在北京冬奧會上有一項黑科技引發(fā)了廣泛的關注，就是英特爾® 3DAT三維運動員追蹤技術(3D Athlete Tracking，3DAT)。中國速度滑冰隊奪取北京冬奧會速度滑冰男子500米比賽金牌并刷新了該項目奧運紀錄，以及北京冬奧會開幕上《致敬人民》和《雪花》兩個節(jié)目中令人贊嘆的演員與現(xiàn)場大屏互動觀賞效果，背后都有3DAT技術參與實現(xiàn)。
將人工智能等數(shù)字技術應用于競技體育，是數(shù)字體育的一大發(fā)展方向。特別是用人工智能技術捕捉和重建冠軍的運動姿態(tài)和生物力學模型等的冠軍模型，對于推動人類探索和突破競技體育極限，以及將冠軍模型普惠給更多運動員甚至提升大眾運動水平等方向都極具價值。而《致敬人民》和《雪花》兩個節(jié)目效果，更彰顯了人工智能與運動及藝術結合的潛力。
3DAT技術在北京冬奧會的開幕式和部分訓練中成功應用后，已經(jīng)有很多體育運動甚至非體育運動的合作伙伴或用戶，也在考慮這項技術在其業(yè)務場景中的應用價值。在3月25日的“AI黑科技走出賽場普惠大眾”英特爾IN Club硬客沙龍上，英特爾技術團隊詳細介紹了3DAT技術及其發(fā)展歷程，并期望推動這項技術走進大眾運動。
結緣挪威高山滑雪
3DAT技術，簡單理解就是對運動員的運動過程進行連續(xù)拍照，再運用人工智能技術對照片進行分析，提取出運動員在高速運動下的運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，結合生物力學模型進行分析，用于運動員的日常訓練以及大賽后的分析總結，對于冠軍運動員的奪冠賽分析則可形成相應的冠軍模型。對于3DAT技術來說，找到關鍵的運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，是其核心挑戰(zhàn)。
將深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型用于圖片及視頻分析，已經(jīng)取得了突破性進展。但要將這項技術用于運動員的運動姿態(tài)分析，就必須結合不同運動的類型及其生物力學模型等專業(yè)知識。璇米科技CEO、前英特爾資深技術專家李洪剛在“AI黑科技走出賽場普惠大眾”英特爾IN Club硬客沙龍上介紹，早在2018平昌冬奧會剛結束的9月，英特爾技術團隊就帶著3DAT技術原型訪問了挪威奧委會及下屬機構Oplimpiantoppen體育科研所和高山滑雪協(xié)會等。
英特爾技術團隊在挪威的利勒·哈默爾高山滑雪協(xié)會訓練中心遇到了主攻高山滑雪生理學科的羅伯特·里德博士，當時英特爾技術團隊有兩大任務：一是了解如何將3DAT技術應用到日常訓練中;二是了解3DAT技術是否能夠幫助運動員提升訓練效果。
(英特爾技術團隊用四部相機完成了高山滑雪小回轉項目運動員動作捕捉)
高山滑雪對于3DAT技術從原型到實際應用來說是一個很高的起點。高山滑雪主攻彎道技術，也就是在過彎道時候使用滑雪板的韌——將韌切入雪中實現(xiàn)高速過彎道。英特爾技術團隊當時與高山滑雪的小回轉項目合作，在40米左右的滑道上安裝了四部相機用于捕捉滑雪運動員過旗門的動作。除了小回轉項目，英特爾技術團隊還了解了越野滑雪、體能訓練等相關運動及訓練的專業(yè)知識。當時Oplimpiantoppen體育科研所已經(jīng)在運動員體能訓練等環(huán)節(jié)大量使用攝像頭捕捉運動員姿態(tài)、頻率、頻度等，這些都給了英特爾技術團隊極大的啟發(fā)。
3DAT技術詳解
近年來，運動員們逐漸用上了動作追蹤技術來輔助訓練。采集數(shù)據(jù)、分析量化的方法能幫助提高每一次訓練的效率。
