競技體育的智能訓練與競賽
現代體育比賽不僅是各國運動員展示速度和力量的競技場，也是世界各國展示形象、將前沿科技與體育融合的大舞臺。隨著人類對挑戰自我的執著追求，各種競技項目的成績正在逼近人類能力的極限。為了進壹步提高比賽成績，哪怕是百分之壹甚至千分之壹，教練員和運動員都要盡最大努力，通過各種方式和技術來實現，科技的使能作用越來越重要。
在2018俄國世界杯上，數字表示和跟蹤系統(EPTS)第壹次被完全采用。其主要功能是自動采集並以數據形式呈現運動的時空信息，從而實現訓練和比賽的數字化讀取。在攝像頭和可穿戴傳感器的幫助下，EPTS系統可以跟蹤球員和足球的運動信息，並通過平板電腦為教練提供統計數據、位置信息和相應的視頻片段，幫助教練在場上做出決策。作為EPTS的壹部分，彈射式可穿戴傳感器也首次被批準用於世界杯。這套運動員智能追蹤系統的核心部件是壹個火柴盒大小的衛星定位裝置，佩戴在運動員肩胛骨中間，可以監測運動員的跑步距離、速度、跑步節奏、沖擊負荷、心率等數據，並做出深度分析。目前，在世界各地的職業足球、曲棍球和橄欖球隊中，這樣的裝備已經成為球隊訓練的標配。運動員經常穿著裝有這種裝置的“黑背心”進行訓練。教練不僅可以在場邊實時檢查全隊的表現並給予指導，還可以了解每個運動員的狀態並給予針對性的訓練運動調控，降低受傷概率。
在數字化方面，全國男籃聯賽也是壹個成功的例子。每個俱樂部都有壹個由數據科學、運動科學、醫學等不同領域的專家組成的運動成績分析團隊。數據科學的運用遠遠不局限於簡單的事件統計(如投籃、籃板、助攻等。)，而是基於教練的戰術需求，基於深度學習和數據挖掘對比賽中智能跟蹤系統捕捉到的籃球和球員的時空數據進行分析，幫助教練和運動員了解數據背後的比賽模式、傷病風險和對手風格，預測各種戰術的成功機會。教練掌握這些信息後，可以評估不同位置的球員對球隊的貢獻，設計訓練計劃，制定相應的戰術。在這樣壹個復雜的系統中，以SportVU為代表的智能系統起著至關重要的作用。SportVU技術起源於軍用多攝像機動態跟蹤技術。通過掛在競技場天花板上的六個攝像頭，該系統每秒鐘捕捉25幅圖像，以跟蹤和分析球員的運動。傳統的統計方法只統計主要結果，而SportVU系統可以還原整個過程，提供更加詳細、量化的數據，這也代表了體育數據科學的壹個主要發展方向。
除了團隊運動中的多人時空信息分析，運動員個人技術動作的數據采集、分析和評估技術近年來也取得了長足的進步，而這背後的主要推動力就是動作捕捉技術的進步。運動捕捉技術是壹種數字化采集三維人體運動的手段。以前因為設備和環境復雜，使用起來非常不方便。動作捕捉技術的主要應用僅限於大型電影的制作，並且通常僅用於體育方面的科學研究。隨著運動捕捉技術不斷向輕量化和易用化發展，基於運動捕捉技術的運動分析系統也進入了實用階段。例如，基於可穿戴設備的高爾夫運動分析和輔助訓練系統MySwing，可以借助佩戴在球員身上的多個微動傳感器，準確捕捉球員身體和球桿的空間運動數據，並提供分析結果，並使用多種不同的數據可視化方法，幫助球員和教練更好地洞察肉眼難以觀察的技術細節。借助這樣的設備，教練對球員的指導不再是“憑感覺和經驗”，主觀經驗可以量化，形成數據模型，不僅使技術動作的分析更加客觀，也使訓練更有針對性和高效性。
運動員比賽成績的提高不僅來源於訓練水平的提高，還來源於運動器材科技含金量的提高，甚至在某些情況下給體育帶來了巨大的變化。縱觀奧運歷史，器材的科技進步對競技成績的提高起到了重要的推動作用，連續三屆奧運會稱霸自行車賽場的英國隊就是其中的代表之壹。在這個遊戲中，結果是由千分之壹秒決定的。每壹個微小的偏差和改進都可能改變比賽的結果。英國團隊利用高科技手段實現了人和車的完美結合。基於流體動力學和人體工程學的分析，每壹輛英國運動員的賽車都經過精心調校，以達到人車最大程度的契合。此外，高科技的比賽服和特殊的賽車輪胎也成為了英國隊的“國家機密”。為了防止高科技機密泄露出去，英國自行車隊甚至規定賽後立即上繳設備和儀器，統壹回收銷毀。
