當(dāng)滑雪這項(xiàng)世界最古老的運(yùn)動遇上AI

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文/ 離離

來源/智能相對論（aixdlun）

“旋轉(zhuǎn)，跳躍，我閉著眼……”

不對，錯(cuò)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(gè)組成部份。運(yùn)動員須以每小時(shí)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(jìn)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(yùn)動比賽的流程。

隨著2022年北京冬季奧運(yùn)會越來越近，中國滑雪運(yùn)動呈現(xiàn)蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，自1996到2018年，中國滑雪人次從1萬增至1800萬，預(yù)計(jì)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(xiàng)歷史悠久的體育活動，幫助自由式滑雪運(yùn)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(biāo)運(yùn)動員進(jìn)行識別、跟蹤和測量，將目標(biāo)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(gè)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(yùn)中心達(dá)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(gè)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(yùn)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(gè)問題，能使用完全客觀一致的標(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)中心自由式滑雪隊(duì)的科學(xué)訓(xùn)練需求，針對自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目的運(yùn)動特點(diǎn)，獨(dú)創(chuàng)滑雪運(yùn)動分析模型，幫助運(yùn)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(yùn)動中的應(yīng)用多偏重于滑雪穿戴裝備的科技化和滑雪機(jī)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(gè)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(tuán)隊(duì)推出了一款帶有視頻聊天功能的RideOn滑雪護(hù)目鏡和頭盔， 讓人們在滑雪的時(shí)候也能和親友實(shí)時(shí)分享。這款售價(jià)為599美元（約等于3800元人民幣）的滑雪護(hù)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(jī)。第一視角的拍攝效果堪比Go Pro運(yùn)動相機(jī)，可直接將錄制的影片通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)上，為許多愛好攝影的運(yùn)動博主和Youtuber帶來便利。

除此之外，RideOn護(hù)目鏡內(nèi)置的AR設(shè)備能讓佩戴者擁有現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的體驗(yàn)。其采用了Clear-Vu顯示技術(shù)，清晰度可達(dá)到谷歌眼鏡的3倍。利用人機(jī)交互技術(shù)，RideOn滑雪鏡還會根據(jù)用戶的視野顯示一個(gè)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(gè)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(gè)虛擬六角形障礙并依此獲得分?jǐn)?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(shí)提供天氣、風(fēng)向、高度等實(shí)時(shí)訊息，幫助使用者選擇更好的滑行路線。實(shí)用的功能和滿點(diǎn)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(dú)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(yùn)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(jìn)行實(shí)時(shí)存儲和分析，可以通過無線藍(lán)牙與手機(jī)APP連接，并藉由耳機(jī)對用戶進(jìn)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(gè)厚度只有1毫米左右的超薄鞋墊和一個(gè)電池通信模塊組成。鞋墊上分布著追蹤器、48個(gè)壓力傳感器和1個(gè)9軸3D運(yùn)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(xiàng)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(xiàng)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(yùn)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(jià)，并通過聲音告訴滑雪者，幫助用戶改進(jìn)滑雪姿勢。對于自由式滑雪，Carv可以分析滯空時(shí)間、轉(zhuǎn)體角度等信息。對于職業(yè)運(yùn)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(yùn)動過程。Carv還可以計(jì)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(yùn)動數(shù)據(jù)，且售價(jià)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(fèi)用便宜許多。

AI除了加持護(hù)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(yùn)動的機(jī)會。

致力于開發(fā)人類增強(qiáng)型外骨骼的Roam Robotics公司研發(fā)了一款能減輕滑雪者身體負(fù)擔(dān)的外骨骼裝備機(jī)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(yùn)動，保證使用者的人身安全。

外骨骼裝備最早運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，為了提高單個(gè)士兵作戰(zhàn)能力而研發(fā)，后來擴(kuò)展至醫(yī)學(xué)及工業(yè)用途。運(yùn)作原理是根據(jù)人的肢體活動來感應(yīng)、驅(qū)動機(jī)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(fù)重能力更強(qiáng)，并為穿戴者提供保護(hù)。

滑雪時(shí)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(shí)候，Roma還提供一種平衡的輔助設(shè)備。當(dāng)遇到難度較大的轉(zhuǎn)彎，或想在斜坡上停留時(shí)，這個(gè)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(jìn)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(jī)器人的落地還需要不少時(shí)間。

兩年前，韓國平昌冬奧會上舉辦了一場“Edge of Robot滑雪機(jī)器人比賽”，由韓國科技公司、研究機(jī)構(gòu)及高等院校所研發(fā)的八名參賽機(jī)器人共同對戰(zhàn)。這些萌萌的小機(jī)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(diǎn)專業(yè)。不知是為了保溫還是賣萌，研究團(tuán)隊(duì)還為它們穿上了滑雪服。

這些機(jī)器人均搭載了雷達(dá)與視覺傳感器，借助攝像機(jī)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(dú)立的動力系統(tǒng)，來操縱“腿部”制動器進(jìn)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(jī)器人來說，模仿人類滑雪動作并自動繪制路徑，是一項(xiàng)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(jī)器人需要模仿人類滑雪運(yùn)動員在雪道上滑行和轉(zhuǎn)向時(shí)的姿態(tài)，同時(shí)能夠?qū)ψ藨B(tài)進(jìn)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(jì)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(xiàng)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(jìn)方向，較有利于機(jī)器人的分析模仿。但單板滑雪中，人體側(cè)向面對前進(jìn)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(jī)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(dá)到身體平衡，機(jī)器人只能通過數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。在脫離摩擦力且有坡度的雪地上，機(jī)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(shí)還要隨著反作用力和離心力的變化隨時(shí)調(diào)整姿勢保持重心位置。嗯，真是非?？简?yàn)機(jī)器人(工程師)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力與制動能力呢。

啊!我太難了!

第三個(gè)難題是路線判斷 ?；C(jī)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(shí)時(shí)測算出滑行線路，再藉由驅(qū)動器控制機(jī)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(jī)器人無法像在平常的土地上那樣精確控制前進(jìn)速度，算法精準(zhǔn)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(diǎn)。

雙足滑雪機(jī)器人的制作，涉及冰雪生物動力學(xué)、雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)、環(huán)境感知、姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)計(jì)算等多個(gè)學(xué)科綜合。與雙足步行機(jī)器人相比，滑雪機(jī)器人行進(jìn)速度快、雪地環(huán)境復(fù)雜，對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境感知以及自主決策提出更高的要求。總體而言，滑雪機(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。

相較之下，中國對雙足滑雪機(jī)器人的研究進(jìn)度較慢，而為了推進(jìn)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(jī)器人的障礙滑雪賽--首屆中國國際機(jī)器人競技大賽-冰雪全明星賽。但除了娛樂，滑雪機(jī)器人的實(shí)際作用與商業(yè)價(jià)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(diǎn)。自由式滑雪視覺評分系統(tǒng)雖具有“客觀公正”的優(yōu)點(diǎn)，但并未達(dá)到可獨(dú)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(yùn)算規(guī)則下，當(dāng)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(yùn)動失去美感與創(chuàng)造力。再者，裁判的判決評分標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jìn)與研發(fā)或許才能真正讓國內(nèi)日益龐大的滑雪運(yùn)動群體享受到人工智能技術(shù)為滑雪運(yùn)動帶來的價(jià)值。

*本文圖片均來源于網(wǎng)絡(luò)

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