智能體育工程發展綜述

楊楷芳，馬 苗*，黃 聰

(1.陜西師范大學 計算機科學學院，陜西 西安 710119；2.陜西師范大學 體育學院，陜西 西安 710119)

0 引 言

體育是人類社會化進程中的時代產物。它賦予人們積極向上的精神，促進健康、娛樂和教育，既能滿足人類的精神文化需求、促進民族團結，又能帶動旅游、經濟和社會的良性發展[1]。

智能體育工程將人工智能、虛擬現實、云計算、物聯網等技術與體育深度融合，依托運動人體科學和運動訓練學研究成果，構建體育大數據，研究體育運動中人類智能活動規律、構建智能化系統，以及用高科技手段提高運動員競技能力和促進大眾科學健身[2]。

根據《教育部關于公布2018年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知》，國內高校開始設立智能體育工程專業[3]。北京體育大學于2018年6月成立體育工程學院,并招收智能體育工程專業本科生[4]，其主干課程涉及運動人體科學、生物力學、生物與運動信息采集、體育測量與評價、數字體育、運動訓練學、生物力學、人機工效學、數字邏輯與數字系統、算法設計與分析、數據結構、人工智能基礎、機器學習導論、模式識別、智能信息處理、機器視覺、虛擬現實等。智能體育工程專業的培養目標是為社會提供注重學科交叉和創新實踐，在智能體育、體育大數據、互聯網、計算機技術及其他電子技術等方面能夠從事教學、科研及管理的符合數字化時代的高層次復合型體育科技人才。“人工智能+體育教學”將成為未來體育教學的主流,也將為體育學科建設增磚添瓦。

隨著人工智能、大數據、云計算、虛擬現實和物聯網等新科技的發展和應用，智能體育工程快速發展，體育事業迎來了發展的新契機。目前，人工智能服務于體育事業和體育文化等領域已有很多嘗試，在賽事轉播、智能判罰、體育訓練、體育教學、智能場館、個性化健康管理等方面取得了豐碩的成果，科技不斷推進體育事業和體育文化良性發展，讓體育不斷走向“更快、更高、更強”[5]。

1 體育的三種類型及智能體育

體育的分類方法有很多，從AI應用對象考慮，該文將之分為競技體育、學校體育和大眾體育三類。

(1)競技體育，涉及運動員選材、運動訓練、運動競賽和競技體育管理等。它以體育競賽為特征，是以創造優異成績和奪取比賽優勝為主要目標的社會體育活動。

(2)學校體育，涵蓋體育教學、課外體育活動、課余訓練與競賽、早操及課間操、科學的信息與保健措施。它依托學校教育，利用身體運動等手段促進受教育者的身心健康發展，是有目的、有計劃、有組織的教育活動，也是我國培養德智體美勞全面發展的人才中的重要一環。

(3)大眾體育，包括以個人、家庭、鍛煉小組、單位、街區及健身俱樂部等組織的體育活動。它以企事業單位職工、城鎮居民、農民為主體，是為健身、健心、健美、娛樂、醫療等目的而進行的身體鍛煉活動。

三者之間相互依存,相互促進。將人工智能、大數據等先進技術引入到這三類體育中，便形成了智能體育。

人們關于智能體育的了解多源于2011年9月9日在加拿大多倫多電影節上映的電影《點球成金》(見圖1)。片中美國奧克蘭運動家的總經理在球隊經費緊張的狀況下，運用統計數據和分析鑄就了一支具有競爭力的隊伍，在2002年的歷史賽季中，奧克蘭運動家球隊取得了20連勝的輝煌成就，初步顯現了數據驅動方法在體育訓練和運動員管理方面的巨大優勢。

圖1 電影《點球成金》場景

2 人工智能等新技術賦能競技體育

目前，人工智能在競技體育的應用十分廣泛，已經滲透到了競技體育的方方面面，例如運動員素質檢測、競技體育訓練、動作分析與戰術建模、體育賽事呈現、賽事結果預測、輔助裁判和智能裁判等。

2.1 運動員素質檢測

基于人工智能技術的運動員的身體素質檢測系統可以助力運動員的器械選材、傷病分析、運動訓練等。該類技術對運動員的生理指標進行分析，通過測試確定運動員的身體素質，為后序根據運動員的專項特點和自身素質進行更好的個性化訓練提供科學依據。

