在数台图像采集云台变焦设备和超高清相机的“众目睽睽”之下，4K显示屏上准确“捕捉”冰场内不断闪动的运动员身影，电脑终端则同步分析其运动轨迹。
这只是北京理工大学牵头实施的国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——国家科学化训练基地建设关键技术研究与示范项目中最新亮相的成果之一。日前，揭开神秘面纱的一项项“黑科技”，有望帮助运动员在冬奥会赛场上做到更快、更强。
高精度镜头精准“捕捉”运动员冰上轨迹
围绕科学备战北京冬奥会，有效提升冬季运动项目训练水平，连日来，在首都体育学院的滑冰馆内，北京理工大学光电学院仪器研究所副教授刘明带领团队，一遍又一遍地测试一种助力北京冬奥会的“黑科技”。
刘明团队所负责的这种“黑科技”，其实是一个速度滑冰运动分析课题，主要是借助“云台变焦运动轨迹采集与动作捕捉分析”“冰场全景图像采集与运动轨迹分析”两套系统，记录运动员的速度滑冰、短道速滑、花样滑冰等冰上运动轨迹和动作，并进行分析，然后精准分析每一个运动员的动作轨迹，甚至还可以对多位运动员的运动轨迹进行同步解析。
“冰上运动多为室内项目，无法使用GPS准确捕捉运动员运动的轨迹。而我们系统的作用，就是把运动员的运动过程，通过连续变焦跟踪特写及全景采集的方式记录下来，再对其动作和轨迹进行分析，便于优化技术动作，帮助运动员、教练员实现科学化训练。”刘明介绍，不久的将来，这个项目成果落地后，将为北京冬奥会冰上项目训练提供科技助力，为帮助运动员制定训练计划、研究比赛策略等提供精确参考。
这项“黑科技”的最大特点，是将云台变焦技术应用于运动测量，运动员不需穿戴式设备，即便在很大范围内活动，运动数据仍可被精确测量。为了满足高精度的测量需求，研究团队目前还在不断改良镜头设计。改进7个版本后，现在实现了测量过程的平顺、快速和高精度。其中，两台全景相机具有高达单帧2500万像素的解析度，采集帧率每秒160帧，适合多人运动轨迹的同步分析。
刘明说，下一步，团队还将进一步改进升级系统，增加采集机位数量，提高图像解析度，让分析结果更加精准。
三维感知技术为运动员提供高沉浸感训练环境
运动员要想获得好的竞赛成绩，日常的模拟训练尤为关键。在真实的雪地环境里，运动员模拟训练系统对重建精度、低温和实时传输等方面要求严格，尤其需要克服低温所带来的挑战。有的雪场方圆数平方公里，有的场地落差近千米，用无人机搭载激光雷达扫描效率较高，但无人机在零下20摄氏度以下功效会大幅下降。
北京理工大学冬季项目场景三维感知及重建技术课题组研发的高精度机载激光雷达系统相关技术，将有望破解这一技术难题。
在北京理工大学光电学院，课题研究者张海洋正对着电子屏，紧张地测试用三维激光雷达扫描系统搭建的崇礼滑雪场场景。
为了向2022年冬奥会的雪上项目训练提供科技支持，从2018年8月起，由光电学院赵长明教授牵头的课题组成员，就开始了“冬季项目场景三维感知及重建技术”的研究工作，并根据冬奥项目的训练需求，进一步研发了“运动员运动信息多源实时采集与显示系统”。
两年来，团队跟随国家队采集了大量雪场和运动员训练数据进行分析，并紧跟运动队训练需求进行科研开发，为多个雪上运动项目训练提供了技术支持。张海洋说：“我们通过测量跳台滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季两项等项目的三维赛道数据，利用VR(虚拟现实)技术把场景信息重建和显示出来。配合所采集到的高精度运动员运动信息，建立了一套运动信息多源实时采集与显示系统，帮助教练员纠正训练动作和提高训练效率，同时还能用于运动员在室内的仿真训练。”
然而，不同的雪场，环境有所不同。而要做到真实还原雪地场景，就需要收集大量的实地数据。为此，研究团队利用无人机载和车载激光雷达系统，分赴北京、河北、吉林等地多个滑雪场进行数据扫描、测试，同时还通过运动员穿戴的传感器，收集其在雪场运动信息，再反馈“装”入显示系统中。
目前，该团队的相关成果已应用于国家队的日常训练中。这些成果可减少运动员在非训练时的损伤，提高运动效率，给教练员的指导提供必要的技术支持。
人体高速弹射装置为冰雪训练精准控制速度
在速度滑冰运动中，掌握弯道处的滑行技术是制胜的关键，而训练中滑行加速至高速，却非常耗费体力。因此，运动员通常仅在临近比赛前才开始进行大量的弯道技术训练。
只需几秒钟的时间，一名速度滑冰运动员就可从静止状态达到指定速度，然后，调节姿态、入弯一气呵成……在速度滑冰国家队训练场地内，运动员们正在使用北京理工大学宇航学院航天发射技术团队研制的“人体高速弹射装置”，开展弯道技术训练。
这套由北京理工大学宇航学院牵头研制的“人体高速弹射装置”，主要用于辅助速度滑冰运动员的弯道滑行技术训练，可实现加速过程的精准控制，填补了该领域的国内空白。2019年4月研制成功的首台装置，最近在国家队训练中心安装调试完毕，教练组进行了模拟训练，深受国家队教练和运动员喜爱，已成为国家队日常训练科目之一。
“该设备具有过程可控、调节方便、滑离速度精确等优点，通过助力运动员训练中的加速过程，减少体力消耗，提高训练效率，提升运动水平，取得了很好的训练效果。”该项目主要研发人、宇航学院教师郝继光说。
除速度滑冰外，针对跳台滑雪的人体弹射装置目前也已经研制成功，不久将在训练基地安装应用，可为我国运动员在2022年冬奥会取得优异成绩提供科技支撑。
此外，该校自动化学院还研发了“室内多自由度模拟滑雪训练系统”，为高山滑雪、越野滑雪等项目的运动员提供室内模拟滑雪训练设备，以提升其回转、滑行等专项技术动作的训练效率。(中国教育报记者 柯进 通讯员 哈楠)