日本Hokusho大學利用Xsens動捕技術(shù)幫助改善奧運冠軍訓練計劃
在最高水平的體育比賽中，往往是最小的細節(jié)將獲勝者和亞軍區(qū)分開來。運動員和他們的團隊花了數(shù)百甚至數(shù)千小時準備比賽：研究改變飲食、作息和表現(xiàn)的最佳方式，希望能夠比對手更有優(yōu)勢。生物黑客技術(shù)的進步意味著運動員將有機會獲得提高成績的全新工具。
在幫助Kobayashi獲得2022年冬奧會金牌的案例中，Hokusho大學的Keizo Yamamoto教授在訓練中使用了動作捕捉技術(shù)。這一技術(shù)優(yōu)先的訓練方式最終被證明是成功的，Kobayashi在男子個人普通跳臺滑雪決賽中獲得金牌。
在本文中Keizo Yamamoto教授向我們講述了他如何將動作捕捉作為研究過程的一部分，為什么選擇Xsens，以及該技術(shù)在不久的將來如何用于其他運動。
Keizo Yamamoto教授精通分析運動員的動作。他不僅在大學體育學院專攻運動學，還與日本奧林匹克委員會的運動員密切合作。
“從2008年開始，我一直在日本札幌的國家訓練中心（NTC）幫助運動員，并擔任跳臺滑雪訓練中心的科學顧問。除了體能訓練，國家訓練中心還為運動員提供廣泛的支持，包括成績評估、營養(yǎng)指導，以及醫(yī)生提供的醫(yī)療和心理支持。我負責表現(xiàn)評估，這涉及從生物力學角度評估姿勢和動作。”
隨著2022年冬季奧運會的臨近，山本教授和他的團隊正在尋求捕捉運動員優(yōu)異表現(xiàn)的方法，并使用這些數(shù)據(jù)來提高整個團隊的表現(xiàn)。2019年，他們第一次決定使用動作捕捉技術(shù)，Ryō yū?Kobayashi是理想的研究候選人。在2018/19 FIS跳臺滑雪世界杯上，Ryō yū?Kobayashi總共獲得了六個獎杯，包括最高獎項。Ryō yū?Kobayashi是2022年冬奧會的熱門種子選手之一，因此Keizo Yamamoto教授熱衷于分析他的表現(xiàn)，并幫助他突破瓶頸進入下一個水平。
“Ryō yū?Kobayashi獲得了2018/19賽季的世界杯總冠軍。我們請他幫助我們以分析世界頂級運動員的表現(xiàn)，因為我們認為這對教練和其他運動員來說是一個有用的資源。他愉快地同意了。”Keizo Yamamoto教授說道。
跳臺滑雪是一項獨特的運動，因為運動員每年只能在有限的幾天內(nèi)練習飛行，這是由于該項目與特定的天氣條件有關(guān)。有了動作捕捉數(shù)據(jù)，運動員和教練就可以完整地一遍又一遍的觀察跳躍的技巧與時機，不必再擔心天氣情況。
Keizo Yamamoto教授需要足夠強大的動作捕捉技術(shù)來捕捉運動員運動的復雜性，同時又足夠輕便，不會干擾他們的表現(xiàn)。為此，他們找到了Xsens。
運動研究——使用正確的動捕技術(shù)避免觀察者效應
出色的表現(xiàn)通常歸功于運動員保持積極心態(tài)的能力，在這種擁有積極心態(tài)的狀態(tài)下他們往往會感覺自己能控制自己的表現(xiàn)。在ESPN的系列紀錄片《The Last Dance》中，《Rare Air》的作者Mark Vancil討論了Michael Jordan的精神:“他在比賽中從來不會分心……他的天賦不是他能跳得高，跑得快，或者投籃。而是他能夠足夠集中。這就是它與其他運動員所不同的地方。”同樣，在此次研究中最重要的是Ryō yū?Kobayashi能夠保持注意力，而不會因他穿著的動捕套裝而分心，正是Xsens的可穿戴性以及數(shù)據(jù)的準確性讓Keizo Yamamoto教授最終選擇了Xsens。小林記錄的跳躍將成為國家訓練中心衡量其他滑雪運動員的標準；因此Ryō yū?Kobayashi能在自然狀態(tài)下進行跳躍演示是至關(guān)重要的。
“在跳臺滑雪中動作的精確度通常以毫秒計算”Keizo Yamamoto解釋說：“即使是姿勢上最輕微的變化，也會極大地影響氣流和空氣動力。我們研究的目的是提高運動員的成績。我們需要一個能夠高精度測量運動員姿態(tài)的系統(tǒng)。我們選擇Xsens是因為它的準確性以及整個系統(tǒng)的整體重量和尺寸。”