澳大利亞某一公司自2006年開始，對當地部分俱樂部工作人員的健康指標進行監測，分析運動員每天的訓練數據、靜息心率、睡眠質量和運動表現等，并將其作為運動員健康監測指標[4]，評估訓練水平和避免訓練損傷等。

2.2 競技體育訓練

借助360度全景視頻或虛擬現實技術構建抽出沉浸式、數字化的虛擬運動訓練環境，有助于運動員模擬實際比賽條件進行練習，大大減小因練習而損傷身體的風險。另一方面，將計算機視覺技術引入智能運動系統，通過人工智能建模大量的運動員信息和運動信息，通過獲取訓練和比賽的運動數據，根據運動員的特點制定比賽戰術。

目前，“無線傳感”+“運動器械”為代表的運動訓練已經初步應用[4]，例如在高爾夫運動訓練中，在球桿中植入智能芯片實時獲取和傳送各種數據，教練員根據傳送的數據進行分析，找出運動員的不足，幫助運動員更好地掌握擊球的力度以及身體的傾斜程度[6]。

再如，2018年12月，魯能足校引進澳大利亞公司Catapult的可穿戴設備“運動背心”(見圖2)，目的是和學校的大數據系統進行結合，通過可穿戴設備分析球員的運動表現以及運動負荷，利用數據的科學分析幫助教練員評定球隊的訓練強度和訓練質量[7]。

圖2 Catapult可穿戴設備

類似地，在滑雪運動中，智能滑板中裝置的智能傳感器可記錄和傳導身體的彎曲和懸浮角度，感受滑板與地面間的摩擦；在網球運動中的智能傳感器可以計算網球的飛行速度和前進軌跡。目前由于操作和推廣成本較高，在體育教學中很少使用。然而，隨著科學技術的進步和成本的降低，智能無線傳感的應用將有廣闊的空間[4]。

2.3 動作分析與戰術建模

運動數據是監測體育教練和學習的基礎，反映了訓練和教學的有效性，是預測運動員成績和制定競技戰術的重要依據。

(1)跆拳道運動員動作的自動分析。運動員的動作常與復雜背景同時出現，這使得在視頻中直接分析運動員的動作十分困難。Yongqiang Kong等提出跆拳道視頻自動分析技術，自動跟蹤運動員和人體圖像，然后用深度學習網絡PCANET學習每一幀，再去預測下一幀。由于一個動作是由幾個連續的動作組成的，每個動作對應一個框架，故分類器可用來分析技術動作[8]。

(2)滑雪運動員關節點的運動建模。T.Yoneyama等致力于機器人的研究，用于模擬滑雪轉彎時人腿關節的活動。這些機器人像人類運動員一樣，每條腿上有六個活動關節。在人造草坪上滑草時，車載計算機以開環方式控制關節的角度，并對機器人進行各種運動編程，讓機器人完成各種動作，以此來研究關節、反作用力和轉角軌跡之間的關系。他們研究了基本關節運動的特點，通過機器人模擬滑雪轉彎研究頂尖運動員的關節運動特點，幫助滑雪者在平衡中更好地轉身[8]。

(3)NBA黑科技戰術模型，也稱NBA球員追蹤分析系統。利用固定攝像機追蹤和采集運動員的運動數據，并及時分析和識別每場比賽的數據，用來建立不同的戰術模型[1]。例如，2013年，NBA引入Sport VU系統(見圖3)，通過懸掛在每個競技場天花板上方的6個3D高清攝像頭與計算機數據分析連接，每臺相機每秒可拍攝25幅圖像，各類傳感器與超級攝像機相連，動態捕捉、跟蹤分析、提取數據，并將處理后的數據輸入NBA數據庫。金州勇士隊在此系統幫助下，奪得2018年NBA總冠軍，被譽為“NBA中的谷歌”。

圖3 Sport VU系統

2.4 體育賽事呈現

以深度學習、自然語言處理、計算機視覺為代表的人工智能技術推動了體育賽事節目制作方式的根本轉變[9]，產生了一系列的智能寫作、智能解說、智能視頻等體育賽事節目制作新形式。

(1)智能解說和報道創作。利用深度學習、機器翻譯等技術對比賽知識的數據以及人類歷史解說的數據進行學習，將比賽信息數據與人類解說數據進行建模，實現自動生成解說語言和不同語言的報道。

例如，2016年8月，巴西里約奧運會中的澳大利亞與立陶宛的籃球賽中，人工智能解說“度秘”幽默新奇的解說風格吸引了大量圍觀與互動[10]；同時，今日頭條的機器寫稿賬號“XiaomingBot”通過人工智能技術自主創作審核和分發奧運會賽事報道，方便觀眾即時獲得體育知識，也為之帶來全新體驗。

