高速动作捕捉技术帮助奥运选手游得更好

在游泳中，姿势和力量同样重要。顶尖选手对细节的把握——哪怕是脚踝的角度——都恰到好处，因为这可能意味着是登上领奖台还是一头扎进水中。为了帮助专业选手，视频分析现在已成为一种不可或缺的训练工具。“以前，我们只是依靠教练的眼光，”来纠正姿势、划水和踢腿动作，三届里约奥运会金牌得主、力争第四名的内森·阿德里安 (Nathan Adrian) 说。“现在我把 LED 绑在身上，软件进行分析。这套设备可以放在手提箱里随身携带。”

宝马的工程师帮助开发了这项专为美国国家游泳队设计的便携式技术。宝马并没有感知汽车驶入盲区并帮助防止撞车，而是对系统进行了编程，使其能够精确跟踪游泳者划水的动作。然后，软件将这些动作（每次蹬水、划水或脚部的错误角度）转化为数据。

它的工作原理如下：阿德里安在身上贴上 LED 灯，然后在他游泳时用高速摄像机记录下来。算法将这些动作转换成教练可以采取的有用数据。宝马位于加州的 Designworks 创意咨询总监彼得·法尔特 (Peter Falt) 表示，捕捉和转换这些数据对于开发该系统的工程师、设计师和程序员来说“不是一件容易的事”。法尔特说，这迫使他们在“恶劣条件”（例如水下）下工作，并跟踪和分析一些“快速移动的物体”（例如世界级游泳运动员）。

阿德里安是世界上最伟大的 50 米和 100 米自由泳运动员之一，他曾参加过两届奥运会，见证了大多数游泳运动员使用的技术（如慢速水下视频分析）变得越来越精确。但宝马的动作捕捉系统可以捕捉到更细微的动作。该系统将数据转换成 2D 渲染图，可以分解到游泳者脚趾不完美的弯曲程度。这为游泳运动员提供了前所未有的反馈水平。

游泳队专门使用这些效果图来评估和改进这项运动中最重要的动作之一：海豚式打腿——游泳者在跳入水中或转身离开池壁后做出的最初几个起伏的全身动作，以及水下动量最大的瞬间。充分利用这一打腿动作是关键。“将这项技术用于海豚式打腿是一个里程碑，”该队的高性能顾问 Russell Mark 说。“这是一种巨大的武器。每个人都会从池壁上打一两次腿。但能够打七、八次甚至九次腿？这才是真正使用它。”

现在，当阿德里安在练习中完美地完成海豚式踢腿时，教练可以将数据转化为基准，告诉其他游泳运动员如何复制它。“我们知道谁擅长这项技术，”马克说。“关键是要弄清楚如何让更多的运动员也能做到。”

3 月初，阿德里安在推特上发布了一段视频，视频中他把 LED 传感器贴在身上，跳入泳池。虽然表面上他是在帮助马克测试该系统，但他也收集了大量有关自己技术的有用信息，本质上获得了一个很好的反馈循环。

“我能看到的一件事，”他说，“是我的脊柱线角度差异。我注意到我的上胸部运动量与那些一直打败我的家伙相比有所增加。这取得了微小的进步。但微小的进步正是我们目前所追求的。这对于理解我们如何保持势头将起到巨大的作用。”

最终，该团队希望将视频分析实时传输到池边的平板电脑上，让教练可以当场对运动员的姿势进行微调。但阿德里安并不急于等到成品出炉。

“我喜欢分析，喜欢了解事物运作的原理，”他说，“我以前从未用这种细致的分析来审视我的海豚式踢腿。在游泳方面，如果你能在不消耗更多能量的情况下提高自己的效率，那就是白赚的钱。”

本文最初发表于《大众科学》杂志 2016 年 7/8 月刊，属于我们“英雄的科学”专题的一部分。