在北京冬奧會上有一項(xiàng)黑科技引發(fā)了廣泛的關(guān)注，就是英特爾® 3DAT三維運(yùn)動員追蹤技術(shù)(3D Athlete Tracking，3DAT)。中國速度滑冰隊(duì)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(xiàng)目奧運(yùn)紀(jì)錄，以及北京冬奧會開幕上《致敬人民》和《雪花》兩個(gè)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(shù)參與實(shí)現(xiàn)。
將人工智能等數(shù)字技術(shù)應(yīng)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(shù)捕捉和重建冠軍的運(yùn)動姿態(tài)和生物力學(xué)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(yùn)動員甚至提升大眾運(yùn)動水平等方向都極具價(jià)值。而《致敬人民》和《雪花》兩個(gè)節(jié)目效果，更彰顯了人工智能與運(yùn)動及藝術(shù)結(jié)合的潛力。
3DAT技術(shù)在北京冬奧會的開幕式和部分訓(xùn)練中成功應(yīng)用后，已經(jīng)有很多體育運(yùn)動甚至非體育運(yùn)動的合作伙伴或用戶，也在考慮這項(xiàng)技術(shù)在其業(yè)務(wù)場景中的應(yīng)用價(jià)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(shù)團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了3DAT技術(shù)及其發(fā)展歷程，并期望推動這項(xiàng)技術(shù)走進(jìn)大眾運(yùn)動。
結(jié)緣挪威高山滑雪
3DAT技術(shù)，簡單理解就是對運(yùn)動員的運(yùn)動過程進(jìn)行連續(xù)拍照，再運(yùn)用人工智能技術(shù)對照片進(jìn)行分析，提取出運(yùn)動員在高速運(yùn)動下的運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合生物力學(xué)模型進(jìn)行分析，用于運(yùn)動員的日常訓(xùn)練以及大賽后的分析總結(jié)，對于冠軍運(yùn)動員的奪冠賽分析則可形成相應(yīng)的冠軍模型。對于3DAT技術(shù)來說，找到關(guān)鍵的運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)，是其核心挑戰(zhàn)。
將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于圖片及視頻分析，已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。但要將這項(xiàng)技術(shù)用于運(yùn)動員的運(yùn)動姿態(tài)分析，就必須結(jié)合不同運(yùn)動的類型及其生物力學(xué)模型等專業(yè)知識。璇米科技CEO、前英特爾資深技術(shù)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(jié)束的9月，英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)就帶著3DAT技術(shù)原型訪問了挪威奧委會及下屬機(jī)構(gòu)Oplimpiantoppen體育科研所和高山滑雪協(xié)會等。
英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)在挪威的利勒·哈默爾高山滑雪協(xié)會訓(xùn)練中心遇到了主攻高山滑雪生理學(xué)科的羅伯特·里德博士，當(dāng)時(shí)英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)有兩大任務(wù)：一是了解如何將3DAT技術(shù)應(yīng)用到日常訓(xùn)練中;二是了解3DAT技術(shù)是否能夠幫助運(yùn)動員提升訓(xùn)練效果。
(英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)用四部相機(jī)完成了高山滑雪小回轉(zhuǎn)項(xiàng)目運(yùn)動員動作捕捉)
高山滑雪對于3DAT技術(shù)從原型到實(shí)際應(yīng)用來說是一個(gè)很高的起點(diǎn)。高山滑雪主攻彎道技術(shù)，也就是在過彎道時(shí)候使用滑雪板的韌——將韌切入雪中實(shí)現(xiàn)高速過彎道。英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)與高山滑雪的小回轉(zhuǎn)項(xiàng)目合作，在40米左右的滑道上安裝了四部相機(jī)用于捕捉滑雪運(yùn)動員過旗門的動作。除了小回轉(zhuǎn)項(xiàng)目，英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)還了解了越野滑雪、體能訓(xùn)練等相關(guān)運(yùn)動及訓(xùn)練的專業(yè)知識。當(dāng)時(shí)Oplimpiantoppen體育科研所已經(jīng)在運(yùn)動員體能訓(xùn)練等環(huán)節(jié)大量使用攝像頭捕捉運(yùn)動員姿態(tài)、頻率、頻度等，這些都給了英特爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)極大的啟發(fā)。