(2)智能視頻制作與呈現。隨著虛擬現實和5G通信技術的出現，可借助物聯網記錄和互聯來自球場上傳感器和全角度攝像頭的數據和圖像，以及可穿戴設備捕捉到的運動員的控球、距離和速度等運動數據，經過海量數據的學習，人工智能技術能夠準確地捕捉和剪輯出最真實的體育賽事圖像，并將其合成高質量的視頻[9]。

例如，2018年NBA總決賽期間，“IBM AI Vision 視覺大腦”制作完成每場比賽的球星45秒剪輯，以及杜蘭特在獲得總決賽MVP時播放的個人片段。再如，美國薩克拉門托籃球隊體育場為觀眾提供更多觀賞視角，讓每個觀眾所處的位置都是最佳位置。

2.5 賽事結果預測

體育賽事中蘊藏著大量有價值的數據，從球隊整體表現到具體球員的一舉一動、動作習慣和戰術套路等，都可以利用大數據技術通過相應的算法來預測比賽過程以及比賽結果。

美國斯坦福的Unanimous A.I 人工智能創業公司開發的人工智能平臺UNU，成功預測美國肯塔基大獎賽的前4名馬匹；2016年正確預測了15名奧斯卡獎得主中的11位[11]。

近年來博彩業也開始運用人工智能和大數據分析技術來預測比賽結果，催生了各式各樣的體育賽事預測APP，特別是足球賽事預測的APP數量眾多且具有代表性。以體育大數據公司魔方元科技為例，其通過自主研發的DeepCube人工智能[12]，以“大數據”和“人工智能”為基礎，從比賽基本面、相關媒體報道和盤口賠率三個方面解讀比賽，進而得出一些具體指標，如高斯基本面指數、新聞風向標、魔方博冷指數等，以引導球迷和彩票愛好者對足球運動有更科學的認識。DeepCube的整體預測準確率達71%，超過業內專家推薦的平均水準。

2.6 輔助裁判和智能裁判

即時回放系統，又稱“鷹眼”。它利用高速攝像機從不同角度捕捉在快速運動中的目標軌跡[13]，并確定其精確的起止點，輔助裁判評判比賽。“鷹眼”系統一般由電腦和大屏幕以及8～10個高分辨率的高速攝像頭組成。它首先將比賽場地的三維空間劃分為以毫米為單位的測量單位[13]；然后從不同角度利用高速攝像機同時采集目標運動軌跡的基本數據，經校準后確定目標物體的運行軌跡，將其生成三維數據傳輸給主控計算機[14]；最后通過實時成像把計算機模擬的軌跡高清地顯示在大屏幕上。

即時回放系統提高了體育賽事的觀賞性，并作為重要的技術手段用來輔助人工裁判客觀公正地評價體育比賽，減少賽場上的各種糾紛。例如，2018年俄羅斯世界杯中，賽場采用視頻助理裁判VAR系統(見圖4)，其利用視頻回放幫助裁判做出決定[15]。這是VAR系統首次應用于足球世界杯這項頂級賽事。小組賽階段平均每場比賽使用VAR6.9次，借助VAR可使判罰正確率從95%提高到99.3%[16]。

類似地，在武術、舞蹈、跳水等體育運動中人工智能可以降低裁判的主觀性，有效避免裁判刻意的壓分等行為，使比賽更加公平公正。

圖4 VAR“視頻助理裁判”技術判罰

智能裁判是一種即時電子處罰系統，通過計算機視覺技術精準判斷比賽過程中的一些特定情況發生，例如足球運動中的越位或疑似進球等[1]。

顯然，人工智能在體育裁判中的地位和作用越來越重要，甚至起到了人類裁判難以替代的作用。2013年，來自牛津大學的Frey和Osborne借助機器學習算法評估了美國702種職業被計算機化的可能性，其中裁判員的可能性高達98%。

3 人工智能等新技術賦能學校體育

將人工智能等新技術引入到體育教學已經成為當代校園體育的新趨勢，產生了新的教學形式、教學手段和教學內容。

例如，利用智能設備監測健康指標，可降低學生運動損傷的風險[4]，提高動作規范性，協助學生完成技能和情感訓練，提高教學效果；通過虛擬現實模擬各種運動場景，突破場地和環境的限制，讓學生產生真實的感官體驗；以體育教學大數據分析為指導，通過智能的篩選和匹配模式，自動分析教學效果，可視化呈現共性特征，并實現學生個體的體育畫像，實現課堂教學的個性化等。

