“今天，在競技場上，訓練方法已沒有多大差別，哪怕想取得0.01秒的優勢，都需要借助計算機來實現。計算機輔助訓練系統的研發，不僅可攻克計算界的世界性難題，還可以幫助運動員在奧運會上獲得獎牌。”
2004年11月11日，中科院計算所數字化技術研究室副主任王兆其博士對記者發出了以上的感慨。
這時，2004年奧運會剛剛過去不到3個月，2008年北京奧運會的備戰已經緊鑼密鼓地開始了。而在各國運動員的備戰中，計算機及其輔助訓練系統逐漸成為眾多運動員和教練員的常規裝備，而在中國體育健兒的訓練中，王兆其和他的同事們研發的“三維人體模擬仿真和視頻分析訓練系統”，正發揮著越來越重要的作用。
“虛擬”完美“夢之隊”
“今年奧運會前，國家跳水隊封閉訓練期間，我們到了濟南的訓練基地。正好跳水隊碰上了棘手的難題：郭晶晶和吳敏霞的雙人跳水不同步，如果在比賽中出現這樣的情況，肯定會影響成績，教練員和運動員都挺著急。我們借助跳水視頻分析系統查找原因，終于發現郭晶晶在起跳時提前了半步。找到原因以后，糾正錯誤就比較容易了。”在隨后的雅典奧運會上，郭晶晶和吳敏霞技壓群芳，獲得了3米板女子雙人跳水金牌，為中國跳水隊贏得了“開門紅”。時隔3個月后，計算機所的張勇東博士給記者講起這件事時，語氣中又是驕傲又是欣慰。
張勇東博士所說的“跳水視頻分析系統”是“三維人體模擬仿真和視頻分析訓練系統”的子項目，也是國家體育總局備戰2008年奧運會重點科研攻關項目。早在2003年10月，中國跳水隊就開始正式使用這套輔助訓練系統了。
此前，國家跳水隊一直采用攝像機拍攝運動員動作，以回放、分析的方式來訓練，但跳水運動有其特殊性：套路比較固定，比賽時追求難度系數，而且要求運動員發揮非常穩定，任何一個細微動作不到位，都會影響到比賽的最終成績。因此，教練和運動員在分析錄像時，需要運動員每個動作都秋毫必現，而這，正是傳統攝像所不能實現的。
張勇東和計算所的同事們從2002年就開始研究的跳水視頻分析系統正好能彌補這個缺陷。他告訴記者，這套系統采用高質量數字視頻采集，而且視頻采集和動作回放可以同步完成。“運動員完成一個動作后，立刻就可以在泳池邊的電腦上看到剛才入水的全套動作單幀定格回放，動作有什么差錯一目了然。”除此之外，電腦還能將動作分解，實現單幀定格回放、不同速率回放、反向放映等，力爭讓運動員跳水的每一個細節臻于完美。
當然，跳水視頻分析系統的功用并不僅僅在于錄像和回放，更重要的是，它會在重現動作的同時，給出各種分析數據。比如，在跳水項目中，起跳是一個關鍵動作，系統就會進行跳動力、運動員身體彎曲度等幾項分析，而且這些分析圖都能及時打印給運動員。
當然，跳水視頻分析系統的功用并不僅僅在于錄像和回放，更重要的是，它會在重現動作的同時，給出各種分析數據。比如，
在跳水項目中，起跳是一個關鍵動作，系統就有會進行跳動力分析、運動員身體彎曲度分析等幾項，而且這些分析圖都能及時打印給運動員。
而更讓運動員們感興趣的，則是系統可以將兩個運動員分別跳同一動作的錄像合成到一個畫面中，兩個人的差異立即見分曉。郭晶晶和吳敏霞的雙人跳水訓練就是采用這套系統來分析，發現動作差異的。“有時候，兩個視頻的對比，可能比運動員同步訓練更重要。”張勇東一邊演示在奧運會上不同國籍的兩運動員完成統一動作的情況比較，“你可以看到錄像中的背景是不同的，簡單說，我們可以把其中一個運動員從其中一個錄像中‘摘’出來，放到另一個運動員的視頻中，運動員之間完成動作的差異很容易看出來。”
