable Device Work Scene and Data Display Based on UWB and Acceleration Sensor

3 實(shí)際應(yīng)用與建議

當(dāng)前，應(yīng)用本系統(tǒng)助力國(guó)家跳臺(tái)滑雪隊(duì)技術(shù)訓(xùn)練可基本做到快速反饋并當(dāng)日提供技術(shù)分析報(bào)告。技術(shù)分析報(bào)告包括全隊(duì)運(yùn)動(dòng)員關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)匯總與個(gè)體運(yùn)動(dòng)員詳細(xì)數(shù)據(jù)報(bào)告。技術(shù)指標(biāo)匯總上述兩大系統(tǒng)模塊的分析結(jié)果，包括飛行距離、蹬伸開始至出臺(tái)距離、蹬伸開始至出臺(tái)時(shí)間、出臺(tái)時(shí)膝關(guān)節(jié)角度、出臺(tái)時(shí)刻重心水平/垂直速度、出臺(tái)時(shí)刻速度方向角、出臺(tái)時(shí)刻軀干與水平面夾角、出臺(tái)時(shí)刻攻角、起跳階段最大加速度、著陸時(shí)速度以及沖擊加速度等。這些技術(shù)細(xì)節(jié)的定量化是傳統(tǒng)錄像觀察無法達(dá)到的。

通過對(duì)近兩個(gè)月的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)運(yùn)動(dòng)員尚存在蹬伸距離短、出臺(tái)垂直速度不足、起跳不充分等普遍性問題。這表明我國(guó)運(yùn)動(dòng)員的起跳爆發(fā)力有待提高，蹬伸時(shí)機(jī)的把握也需要更多的磨練，運(yùn)動(dòng)員在技術(shù)和體能上均具有很大的改善空間。我們建議，針對(duì)起跳階段的專項(xiàng)力量訓(xùn)練應(yīng)以中等負(fù)荷的快速力量練習(xí)為主，起跳爆發(fā)力練習(xí)時(shí)外加負(fù)荷應(yīng)控制在0.5～0.8 BW，比如可采用負(fù)重蹲跳練習(xí)，并監(jiān)控起跳時(shí)間與起跳速度，使之滿足動(dòng)作需求。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

雖然本研發(fā)系統(tǒng)已初步具有智能捕捉與分析的功能，但仍有一些可改進(jìn)的地方。國(guó)家跳臺(tái)滑雪教練團(tuán)隊(duì)建議將可穿戴傳感器放在軀干身體重心附近，以求獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。此外，將來還計(jì)劃將姿態(tài)傳感器放在雪板上，這樣可以研究全程身體和雪板的互動(dòng)關(guān)系。在起跳階段的運(yùn)動(dòng)捕捉中，在條件允許的情況下將考慮在助滑道下方起跳區(qū)域鋪設(shè)三維測(cè)力傳感器構(gòu)成的測(cè)力臺(tái)裝置，以獲取更準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，包括力矢量及壓心位置。

軟件分析方面，下一階段的工作重點(diǎn)是完善可視化反饋功能以及數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型的建立?？焖俚目梢暬答亴?duì)于教練員與運(yùn)動(dòng)員十分重要，雖然本系統(tǒng)已經(jīng)能做到指標(biāo)結(jié)果的快速反饋，并當(dāng)日提供報(bào)告，但最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)反饋，將重要的指標(biāo)及相關(guān)視頻、動(dòng)畫展示等以最短的時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)反饋給教練員與運(yùn)動(dòng)員。數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型是指在完善的數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立距離成績(jī)的預(yù)測(cè)模型，深入揭示跳臺(tái)滑雪的生物力學(xué)機(jī)制，這對(duì)于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的理論與實(shí)踐均具有指導(dǎo)意義。