3DAT技術(shù)詳解
近年來，運(yùn)動員們逐漸用上了動作追蹤技術(shù)來輔助訓(xùn)練。采集數(shù)據(jù)、分析量化的方法能幫助提高每一次訓(xùn)練的效率。
具體來看動作追蹤技術(shù)的原理，分為兩個(gè)階段。
在階段一，AI根據(jù)攝像機(jī)拍下的視頻，提取運(yùn)動員的關(guān)鍵骨骼點(diǎn)信息、身體關(guān)鍵部位的姿態(tài)、運(yùn)動軌跡和位置信息等，并進(jìn)行三維重建。以速度滑冰項(xiàng)目的起跑階段為例，3DAT技術(shù)在運(yùn)動員全身定義了23個(gè)動作捕捉點(diǎn)，可以生成運(yùn)動員的步頻、蹬冰(Push off)時(shí)間、懸空(Air time)和地面(Ground time)時(shí)間、膝關(guān)節(jié)角速度、起跑角速度等一組參數(shù)集，再用人工智能進(jìn)行運(yùn)動員三維姿態(tài)重建，對照片中的人形進(jìn)行檢測掃描并生成2D骨骼，對每套2D骨骼通過多個(gè)相機(jī)進(jìn)行跟蹤，結(jié)合場地平面等先驗(yàn)信息，生成3D姿態(tài)數(shù)據(jù)，最后進(jìn)一步生成生物力學(xué)數(shù)據(jù)。
在階段二，運(yùn)用生物動力學(xué)(Biomechanics)算法對數(shù)據(jù)做分析，計(jì)算出運(yùn)動員和教練員關(guān)注的參數(shù)。通過人工智能技術(shù)的追蹤，呈現(xiàn)出運(yùn)動員關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動軌跡，例如速度滑冰運(yùn)動員膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡，為教練提供了珍貴的，甚至是人眼無法獲得的運(yùn)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(yùn)動員追蹤技術(shù)之所以被稱為黑科技，是因?yàn)樗煌诖饲暗膭幼鞑蹲郊夹g(shù)，3DAT不需要專用攝像機(jī)如高分辨率紅外攝像機(jī)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(jī)拍攝視頻，就能通過精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化的AI算法，導(dǎo)出三維運(yùn)動姿態(tài)并進(jìn)行精準(zhǔn)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(gè)攝像頭就能采集到運(yùn)動員在此范圍內(nèi)的所有動作。
英特爾®3DAT三維運(yùn)動員追蹤技術(shù)不僅支持1080P、4K等畫質(zhì)，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(shí)時(shí)展現(xiàn)給教練員，大幅提升了指導(dǎo)的效率;并且可采集記錄下每一位運(yùn)動員的數(shù)據(jù)，形成單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫，方便教練員回看和調(diào)取記錄，以此來分析制定訓(xùn)練計(jì)劃。
為了保證精度和實(shí)時(shí)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(yùn)行在CPU上。其中使用了英特爾®OpenVINO™ 視覺工具套件，提供深度學(xué)習(xí)推理套件(DLDT)，從而將各種訓(xùn)練好的模型進(jìn)行線上部署。3DAT不只可以輔助速度滑冰一個(gè)項(xiàng)目訓(xùn)練，像花樣滑冰、越野滑雪等項(xiàng)目，只要有訓(xùn)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(xùn)練好適配一項(xiàng)運(yùn)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(diào)整算法。
3DAT使用第三代英特爾®至強(qiáng)®可擴(kuò)展處理器，它可用于云計(jì)算、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和AI等應(yīng)用場景，擁有8-40個(gè)內(nèi)核，支持8通道DDR4，64條PCI EXPRESS 4.0通道，以及專為AI應(yīng)用的加速——集成了英特爾®深度學(xué)習(xí)加速技術(shù)，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(shí)時(shí)動捕，只用了4顆第三代英特爾®至強(qiáng)®可擴(kuò)展處理器，時(shí)延還遠(yuǎn)低于預(yù)定的目標(biāo)，就是采用了OpenVINO+第三代英特爾®至強(qiáng)®可擴(kuò)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(shù)，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(shí)延處理。同時(shí)，3DAT還應(yīng)用英特爾®Scalable Video Technology，可對相機(jī)拍下的畫面進(jìn)行高效編碼，進(jìn)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(yùn)動
