原標題:當滑雪這項世界最古老的運動遇上AI
文/ 離離
來源/智能相對論(aixdlun)
“旋轉(zhuǎn),跳躍,我閉著眼……”
不對,錯了。
助滑、起跳、空中翻轉(zhuǎn)、落地,是自由式滑雪技術(shù)動作的四個組成部份。運動員須以每小時55到68公里的速度下滑,借助高度為三、四米左右的跳臺,在15米高的空中進行翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)體等動作,最終在37度的雪坡上平穩(wěn)滑出。裁判依照空中動作與落地動作的完成度、優(yōu)美度和難度系數(shù)采取扣分制評分。這是現(xiàn)行自由式滑雪運動比賽的流程。
隨著2022年北京冬季奧運會越來越近,中國滑雪運動呈現(xiàn)蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。統(tǒng)計報告顯示,自1996到2018年,中國滑雪人次從1萬增至1800萬,預(yù)計到2022年中國冰雪旅游收入將超過6700億元。而國內(nèi)近來火熱的人工智能技術(shù),也開始賦能于滑雪這項歷史悠久的體育活動,幫助自由式滑雪運動建立較為客觀的評分系統(tǒng)。
相對于人類裁判的雙眼,人工智能可通過圖像識別及大數(shù)據(jù)技術(shù),對目標運動員進行識別、跟蹤和測量,將目標的滑雪動作與數(shù)據(jù)庫中的技巧做出分析、比對和評判。而提供這個系統(tǒng)的,是此前以作詞作曲寫詩聞名的微軟小冰。
上周,小冰宣布與國家體育總局冬運中心達成合作,為冬奧會提供自由式滑雪空中技巧視覺評分系統(tǒng)。據(jù)悉,這是人工智能在全球競技類體育領(lǐng)域的首個落地成果。
像滑雪、滑冰、體操、芭蕾等依靠動作難度與“美感”來評分的運動,或多或少都會帶有一定的主觀色彩。而人工智能系統(tǒng)可以很好地解決這個問題,能使用完全客觀一致的標準,將技術(shù)動作量化,為參賽選手評分。此外,小冰還能配合國家體育總局冬運中心自由式滑雪隊的科學(xué)訓(xùn)練需求,針對自由式滑雪空中技巧項目的運動特點,獨創(chuàng)滑雪運動分析模型,幫助運動員提升訓(xùn)練效率。
此為近年來人工智能技術(shù)在滑雪領(lǐng)域的新嘗試,在此之前,AI技術(shù)在滑雪運動中的應(yīng)用多偏重于滑雪穿戴裝備的科技化和滑雪機器人的研發(fā)。
特效眼鏡、教練鞋墊……還有什么不可以
若是你在滑雪場看到一個戴著紫色眼鏡自言自語的人,請不要懷疑他有精神問題,他只是在和眼鏡說話罷了。
2015年,以色列創(chuàng)業(yè)團隊推出了一款帶有視頻聊天功能的RideOn滑雪護目鏡和頭盔,讓人們在滑雪的時候也能和親友實時分享。這款售價為599美元(約等于3800元人民幣)的滑雪護目鏡除了防刮、防水、除霧等基本功能,還配備了高像素的攝影機。第一視角的拍攝效果堪比Go Pro運動相機,可直接將錄制的影片通過藍牙發(fā)送到手機上,為許多愛好攝影的運動博主和Youtuber帶來便利。
除此之外,RideOn護目鏡內(nèi)置的AR設(shè)備能讓佩戴者擁有現(xiàn)實增強的體驗。其采用了Clear-Vu顯示技術(shù),清晰度可達到谷歌眼鏡的3倍。利用人機交互技術(shù),RideOn滑雪鏡還會根據(jù)用戶的視野顯示一個類似微軟Hololens的虛擬浮動界面,用戶無需借用任何外部設(shè)備,通過眼神即可完成各種操作。如通過視線移動完成選擇,然后眨一下眼睛,發(fā)送信息或語音,甚至扔一個虛擬雪球。
RideOn還設(shè)有虛擬障礙滑雪賽道的游戲特效,讓用戶穿過數(shù)個虛擬六角形障礙并依此獲得分數(shù),與朋友們一較高下,為滑雪訓(xùn)練增添了趣味性。此外,Ride On還配備了GPS導(dǎo)航功能,不僅能幫助使用者定位及判別方向,還能與其他使用者共享位置;并隨時提供天氣、風(fēng)向、高度等實時訊息,幫助使用者選擇更好的滑行路線。實用的功能和滿點的娛樂性讓RideOn一推出便廣受歡迎。
