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“黑科技”賦能冬奧賽場,無人機掃描搭建“仿真雪場”
發(fā)布時間:2021-01-25 16:24:01 文章來源:新華社
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如何使滑冰滑雪的動作更精準(zhǔn)?如何在非雪季進行雪上訓(xùn)練?……為備戰(zhàn)北京冬奧會,提升冬季運動項目訓(xùn)練水平,幾年來,由北京理工大學(xué)牽頭實施的國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項“國家科學(xué)化訓(xùn)練基地建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目穩(wěn)步實施。一項項“黑科技”已經(jīng)或即將運用于我國冬季運動項目的訓(xùn)練中,助力“科技冬奧”,讓運動員在冰雪賽場上更快、更強!

“高精鏡頭”追蹤冰上軌跡

連日來,在首都體育學(xué)院的滑冰館內(nèi),北理工光電學(xué)院儀器研究所副教授劉明帶領(lǐng)團隊一遍遍測試設(shè)備??磁_上豎立著數(shù)臺圖像采集云臺變焦設(shè)備和超高清相機,劉明盯著4K顯示器中正在冰場內(nèi)滑冰的測試人員圖像,操作電腦,采集分析其運動軌跡。

他所負責(zé)的速度滑冰運動分析課題,旨在通過“云臺變焦運動軌跡采集與動作捕捉分析”“冰場全景圖像采集與運動軌跡分析”兩套系統(tǒng),對速度滑冰、短道速滑、花樣滑冰等冰上運動軌跡和動作進行分析,可精細解析單個運動員的動作軌跡,也可對多名運動員軌跡進行同步分析。

“我們系統(tǒng)的作用就是把運動員的運動過程,通過連續(xù)變焦跟蹤特寫及全景采集的方式記錄下來,再對其動作和軌跡進行分析,便于優(yōu)化技術(shù)動作,幫助運動員、教練員實現(xiàn)科學(xué)化訓(xùn)練。”劉明說。

此項目的最大特點是將云臺變焦技術(shù)應(yīng)用于運動測量,運動員不需穿戴式設(shè)備,即便在很大范圍內(nèi)活動,仍可精確獲得其運動數(shù)據(jù)。為滿足高精度測量需求,團隊不斷改良鏡頭設(shè)計,在經(jīng)過7個版本的改進后實現(xiàn)了測量過程的平順、快速和高精度。兩臺全景相機具有高達單幀2500萬像素的解析度,采集幀率每秒160幀,適合多人運動軌跡分析。

劉明說,下一步團隊將改進升級系統(tǒng),增加采集機位數(shù)量,提高圖像解析度,讓分析結(jié)果更精準(zhǔn)。“希望我們的設(shè)備產(chǎn)品能盡快運用于冰上運動甚至是田徑項目的教學(xué)和訓(xùn)練中,提升運動員的成績,這將是我們最大的光榮!”

無人機掃描搭建“仿真雪場”

在茫茫雪原上高速疾馳,忽而起伏顛簸,忽而側(cè)身轉(zhuǎn)彎……在北理工光電學(xué)院,“冬季項目場景三維感知及重建技術(shù)”課題組的張海洋正在電子屏上展示其用三維激光雷達掃描系統(tǒng)搭建的崇禮滑雪場場景,讓人身臨其境。他身旁,擺放著兩架搭載激光雷達系統(tǒng)的無人機。

“我們通過測量跳臺滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季兩項等項目的三維場景的數(shù)據(jù),利用VR(虛擬現(xiàn)實)技術(shù)把場景信息顯示出來,再加上運動員跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù),實現(xiàn)視覺場景顯示,用于運動員在室內(nèi)的仿真訓(xùn)練。”張海洋說。

不同雪場環(huán)境不同,要做到真實還原,需收集大量實地數(shù)據(jù)。為此,研究團隊利用無人機載、車載的激光雷達系統(tǒng),奔赴北京、河北、吉林等地多個滑雪場進行數(shù)據(jù)掃描和測試,還通過運動員穿戴的傳感器,收集其在雪場運動信息,再反饋到顯示系統(tǒng)中。

運動員模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對重建精度、低溫和實時傳輸?shù)确矫娑家髧栏瘢绕涫堑蜏氐奶魬?zhàn)特別大。有的雪場方圓幾平方公里,有的場地落差近千米,用無人機搭載激光雷達掃描效率較高,但無人機在零下20攝氏度以下就功效下降,為此團隊還開發(fā)出適合低溫環(huán)境運行的無人機載激光雷達掃描系統(tǒng)。

“目前我們的相關(guān)成果已應(yīng)用于國家隊,可減少運動員在非訓(xùn)練時的損傷,提高運動效率,給教練員提供技術(shù)幫助。”張海洋希望,讓技術(shù)成果惠及更多運動員。

室內(nèi)仿真模擬“高山滑雪”

在北理工一間實驗室內(nèi),自動化學(xué)院研究生曹洪卿正穿戴好傳感器裝備,走上12米長的鋼制滑臺,踏上滑臺上一副模擬雪橇,面對巨大電子屏上的滑雪場景畫面,開始急速左右擺動滑行。

因參與“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓(xùn)練系統(tǒng)”的課題,曹洪卿專門參加了滑雪培訓(xùn),以親身測試這套室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備的效果。“在滑臺上主要是做回轉(zhuǎn)運動,在上面練習(xí)挺累的,但有真實雪道的體驗,可達到滑雪訓(xùn)練的目的。”他說。

據(jù)悉,此項目主要是為高山滑雪、越野滑雪等項目的運動員提供室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備,以提升其回轉(zhuǎn)、滑行等專項技術(shù)動作的訓(xùn)練效率。同時,通過在滑雪訓(xùn)練平臺上安裝運動形態(tài)識別與位姿測量系統(tǒng),可采集分析運動員運動數(shù)據(jù),為科學(xué)化訓(xùn)練提供指導(dǎo)依據(jù)。

課題組負責(zé)人、北理工自動化學(xué)院教授劉向東介紹,這套設(shè)備的優(yōu)點是讓運動員在非雪季也能在室內(nèi)展開滑雪訓(xùn)練,滑臺上的滑行速度可達百公里的時速。運動員全身關(guān)節(jié)處的17個傳感器,可精準(zhǔn)反映其姿態(tài)動作數(shù)據(jù),幫助教練評估參考。此外,這套設(shè)備的通用型產(chǎn)品還在滑臺下加裝了運動模擬平臺,有高低、傾斜、偏轉(zhuǎn)變化,通過各角度幫助運動員訓(xùn)練。相關(guān)設(shè)備已用于國家高山滑雪隊運動員的日常訓(xùn)練。

“北京冬奧會越來越近,希望我們的研究成果能促進運動員的訓(xùn)練,助力科技冬奧在訓(xùn)練技術(shù)方面的提升,做出我們的貢獻。”劉向東說。(魏夢佳、馬曉冬)

標(biāo)簽: 無人機 冬奧賽場

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