具體來看動作追蹤技術的原理，分為兩個階段。
在階段一，AI根據(jù)攝像機拍下的視頻，提取運動員的關鍵骨骼點信息、身體關鍵部位的姿態(tài)、運動軌跡和位置信息等，并進行三維重建。以速度滑冰項目的起跑階段為例，3DAT技術在運動員全身定義了23個動作捕捉點，可以生成運動員的步頻、蹬冰(Push off)時間、懸空(Air time)和地面(Ground time)時間、膝關節(jié)角速度、起跑角速度等一組參數(shù)集，再用人工智能進行運動員三維姿態(tài)重建，對照片中的人形進行檢測掃描并生成2D骨骼，對每套2D骨骼通過多個相機進行跟蹤，結合場地平面等先驗信息，生成3D姿態(tài)數(shù)據(jù)，最后進一步生成生物力學數(shù)據(jù)。
在階段二，運用生物動力學(Biomechanics)算法對數(shù)據(jù)做分析，計算出運動員和教練員關注的參數(shù)。通過人工智能技術的追蹤，呈現(xiàn)出運動員關節(jié)的空間運動軌跡，例如速度滑冰運動員膝關節(jié)的運動軌跡，為教練提供了珍貴的，甚至是人眼無法獲得的運動數(shù)據(jù)。
英特爾公司首席工程師余志洪在沙龍上介紹，英特爾®3DAT三維運動員追蹤技術之所以被稱為黑科技，是因為它不同于此前的動作捕捉技術，3DAT不需要專用攝像機如高分辨率紅外攝像機等，也不需要被捕捉者穿戴任何傳感器，只需用普通單反甚至手機拍攝視頻，就能通過精心設計和優(yōu)化的AI算法，導出三維運動姿態(tài)并進行精準的數(shù)據(jù)分析。3DAT還可以低成本解決比賽中大范圍3D姿態(tài)重建的難題，像花樣滑冰1800平方米這樣大型的場地，只用2-4個攝像頭就能采集到運動員在此范圍內(nèi)的所有動作。
英特爾®3DAT三維運動員追蹤技術不僅支持1080P、4K等畫質，還能以高于每秒100幀的速度解碼。測量誤差可以壓低至5毫米級別，角度誤差也控制在7-8度左右。另一方面，3DAT還可以把以上捕捉到的效果，實時展現(xiàn)給教練員，大幅提升了指導的效率;并且可采集記錄下每一位運動員的數(shù)據(jù)，形成單獨的數(shù)據(jù)庫，方便教練員回看和調取記錄，以此來分析制定訓練計劃。
為了保證精度和實時性，3DAT背后有一整套軟件算法和硬件加速的支持。
首先，AI算法是來自英特爾，且運行在CPU上。其中使用了英特爾®OpenVINO™ 視覺工具套件，提供深度學習推理套件(DLDT)，從而將各種訓練好的模型進行線上部署。3DAT不只可以輔助速度滑冰一個項目訓練，像花樣滑冰、越野滑雪等項目，只要有訓練好的模型，就能通過OpenVINO完成部署。據(jù)介紹，采集5萬張左右圖像就能訓練好適配一項運動的模型。也就是說，只要有了數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)需求調整算法。
3DAT使用第三代英特爾®至強®可擴展處理器，它可用于云計算、高性能計算、數(shù)據(jù)分析和AI等應用場景，擁有8-40個內(nèi)核，支持8通道DDR4，64條PCI EXPRESS 4.0通道，以及專為AI應用的加速——集成了英特爾®深度學習加速技術，不僅可以使用CPU加速AI，而且在優(yōu)化到位的情況下還可以媲美專用AI加速芯片的效果。像開幕式上“和平鴿雪花”節(jié)目中超過600人實時動捕，只用了4顆第三代英特爾®至強®可擴展處理器，時延還遠低于預定的目標，就是采用了OpenVINO+第三代英特爾®至強®可擴展處理器對INT8模型的加速能力。