在北京冬奧會的開幕式和備戰(zhàn)訓(xùn)練中，3DAT技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的價(jià)值和潛力。未來，英特爾希望3DAT技術(shù)走向更廣泛的場景，即在所有需要動作追蹤的應(yīng)用場景中進(jìn)行推廣，實(shí)現(xiàn)“無門檻化應(yīng)用”。
3DAT從競爭體育入手，打磨一整套具備平民化應(yīng)用前景的AI技術(shù)體系。從2021年冬季開始，中國速度滑冰隊(duì)便已經(jīng)在日常訓(xùn)練中用上了這套視覺動捕系統(tǒng)。速度滑冰作為一項(xiàng)純速度較量的比賽項(xiàng)目，把動作優(yōu)化到極致、不斷逼近人體極限是運(yùn)動員取勝的關(guān)鍵所在。
利用視頻動捕技術(shù)，AI可以實(shí)現(xiàn)速度滑冰運(yùn)動員三維姿態(tài)重建，對起跑、加速等動作進(jìn)行精準(zhǔn)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(xùn)練數(shù)據(jù)積累起來，縱向能總結(jié)某一個(gè)運(yùn)動員自身的習(xí)慣和特點(diǎn)，橫向能比對不同運(yùn)動員間的長處與短板。教練員可以在3DAT技術(shù)的支持下整理并提出科學(xué)訓(xùn)練計(jì)劃和專業(yè)策略，有效提升訓(xùn)練效率。
EXOS是當(dāng)今世界上最具影響力的運(yùn)動訓(xùn)練服務(wù)機(jī)構(gòu)之一，該機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)運(yùn)動能力創(chuàng)新(Performance Innovation)高級副總裁Craig Friedman認(rèn)為3DAT技術(shù)為運(yùn)動員帶來了巨大的進(jìn)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(jìn)行技術(shù)分析，但始終沒有詳細(xì)的數(shù)據(jù)可供進(jìn)一步的分析，而3DAT技術(shù)則提供了大量的運(yùn)動數(shù)據(jù)供教練進(jìn)行定量分析。
未來，3DAT計(jì)算還可以遷移至云上進(jìn)行，對設(shè)備的要求還能進(jìn)一步降低，使用者基本使用自備視頻拍攝的設(shè)備，如手機(jī)即可。余志洪介紹，英特爾期望用3DAT技術(shù)賦能體育產(chǎn)業(yè)，盡可能降低體育產(chǎn)業(yè)應(yīng)用AI的門檻，賦能更多的生物力學(xué)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(xué)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(xué)專家可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，ISV與開發(fā)者也可以進(jìn)行二次開發(fā)。
余志洪強(qiáng)調(diào)，3DAT雖然從專業(yè)運(yùn)動員開始，但它有著廣泛賦能大眾運(yùn)動的前景。例如，疫情期間很多人沒辦法到線下俱樂部進(jìn)行健身，一個(gè)解決方案就是教練通過網(wǎng)上連線的方式檢查學(xué)員動作是否準(zhǔn)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(xué)員和教練進(jìn)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(yùn)動康復(fù)方面，也可以運(yùn)用3DAT精確校正某個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)原是否到位等等。除了體育運(yùn)動外，對動捕應(yīng)用需求旺盛的游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、線上購物、數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域，也有望受益于3DAT技術(shù)。
整體來說：3DAT技術(shù)是數(shù)字體育的一大進(jìn)展，是將AI應(yīng)用于體育運(yùn)動的普惠型技術(shù)方案。通過近幾年在競技體育等“象牙塔”的應(yīng)用實(shí)踐，證明了3DAT技術(shù)的可行性、可靠性以及為運(yùn)動員帶來的真正價(jià)值。未來，隨著3DAT技術(shù)進(jìn)一步的云端化，有望普惠更為廣泛的非專業(yè)運(yùn)動人群以及普通大眾，讓科學(xué)運(yùn)動和科學(xué)健身走進(jìn)日常訓(xùn)練與生活，成為體育及大眾運(yùn)動健身數(shù)字化轉(zhuǎn)型的有力工具。
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