同樣的,如果你在滑雪場看到有人突然獨自站住不動,怎么叫他都沒反應(yīng),也不必覺得奇怪?;蛟S,他只是在專注聆聽鞋墊的指導(dǎo)。
“智能相對論”查詢到,Carv-滑雪智能鞋墊被稱為“踩在腳底的私人滑雪教練”,可以在用戶滑雪過程中收集雙腳壓力、運動加速度和路徑數(shù)據(jù),以此監(jiān)測使用者每次滑行的身體重心位置和平衡程度變化。鞋墊中的電池通信模塊可以對收集到的數(shù)據(jù)進行實時存儲和分析,可以通過無線藍牙與手機APP連接,并藉由耳機對用戶進行語音指導(dǎo),或者通過顯示屏反饋給用戶。
這位誕生于英國倫敦大學(xué)帝國理工學(xué)院的“教練”由一個厚度只有1毫米左右的超薄鞋墊和一個電池通信模塊組成。鞋墊上分布著追蹤器、48個壓力傳感器和1個9軸3D運動加速度傳感器,可以監(jiān)控滑行姿勢、滑行路徑、轉(zhuǎn)彎弧度、起跳落地角度等各項滑雪參數(shù),并配有各種相應(yīng)尺碼。
此款鞋墊還能針對不同滑雪者的水平和不同的滑雪項目,提供量身定制的參考數(shù)據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)意見,并分析數(shù)據(jù)的走向及使用者與職業(yè)滑雪運動員之間的差異,從而改善并提高滑雪技術(shù)。
對于普通滑雪,Carv會直接對動作質(zhì)量做出評價,并通過聲音告訴滑雪者,幫助用戶改進滑雪姿勢。對于自由式滑雪,Carv可以分析滯空時間、轉(zhuǎn)體角度等信息。對于職業(yè)運動員和教練,Carv記錄的數(shù)據(jù)和教練端APP可以幫助他們完整記錄、分析整體運動過程。Carv還可以計算用戶的滑雪成績,讓業(yè)余的滑雪愛好者與朋友分享、比較運動數(shù)據(jù),且售價僅為199英鎊(折合人民幣1741元),似乎比聘請人類滑雪教練的費用便宜許多。
AI除了加持護目鏡、鞋墊等滑雪必備用品,也為膝蓋不好的人們提供了參與滑雪運動的機會。
致力于開發(fā)人類增強型外骨骼的Roam Robotics公司研發(fā)了一款能減輕滑雪者身體負擔(dān)的外骨骼裝備機器人Roma。其結(jié)合車載傳感器和智能軟件,能預(yù)測使用者的轉(zhuǎn)彎動作,并自動調(diào)整膝蓋和四軸支撐。幫助使用者自然運動,保證使用者的人身安全。
外骨骼裝備最早運用于軍事領(lǐng)域,為了提高單個士兵作戰(zhàn)能力而研發(fā),后來擴展至醫(yī)學(xué)及工業(yè)用途。運作原理是根據(jù)人的肢體活動來感應(yīng)、驅(qū)動機械關(guān)節(jié)執(zhí)行動作,能幫助穿戴者跑得更快、跳得更高、負重能力更強,并為穿戴者提供保護。
滑雪時膝蓋往往承擔(dān)較多壓力,Roma利用傳感器來探測滑雪者的動作,再利用氣囊和織物來自動調(diào)整膝蓋部位的扭矩。在下坡的時候,Roma還提供一種平衡的輔助設(shè)備。當遇到難度較大的轉(zhuǎn)彎,或想在斜坡上停留時,這個裝置都能幫忙減少肌肉的壓力。如果你已經(jīng)確定自己下一步要做什么動作,還可以手動進行調(diào)整。
算法說:你學(xué)會了!制動器:哈哈哈哈哈
和相對成熟的滑雪設(shè)備智能化技術(shù)相比,滑雪機器人的落地還需要不少時間。
兩年前,韓國平昌冬奧會上舉辦了一場“Edge of Robot滑雪機器人比賽”,由韓國科技公司、研究機構(gòu)及高等院校所研發(fā)的八名參賽機器人共同對戰(zhàn)。這些萌萌的小機器身高介于75至160cm不等,具有類似人體的外形,手拿雪杖、腳踏滑雪板,看起來有點專業(yè)。不知是為了保溫還是賣萌,研究團隊還為它們穿上了滑雪服。
這些機器人均搭載了雷達與視覺傳感器,借助攝像機內(nèi)置的AI視覺系統(tǒng)來判定自身與障礙物間的距離,通過對這些訊息的處理與獨立的動力系統(tǒng),來操縱“腿部”制動器進行障礙物與目的地鎖定,以及滑行路線、速度的轉(zhuǎn)換。
對于人類而言,屈膝、轉(zhuǎn)彎和重心移動皆是熟能生巧的本能反應(yīng),但對于機器人來說,模仿人類滑雪動作并自動繪制路徑,是一項極其繁復(fù)且困難的工程。
