奥运金牌背后的科技传奇
综合报道
“今天，在竞技场上，训练方法已没有多大差别，哪怕想取得0.01秒的优势，都需要借助计算机来实现。计算机辅助训练系统的研发，不仅可攻克计算界的世界性难题，还可以帮助运动员在奥运会上获得奖牌。”
2004年11月11日，中科院计算所数字化技术研究室副主任王兆其博士对记者发出了以上的感慨。
这时，2004年奥运会刚刚过去不到3个月，2008年北京奥运会的备战已经紧锣密鼓地开始了。而在各国运动员的备战中，计算机及其辅助训练系统逐渐成为众多运动员和教练员的常规装备，而在中国体育健儿的训练中，王兆其和他的同事们研发的“三维人体模拟仿真和视频分析训练系统”，正发挥着越来越重要的作用。
“虚拟”完美“梦之队”
“今年奥运会前，国家跳水队封闭训练期间，我们到了济南的训练基地。正好跳水队碰上了棘手的难题：郭晶晶和吴敏霞的双人跳水不同步，如果在比赛中出现这样的情况，肯定会影响成绩，教练员和运动员都挺着急。我们借助跳水视频分析系统查找原因，终于发现郭晶晶在起跳时提前了半步。找到原因以后，纠正错误就比较容易了。”在随后的雅典奥运会上，郭晶晶和吴敏霞技压群芳，获得了3米板女子双人跳水金牌，为中国跳水队赢得了“开门红”。时隔3个月后，计算机所的张勇东博士给记者讲起这件事时，语气中又是骄傲又是欣慰。
张勇东博士所说的“跳水视频分析系统”是“三维人体模拟仿真和视频分析训练系统”的子项目，也是国家体育总局备战2008年奥运会重点科研攻关项目。早在2003年10月，中国跳水队就开始正式使用这套辅助训练系统了。
此前，国家跳水队一直采用摄像机拍摄运动员动作，以回放、分析的方式来训练，但跳水运动有其特殊性：套路比较固定，比赛时追求难度系数，而且要求运动员发挥非常稳定，任何一个细微动作不到位，都会影响到比赛的最终成绩。因此，教练和运动员在分析录像时，需要运动员每个动作都秋毫必现，而这，正是传统摄像所不能实现的。
张勇东和计算所的同事们从2002年就开始研究的跳水视频分析系统正好能弥补这个缺陷。他告诉记者，这套系统采用高质量数字视频采集，而且视频采集和动作回放可以同步完成。“运动员完成一个动作后，立刻就可以在泳池边的电脑上看到刚才入水的全套动作单帧定格回放，动作有什么差错一目了然。”除此之外，电脑还能将动作分解，实现单帧定格回放、不同速率回放、反向放映等，力争让运动员跳水的每一个细节臻于完美。
当然，跳水视频分析系统的功用并不仅仅在于录像和回放，更重要的是，它会在重现动作的同时，给出各种分析数据。比如，在跳水项目中，起跳是一个关键动作，系统就会进行跳动力、运动员身体弯曲度等几项分析，而且这些分析图都能及时打印给运动员。
而更让运动员们感兴趣的，则是系统可以将两个运动员分别跳同一动作的录像合成到一个画面中，两个人的差异立即见分晓。郭晶晶和吴敏霞的双人跳水训练就是采用这套系统来分析、发现动作差异的。“有时候，两个视频的对比，可能比运动员同步训练更重要。”张勇东演示了在奥运会上不同国籍的两运动员完成同一动作的情况比较，“你可以看到录像中的背景是不同的。简单说，我们可以把其中一个运动员从其中一个录像中‘摘’出来，放到另一个运动员的视频中，运动员之间完成动作的差异很容易看出来。”
视频分析系统其中一项专利技术就是能做一个动作的全景图分析，将运动视频合成为所有关键动作的全景图，一些高难动作就是通过这样的全景图来完美呈现的。 “一天的训练结束后，现场的研究人员把运动员多次的视频动作提取合成到一张静态全景图中，打印出来运动员就可以带回宿舍琢磨，不需要花更多的时间看视频回放。”
虚拟人陪练“空中芭蕾”
今年8月20日，黄珊汕取得奥运会女子蹦床比赛铜牌之前，“蹦床”对于中国人来说，还是一个陌生的名词。而在这个号称“空中芭蕾”的运动中，中国队后来居上，仿真训练系统也功不可没。