存儲方面使用了英特爾®傲騰™ 技術，可以提供持續(xù)型內(nèi)存、大型內(nèi)存池、快速緩存和快速存儲，以此來保證數(shù)據(jù)的低時延處理。同時，3DAT還應用英特爾®Scalable Video Technology，可對相機拍下的畫面進行高效編碼，進一步降低視頻數(shù)據(jù)的壓縮存儲和上云的帶寬需求。
從競技體育到大眾運動
在北京冬奧會的開幕式和備戰(zhàn)訓練中，3DAT技術展現(xiàn)出了巨大的價值和潛力。未來，英特爾希望3DAT技術走向更廣泛的場景，即在所有需要動作追蹤的應用場景中進行推廣，實現(xiàn)“無門檻化應用”。
3DAT從競爭體育入手，打磨一整套具備平民化應用前景的AI技術體系。從2021年冬季開始，中國速度滑冰隊便已經(jīng)在日常訓練中用上了這套視覺動捕系統(tǒng)。速度滑冰作為一項純速度較量的比賽項目，把動作優(yōu)化到極致、不斷逼近人體極限是運動員取勝的關鍵所在。
利用視頻動捕技術，AI可以實現(xiàn)速度滑冰運動員三維姿態(tài)重建，對起跑、加速等動作進行精準量化評估，測量誤差可以控制在5毫米以下。通過3DAT將多次訓練數(shù)據(jù)積累起來，縱向能總結某一個運動員自身的習慣和特點，橫向能比對不同運動員間的長處與短板。教練員可以在3DAT技術的支持下整理并提出科學訓練計劃和專業(yè)策略，有效提升訓練效率。
EXOS是當今世界上最具影響力的運動訓練服務機構之一，該機構負責運動能力創(chuàng)新(Performance Innovation)高級副總裁Craig Friedman認為3DAT技術為運動員帶來了巨大的進步，就好像從50年代黑白電視到后來彩電的躍變。從最開始的人眼觀察，發(fā)展到使用視頻回看的方式進行技術分析，但始終沒有詳細的數(shù)據(jù)可供進一步的分析，而3DAT技術則提供了大量的運動數(shù)據(jù)供教練進行定量分析。
未來，3DAT計算還可以遷移至云上進行，對設備的要求還能進一步降低，使用者基本使用自備視頻拍攝的設備，如手機即可。余志洪介紹，英特爾期望用3DAT技術賦能體育產(chǎn)業(yè)，盡可能降低體育產(chǎn)業(yè)應用AI的門檻，賦能更多的生物力學專家使用3DAT方案。目前，英特爾已經(jīng)與亞馬遜云科技合作，在云上通過Cloud SDK和API等形式供合作伙伴、開發(fā)者和生物力學專家使用。通過亞馬遜云科技上一整套的云解決方案，生物力學專家可以直接進行數(shù)據(jù)分析，ISV與開發(fā)者也可以進行二次開發(fā)。
余志洪強調，3DAT雖然從專業(yè)運動員開始，但它有著廣泛賦能大眾運動的前景。例如，疫情期間很多人沒辦法到線下俱樂部進行健身，一個解決方案就是教練通過網(wǎng)上連線的方式檢查學員動作是否準確。而3DAT的低門檻，則剛好可以在大眾的健身環(huán)節(jié)中發(fā)揮作用，幫助學員和教練進行動作的校正，甚至有可能因此開發(fā)出一套人工智能自動校正動作系統(tǒng)。此外，在老人或運動康復方面，也可以運用3DAT精確校正某個環(huán)節(jié)的復原是否到位等等。除了體育運動外，對動捕應用需求旺盛的游戲、虛擬現(xiàn)實、線上購物、數(shù)字藝術創(chuàng)作等領域，也有望受益于3DAT技術。
整體來說：3DAT技術是數(shù)字體育的一大進展，是將AI應用于體育運動的普惠型技術方案。通過近幾年在競技體育等“象牙塔”的應用實踐，證明了3DAT技術的可行性、可靠性以及為運動員帶來的真正價值。未來，隨著3DAT技術進一步的云端化，有望普惠更為廣泛的非專業(yè)運動人群以及普通大眾，讓科學運動和科學健身走進日常訓練與生活，成為體育及大眾運動健身數(shù)字化轉型的有力工具。
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