首先遇到的瓶頸是姿態(tài)模仿,機器人需要模仿人類滑雪運動員在雪道上滑行和轉(zhuǎn)向時的姿態(tài),同時能夠?qū)ψ藨B(tài)進行相應(yīng)的控制和調(diào)整。對現(xiàn)有的AI視覺分析和大數(shù)據(jù)技術(shù)而言,姿態(tài)動作的解析與重心、受力的計算并非難事,但做出來可就不是那么一回事了。
這次比賽的雙板滑雪項目,由于人體姿態(tài)和雙足受力是左右對稱且平均的,人體正面對著前進方向,較有利于機器人的分析模仿。但單板滑雪中,人體側(cè)向面對前進方向,且在轉(zhuǎn)彎的過程中會產(chǎn)生前刃和后刃的不對稱反弓,讓機器人更加難以理解和模仿。
其次是平衡問題。相對于人類通過感知和敏銳的神經(jīng)達到身體平衡,機器人只能通過數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。在脫離摩擦力且有坡度的雪地上,機器人要保持重力、重心位置、支撐力和摩擦力的平衡;轉(zhuǎn)彎時還要隨著反作用力和離心力的變化隨時調(diào)整姿勢保持重心位置。嗯,真是非??简灆C器人(工程師)的實時計算能力與制動能力呢。
啊!我太難了!
第三個難題是路線判斷?;C器人基于視覺傳感器獲取場景訊息,依靠AI視覺識別和視覺學(xué)習(xí)功能,在滑行過程中,完成對雪道方向、坡度及障礙物的位置識別,從而實時測算出滑行線路,再藉由驅(qū)動器控制機器人的關(guān)節(jié)。但雪地低摩擦環(huán)境所帶來的坡度、阻力、摩擦力等變數(shù)讓機器人無法像在平常的土地上那樣精確控制前進速度,算法精準度尚有待提高。而冰天雪地的低氣溫也讓一些參賽選手的導(dǎo)航系統(tǒng)失去了作用,讓它們無視障礙物,喜感地直沖終點。
雙足滑雪機器人的制作,涉及冰雪生物動力學(xué)、雙足機器人設(shè)計、環(huán)境感知、姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)計算等多個學(xué)科綜合。與雙足步行機器人相比,滑雪機器人行進速度快、雪地環(huán)境復(fù)雜,對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境感知以及自主決策提出更高的要求??傮w而言,滑雪機器人在比賽中的表現(xiàn)好壞參半,但這場比賽揭示了韓國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。
相較之下,中國對雙足滑雪機器人的研究進度較慢,而為了推進中國冰雪體育與體育科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展,北京延慶滑雪場也將舉行滑雪機器人的障礙滑雪賽--首屆中國國際機器人競技大賽-冰雪全明星賽。但除了娛樂,滑雪機器人的實際作用與商業(yè)價值似乎還需要我們發(fā)散一下想象力。
除了速度比拼,滑雪者動作的熟練度與姿態(tài)之美也是滑雪比賽的一大看點。自由式滑雪視覺評分系統(tǒng)雖具有“客觀公正”的優(yōu)點,但并未達到可獨立做出裁決的水平。
由于人工智能掌握的技巧動作是基于人類現(xiàn)有的姿態(tài),通過大量自我學(xué)習(xí)而獲得。在現(xiàn)有的運算規(guī)則下,當參賽者做出尚未出現(xiàn)過的新動作,AI評分系統(tǒng)可能會無所適從。若是完全依靠人工智能判決,無法理解“美感”為何物的AI裁判可能會讓這些技巧動作類運動失去美感與創(chuàng)造力。再者,裁判的判決評分標準本身也是競技體育的魅力之一,少了人工判決的偶然性與懸念,或許會讓比賽不再那么吸引人。
而比起較為小眾的滑雪機器人和To B的小冰視覺評分系統(tǒng),智能滑雪設(shè)備的引進與研發(fā)或許才能真正讓國內(nèi)日益龐大的滑雪運動群體享受到人工智能技術(shù)為滑雪運動帶來的價值。
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