中國的體育科技也正在進入智能時代。隨著2022年北京冬奧會的臨近，冬奧會備戰工作不斷深入，許多高科技手段被應用到運動員訓練的各個環節。借助人工智能、大數據、物聯網技術，形成了競技體育“訓練-技術輔助-保障”的新模式，成為冬季項目補短板、實現跨越式發展的關鍵因素。比如，在我國自主研發的風洞實驗輔助訓練系統中，借助風洞模擬技術，不僅可以進行實驗研究，還可以進行冰雪項目的輔助訓練；通過全景VR滑雪模擬器，構建數字化虛擬訓練場地環境，為中國高山滑雪愛好者和單板滑雪愛好者提供不同地形和雪況的模擬，讓運動員在室內以真實的滑雪速度和重力體驗完成訓練，提高比賽適應能力；多種不同的動作捕捉技術被廣泛用於收集和分析運動員的技術動作，為運動員精細打磨技術動作提供了有效的幫助。
未來，借助大數據和人工智能，從技術、戰術、體能、心智、性格等多個維度對運動員進行評估，構建可量化的“冠軍模型”，不僅可行，而且不可或缺。智能技術也將對教練和運動員在訓練和比賽中產生深遠的影響。
觀看比賽，數字競技場和智能觀看比賽。
在國外壹些職業體育賽事中，觀眾已經可以坐在家裏通過頭戴式VR顯示設備“零延遲”“零距離”觀看比賽。
蔓延全球的新冠肺炎疫情爆發後，在過去壹票難求的比賽場館裏，很難聽到觀眾的吶喊聲。看比賽轉播幾乎成了目前唯壹的看球方式。豐富體育轉播手段，讓球迷和體育愛好者以更具互動性和沈浸感的方式欣賞感興趣的賽事，已經成為體育產業發展的重要環節。
培養觀眾對體育的熱情，其中壹個重點就是幫助他們了解項目，了解比賽，閱讀比賽。為了讓不熟悉項目的觀眾快速全面的了解比賽信息，讓對項目感興趣的觀眾看到更多有趣的內容，視頻AI技術的應用將成為主流。這項技術通過人工智能的方法對視頻圖像進行學習、分析、理解和識別，涉及視頻分類、字符識別、語音識別、字符識別等。其主要應用場景是突破傳統轉播下觀看比賽的單壹形式，形成個性化的觀看模式。當觀眾通過特定的APP觀看比賽時，系統不斷學習，獲取他們的興趣點。通過識別自己喜歡的球員和遊戲中的關鍵動作，實時生成遊戲集錦，並在遊戲過程中自動選擇最佳觀看座位，在遊戲過程中播放遊戲最有趣的瞬間。觀眾還可以隨時查看和獲取比賽不同維度的信息，例如查看運動員的詳細個人信息，了解項目規則介紹等。隨著視頻AI技術的不斷進步，這壹應用有著廣闊的發展空間。
新型可視化技術、無線通信和新興互聯網技術的結合，不斷突破距離限制，為觀眾在家實現非接觸、近距離觀看和互動體驗創造了條件。其中，5G和虛擬現實(VR)技術的應用加速了智能觀賽的發展。在國外壹些職業體育賽事中，觀眾已經可以坐在家裏通過頭戴式VR顯示設備“零延遲”“零距離”觀看比賽。利用5G“高速低時延”的網絡特性，2022年北京冬奧會將采用5G+8K直播技術。屆時，觀眾可以隨時隨地觀看高清轉播，並通過移動終端的社交軟件與親朋好友實時分享精彩畫面。同時，北京冬奧會也將實現5G+VR轉播。通過VR技術帶來的360度視角，觀眾可以自由旋轉視角觀看比賽，實現場景的沈浸感。在VR中，不僅可以看到完全真實的遊戲場景，還可以實現壹種超越現實的體驗。在觀看比賽的過程中，通過對場地環境和移動目標的識別，根據用戶的喜好，疊加多種數字信息，實現個性化的觀看體驗，達到更好的觀看效果。