視頻分析系統其中一項專利技術就是能做一個動作的全景圖分析，將運動視頻合成為所有關鍵動作的全景圖，一些高難動作就是通過這樣的全景圖來完美呈現的。 “一天的訓練結束后，現場的研究人員把運動員多次的視頻動作提取合成到一張靜態全景圖中，打印出來運動員就可以帶回宿舍琢磨，不需要花更多的時間看視頻回放。”
在奧運會上，郭晶晶、田亮、胡佳等運動員的動作頻頻引起驚呼：“和教科書一樣完美！”而這完美背后，運動員們在跳水視頻分析系統陪伴下的艱苦訓練，委實功不可沒。
虛擬人陪練“空中芭蕾”
今年奧運會之前，“蹦床”對于中國人來說，還是一個陌生的名詞。而就在這個號稱“空中芭蕾”的運動中，中國隊的后來居上，仿真訓練系統也功不可沒。
“蹦床運動是體操的一種，在國內開展的時間不長，只有6年，運動員成績的好壞要看運動員每次起跳的高度是否一致、動作完成的是否優美，這些動作都是已有的幾十個動作中選10個組成一套，任意組合，最后看動作的精確度和優美度。” 夏時洪博士負責國家蹦床隊的計算機三維模擬訓練系統項目，介紹起來如數家珍。
而這種隨意的動作組合，看似一個數學上的排列問題，在實際訓練中，就代表著運動員的訓練時間和效果。數字化三維蹦床訓練系統的任務，就是數字化三維人體運動的計算機仿真技術、人體運動生物力學數據與真實人體運動數據為基礎，以三維方式逼真模擬、設計、分析技術動作，具有更強的指導意義。由此項目，還可以推廣應用于體操等競技體育運動的科學訓練。，據此可以提高我國競技運動訓練水平和科技含量。，改善運動員技能、推動體育科技研究、促進體育事業的發展。
一邊說，夏時洪一邊調出電腦中的一段錄像資料，給記者展示蹦床運動員在天津訓練基地的情形。
“蹦床的基本動作都以三維人體動作影像保存在軟件的數據庫中，運動員每次完成一套動作需要10個基本動作組成，用鼠標拖動這些動作名稱到電腦屏幕的下方編輯區，然后在屏幕中就可以看到這些動作連接在一起的表現形式。”隨著夏時洪的解說，屏幕上，一個虛擬人按夏時洪的編排，完成了蹦床的動作，“這種組合是否美觀、協調動作要領有哪些，教練員和運動員都能一目了然。”
在一個資料畫面上，一個運動員的實際動作錄像和三維虛擬人的同一套動作模擬影像在電腦上分左右同時播放，并以相同視點、同步對比，可以讓教練員和運動員分析兩者之間的差異，從而提高訓練成績。而且，在這個系統的幫助下，教練還可以隨時修改新的動作——定格虛擬人在空中翻騰時動作，然后做方向、四肢的角度變換，進行各種數據分析之后，一個新的動作就可以產生。
“蹦床運動的計分有一個關鍵點，是運動員成套動作的高度應該保持一致，我們通過分析打印出運動員的重心軌跡，就知道運動員的動作是否到位。這項功能還是在實際使用時，蹦床運動總教練卓賢麟提出的，對運動員準確判斷每次起跳用力有很大幫助。”
在使用這套改進系統后，蹦床運動總教練卓賢麟在訓練現場對夏博士說“三維人體訓練系統確實對運動員提高訓練成績很有幫助，今后的訓練還需要這套軟件看起來更直觀，在奧運會上去爭取好成績”，雖然這套系統從今年1月在國家蹦床隊試運行，6月才開始正式使用，在今年的夏季奧運會上，已經看到初步成果，運動員黃珊汕在蹦床項目上為國家贏得一枚銅牌。