“蹦床运动是体操的一种，在国内开展的时间不长，只有6年，运动员成绩的好坏要看运动员每次起跳的高度是否一致、动作完成得是否优美，这些动作都是已有的几十个动作中选10个组成一套，任意组合，最后看动作的精确度和优美度。” 夏时洪博士负责国家蹦床队的计算机三维模拟训练系统项目，介绍起来如数家珍。
而这种随意的动作组合，看似一个数学上的排列问题，在实际训练中，就代表着运动员的训练时间和效果。数字化三维蹦床训练系统的任务，就是以数字化三维人体运动的计算机仿真技术、人体运动生物力学数据与真实人体运动数据为基础，用三维方式逼真模拟、设计、分析技术动作，具有更强的指导意义。据此可以提高我国竞技运动训练水平和科技含量，改善运动员技能、推动体育科技研究、促进体育事业的发展。
夏时洪一边说，一边调出电脑中的一段录像资料，给记者展示蹦床运动员在天津训练基地的情形。
“蹦床的基本动作都以三维人体动作影像保存在软件的数据库中，运动员每次完成一套动作需要10个基本动作组成，用鼠标拖动这些动作名称到电脑屏幕的下方编辑区，然后在屏幕中就可以看到这些动作连接在一起的表现形式。”随着夏时洪的解说，屏幕上，一个虚拟人按夏时洪的编排，完成了蹦床的全套动作，“这种组合是否美观、协调动作要领有哪些，教练员和运动员都能一目了然。”
在一个资料画面上，一个运动员的实际动作录像和三维虚拟人的同一套动作模拟影像在电脑上分左右同时播放，并以相同视点同步对比，可以让教练员和运动员分析两者之间的差异，从而提高训练成绩。而且，在这个系统的帮助下，教练还可以随时修改新的动作──定格虚拟人在空中翻腾时的动作，然后做方向、四肢的角度变换，进行各种数据分析之后，一个新的动作就可以产生。
“蹦床运动的计分有一个关键点，是运动员成套动作的高度应该保持一致，我们通过分析打印出运动员的重心轨迹，就知道运动员的动作是否到位。这项功能是在实际使用时，蹦床运动总教练卓贤麟提出的，对运动员准确判断每次起跳用力有很大帮助。”
体育竞争背后是科技竞争
“过去用国外软件做一个动作分析需要4个小时，因为要人工根据单幅画面去计算，现在的系统把这些工作交给计算机去做，只需要2分钟就可以打印出分析图。”张勇东博士不无自豪地告诉记者，计算所这套软件，已经走在了世界前列。
他介绍说，目前在国外使用较多的是瑞士出品的Dartfish、SIMI这两个辅助训练软件，但这两个软件在视频分析上与计算所研发的系统功能上有差异，还缺少模拟这部分功能。
而“三维人体模拟仿真和视频分析训练系统”的另一大优势，则是它所需要的硬件设备，就是最普通的PC。无庸讳言，这对于系统的大范围应用，是非常有利的。
“要备战2008年奥运，这套系统还将会有哪些改进？”对记者的这个疑问。张勇东博士这样回答：这套系统在计算技术上的难点有三个，从视频中把人取出再叠加、动态视频到静态视频的转换、人的关键点动作参数提取，这些都是在国际上商业化辅助训练软件的共同遇到的难题。运动员关键点参数提取的动力分析也是一个难点，现在的系统可以实现运动员肩部4个点的分析，计算所的专家们接下来要攻克的是运动员全身关节部位动力分析，这也是一个世界性的计算技术难题。
“为了获取数据，如果是在实验室，可以在运动员身体上安置一些仪器，但这在实际训练中就不可行，会影响运动员训练，所以现在的成果只能算是刚起步，真正实现三维数据提取和最接近的逼真模拟，还要一段时间。”王兆其博士的话，非常中肯，指出了完善系统亟待解决的问题。不过，他也强调：“2002年的冬奥会上，已有40多个奥运冠军得益于计算机辅助训练系统，今年的奥运会，美国队是使用这类软件最多的体育代表队。”体育竞技几乎已成为了各国科技力量的竞争。为此，计算所的专家们将继续努力，2008年北京奥运会上，中国运动员的金牌将含有更多科技的结晶。