最高級別的運動裝備采用先進的技術(shù)設計：從技術(shù)材料到重量克數(shù)，這些差異因素不僅會增加訓練預算，還會影響對于運動員表現(xiàn)的微觀測量。因此，動捕裝備不能影響運動員的動作。“我們多年來一直在尋找一種基于芯片的慣性測量單元（IMU）傳感器類型的mocap系統(tǒng)，因為滑雪運動員需要穿戴專門的運動服，所以傳統(tǒng)上用于電影的笨重的基于標記的mocap對運動員來說并不合適”。
滑雪運動員必須穿緊身套裝，過去，如果運動員穿的套裝沒有達到“緊身”標準，就會被取消資格”。MVN?Link套裝與Ryō yū?Kobayashi在比賽中穿的滑雪服非常相似，這意味著不會有任何額外的重量需要研究人員考慮，也不會改變Ryō yū?Kobayashi的跳躍方式。“我們考慮了各種制造商，然后選擇了Xsens MVN，因為它可以精確地測量運動員和滑雪板的姿勢。運動員必須戴上這個裝置，然后進行跳躍我們需要一個重量盡可能輕、體積盡可能小的系統(tǒng)。Xsens滿足了所有這些要求。”
研究成果
通過使用Xsens套裝，團隊能夠連續(xù)記錄Ryō yū?Kobayashi的動作。由此，將其動作轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換成3D效果圖，通過世界上最快的超級計算機Fugaku進行分析。
有了記錄下來的數(shù)據(jù)，Keizo Yamamoto教授和他的團隊便開始分析跳躍動作中的關(guān)鍵點。
“在對隨時間變化的跳高運動員姿勢進行空氣動力學分析后，我們確定了頂級運動員身上常見的空氣動力學特征。通過闡明一系列跳躍動作中的流體特征，有可能客觀地探索運動員表現(xiàn)的關(guān)鍵方面。因為有兩名運動員參與了這個項目，所以我們能夠分析不同形式的跳躍所產(chǎn)生的差異。”
動作捕捉數(shù)據(jù)使團隊能夠查看詳細的空氣運動，然后能夠更好地指出讓Ryō yū Kobayashi與眾不同的獨特運動模式。“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在Ryō yū?Kobayashi完成跳躍后其升阻比迅速增加”，Keizo Yamamoto教授說道。“升阻比是跳臺滑雪飛行性能的一個指標。它對于盡早形成空氣動力學上有利的飛行姿態(tài)很重要。”
起飛后升阻比迅速增加意味著Ryō yū?Kobayashi能夠減少這種壓力的影響，因此比其他運動員更有優(yōu)勢。
在經(jīng)過反復充分研究后Keizo Yamamoto教授將他們得出的研究結(jié)果展示給Kobayashi和其他運動員。
滑雪及其他運動的未來
跳臺滑雪是一項獨特的運動。空氣動力學運動是這項運動的核心，所以對于運動員來說，想象他們在空中需要采取什么行動是一項挑戰(zhàn)。然而，在動作捕捉的幫助下，這更容易理解，正如Keizo Yamamoto教授解釋的那樣:“跳臺滑雪是一項飛行運動。因此，為了評估運動員的表現(xiàn)，有必要分析其氣動特性。通過可視化不可見的氣流和空氣動力，可以更容易地向運動員解釋數(shù)據(jù)。我相信這將有利于運動員和教練之間的交流，提高訓練質(zhì)量。”
Yamamoto教授推測在不久的將來慣性動捕技術(shù)可能會有進一步的應用。“我認為mocap的研究肯定是有效的。這對運動員來說壓力較小，并且允許在攝像機不能記錄的地方記錄運動。至于流體分析，這項技術(shù)將在流體力占主導地位的運動中有大有用途，比如游泳等運動。”
動作捕捉技術(shù)為教練和運動員開辟了一種新的思維方式。不僅僅是思考他們應該如何改善訓練計劃，他們可以使用MVN?Analyze等技術(shù)來研究運動員為什么以這種方式移動。正如Xsens Movella的高級公關(guān)部經(jīng)理Remco Sikkema所說，“運動員的動作可能非常個性化，很難根據(jù)一名運動員的數(shù)據(jù)進行歸納。也就是說，作為一名運動員，了解自己的能力和限制是很有價值的。運動捕捉在體育運動中的應用逐年增加，因為運動員和教練希望更好地了解他們的運動方式。”
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