體育競爭＝科技競爭
作為計算所系列奧運項目的總負責人，王兆其博士告訴記者，“從中國獲得2008年奧運會主辦權的那天起，我就在想如何用科技為奧運服務。我們的想法得到科學院、國際體育總局、信息產業部等部委大力支持，很快就投入人力、物力進行。三年的時間，投入500多萬元，30位研究人員爭分奪秒工作，才有了今天的初步成果。”
據王博士介紹，這套系統硬件設備都是當前普遍使用的配置的計算機，關鍵技術在視頻的三維數據提取和仿真，這都是世界級的難題，還要考慮實現方法的實用性，“為了獲取數據，如果是在實驗室作，可以在運動身體上安置一些儀器，這樣在實際訓練中就不可行，會影響運動員訓練，所以現在的成果只能算是剛起步，真正實現三維數據提取和最接近的逼真模擬，還要好多年。”
目前在國外使用較多的是瑞士出品的Dartfish、SIMI這兩個輔助訓練軟件，但這兩個軟件在視頻分析上與我們研發的系統功能上有差異，另外還缺少模擬這部分功能，因此計算所目前的研究成果不僅做到了實用，還在技術上超越了同行。
“2008年的奧運會還要靠這系統，將會有哪些改進？”
張勇東博士認為這套系統在計算技術上的難點有三個，從視頻中把人取出再疊加、動態視頻到靜態視頻的轉換、人的關鍵點動作參數提取，這些都是在國際上商業化輔助訓練軟件的共同遇到的難題，計算所的這套系統目前在同行業中也處于國際先進水平。其中有一個是運動員關鍵點參數提取的動力分析，現在的系統可以實現運動員肩部4個點的分析，我們要攻克的是運動員全身關節部位動力分析，這也是一個世界性的計算技術難題。
“用國外軟件過去做一個動作分析需要4個小時，因為要人工單幅畫面去計算，現在的系統把這些工作交給計算機去做，只需要2分鐘就可以打印出分析圖。”
還有一個是希望我們的軟件系統能成為真正商品化的產品。張博士的想法已經不局限于只是為奧運健兒服務，他希望能把這個系統推廣到全國各省隊，也希望將它應用到其他國家的運動員身上。
現在，從跳水視頻系統我們已衍生出跳水比賽視頻輔助裁判系統，這是國際上第一個在大型比賽中使用的跳水比賽視頻輔助裁判系統。在上個月成都舉行的全國性比賽上，系統已經啟用，每個裁判人員通過計算機的精確評判，很難再打出人為的高分、低分。如果一個運動員入水的角度低于75度，就不能獲得8分以上，入水角度一直是評判的一個標準，如果裁判執意要給高的人情分，電腦會發出報警提示，總裁判通過這套系統的控制最高權限直接讓電腦執行停止刷屏行動，讓觀眾看到的大屏幕上無法顯示得分情況，直到裁判人員改正自己的錯誤判定。
王兆其博士則想憑著計算所的科技實力，幫助我國的奧運健兒在08年的奧運會上拿到更多的金牌，“有沒有給體育總局立下軍令狀？”“沒有，科學研究以事實說話。”王博士很謹慎回答記者的08年展望，但是從王兆其博士先后從事的國家863重點課題“基于DIS的分布式虛擬戰場環境”、中科院知識創新工程“面向新一代人機界面的虛擬人合成系統”、國家九五攻關項目“虛擬環境中物理特性建模與表示方法研究”等項目的深厚積累以及他所領導的數字化技術研究室的重大成果中，我們完全有理由相信，到2008年，北京的奧運會上，中國運動員的金牌會有更多是科技成果的結晶。