以往比賽往往會因為壹個不恰當的判罰而毀於壹旦，對比賽本身的公平性和觀賽體驗造成不利影響。為了解決這壹問題，智能技術正被引入球場，打造“智慧球場”。早在2006年，“鷹眼”系統就被用於網球比賽。用高速攝像機從不同角度捕捉網球的飛行軌跡，進行三維重建和落點計算。當出現有爭議的比分時，“鷹眼”系統輔助裁判確定網球的準確落點。類似的技術也被引入到足球比賽中，成為球門線技術。在計算機的幫助下，可以判斷足球是否越過球門線，從而確定進球是否有效。這項技術在2013年被國際足聯正式引入世界杯，成為足球史上高科技被采用的歷史性決定。2018俄羅斯世界杯期間，國際足聯首次采用了視頻助理裁判系統(VAR)。當比賽出現球進門、紅牌、紅黃牌送錯目標、點球四種情況時，VAR系統會在場上提醒裁判，並通過視頻回放和自動識別技術糾正誤判和漏判。此外，以體操為代表的評分技巧和難度的項目，人工智能裁判也在醞釀中。由於比賽的激烈，體操運動員之間的動作差異越來越微妙，對裁判員的能力要求越來越高，裁判員在長期工作後保持評分的準確性也越來越困難。人工智能體操評分系統通過3D激光傳感器測量並建立運動員的三維人體運動模型，對其旋轉速度、肢體擺動幅度、跳躍高度等進行極其精確的記錄，並與數據庫數據進行比對，從而判斷運動員的技術動作是否成功，是否需要加分或減分。據預測，如果人工智能評分技術在體操比賽中測試成功，將會推廣到花樣滑冰和跳水等其他項目。
大眾健身實現專業化，增強娛樂性。
智能技術正逐漸在不同的運動項目中得到應用，運動技術的評估和訓練輔助是人工智能技術在全民健身產業發展中的重要應用領域。
人們希望在專業人士的指導下，有計劃、有步驟地進行鍛煉，但缺乏專業的健身指導信息資源和途徑，這必然導致大眾健身活動的盲目性、隨意性和風險性。在壹些體育科學發達、普及率較高的國家，普遍接受按照“運動處方”進行科學鍛煉，但在中國，運動處方對大多數人來說還是壹個新概念，運動處方者更是鳳毛麟角。運動處方是指導人們采用最適宜的運動項目，根據鍛煉者的基本情況和評估結果，結合主客觀條件，以處方的形式制定適宜的運動內容、運動強度、運動時間和頻率，並指出運動中的註意事項，從而達到科學的、有計劃的健身目的。鑒於人民群眾對科學健身的迫切需求與缺乏科學指導信息資源之間的矛盾，可以預見，基於人工智能技術的運動處方管理系統將在我國具有巨大的發展潛力。
智能運動處方系統基於大量的專家知識，以用戶的體能測試數據為基礎，充分評估用戶的運動能力，預測可能的運動風險，根據用戶的運動目的制定健身運動處方，動態監控運動過程，不斷檢查運動處方的有效性，並在大數據的基礎上通過機器學習不斷優化運動處方。
智能穿戴設備的快速發展，為運動處方的制定和有效實施創造了有利條件。當越來越多的跑步距離、速度、心率、心電、血氧等指標在智能手環、智能手表等可穿戴設備上實現時，大型專業設備就成了每個人都可以隨身攜帶的健康助手。過去復雜的測試已經在不知不覺中完成，智能化的運動處方也不再遙遠。
同時，鍛煉者保持良好的運動技能同樣重要，這也需要專業知識的指導。以最常見的跑步為例，如果跑者的技術動作出現問題，不僅會影響跑步的成績，更是導致運動損傷的關鍵因素。對於專業研究者來說，跑步過程中的技術動作可以用腳著地方式、著地時間、垂直擺動、膝關節屈伸角度等專業數據指標來描述。在過去，這些都需要在實驗室環境下進行精確分析，但現在有了面向普通消費者的智能產品，通過自動化手段幫助跑者診斷跑步中的技術問題，並基於數據指導其改進，讓普通人也能接受專業的運動技術指導。類似的智能技術也逐漸在不同的運動項目中得到應用。運動技術的評估和訓練輔助是人工智能技術在全民健身產業發展中的重要應用領域。
為了幫助鍛煉者堅持鍛煉計劃，提高鍛煉過程中的娛樂性也很重要。通過智能設備將不同形式的互動和社交引入運動:基於智能可穿戴設備的運動記錄和打卡排名已經非常普及；通過智能互動屏，鍛煉者與虛擬數字教練互動，或者通過攝像頭、麥克風在鍛煉過程中與他人社交的產品受到追捧；更多突破性的新技術將很快從實驗室走向大眾，戶外運動時通過增強現實(AR)眼鏡進行娛樂和社交的“黑科技”不再遙遠。在智能技術的幫助下，大眾健身將變得更加科學、有效和有趣。
(作者:劉浩洋、崔、陶寬，均來自北京體育大學，劉浩洋為教授，崔為博士後，陶寬為講師)