3.1 智能體育館滿足教學個性化需求

智能體育館可根據教學內容的需要對智能場館進行改造。在智能場館中可同時實現不一樣的運動項目[4]，滿足不同教學需求，且大大節省場地資源。

例如，北京體育大學新啟用的智能場館可以智能地管理信息和數據，優化業務流程，節省時間并改善服務；沈陽奧林匹克綜合智能場館(見圖5)采用面部識別，實時監控人群，智能平臺的后臺對數據分析后，可以得出性別、年齡、體重等與各個區域之間的動態關系，自動生成用戶健康報告，根據用戶服務報告進行調整，并進行健康指導[4]。

圖5 沈陽奧林匹克綜合智能場館

除了體育教學之外，智能體育場館還會配備運動訓練、休閑比賽等智能。另外，鷹眼技術在奧運會、世界杯等各大比賽中的成功案例可以將來應用于體育教學中[4]。

3.2 智能評判動作的科學性與規范性

在體育教學中使用智能可穿戴設備可以測量處于運動或靜止狀態的學生的身體綜合指標。使用智能可穿戴設備增加學生對運動的興趣，改變對運動的單向理解。

通過智能可穿戴設備可以準確獲得學生運動過程中各個動作，并自動評判其動作的規范性和有效性，以及實時地記錄學生在運動中的疲勞程度，建立積極的雙向溝通，實現人類和智能技術的共同發展。

例如，無錫市運用智能化體質測試系統完成了學生的體質檢測檔案、運動風險預測、科學健身新方法培訓以及健身效果監控等技術手段[17],為學生健康監測與干預、改善等提供科學依據與服務。

3.3 教學方法和教學內容的科學化

體育教師以前只能依靠教學經驗來組織教學任務，調整教學內容缺乏有效依據。而實際上，每節體育課和每次訓練都會產生海量的數據，可作為體育課教學內容調整、教學手段變化的指導。數據驅動的智能信息處理和數據挖掘技術能夠為體育教學發現更多潛在價值，讓教學過程變得更加科學合理。

3.4 體育育人的精準教學與評價

在體育育人精準教學方面，在體育課中利用攝像機和計算機對目標進行捕捉、跟蹤、測量，并通過人工智能算法實現動作自動識別[18]，人工智能根據視頻數據分析結果提供改進策略，從而實現更加個性化的運動指導和教學方式。這對于推動學校體育的智能化發展，尤其在體育師資不足地區，實現教育公平化和教育資源共享有重要意義。

在體育育人效果評價方面，各種智能設備的出現顯著降低了體育教師的負擔[1]，通過智能設備采集的學生體育大數據可作為學生表現的重要指標[4]。反之，基于大數據的課堂教學也可評估體育教師的教學質量，并就學生教學目標和教學任務的完成情況提供精準反饋。

4 人工智能等新技術賦能大眾體育

個性化體育健康管理是對居民的身體健康狀況進行全面監測、分析、評估和管理的過程,通過有效的個性化體育健身指導及行為干預,達到改善居民健康水平和自我健康管理能力的目的,從而促進人人健康為目標的新型體育服務。

4.1 個性化智能產品普及化

在體育健身行業，智能手環、智能運動鞋、智能眼鏡、智能襯衫等可穿戴智能設備逐漸出現在人們的日常健身中，成為居民健身不可缺少的運動產品。

另外，人們通過普及使用的手機可以很容易地使用微信、支付寶或QQ等軟件提供的機主運動計步為代表的數字軟件產品。通過這些平民化的數碼產品或手機軟件，人們可以低成本地隨時獲取自身的運動數據,更加準確地了解自身的健康狀態。

4.2 個性化服務多樣化

近兩年自助健身光豬圈、Liking、超級猩猩等,結合APP預約場館課程給用戶更完善的智能體驗,用戶在會員注冊、約課、付費等環節的體驗更加自由。垂直健身的KEEP、火辣健身、FITTIME、瑜伽領域的WAKE,利用APP軟件在健身運動過程實時監測配速、熱量、步頻、心率等,及時提供最合適的運動強度健身管理服務方案。這些智能產品已將體育健康管理服務引向個性化和多樣化,滿足了不同個體和層次的運動和健身需求[19]。

4.3 大眾健身環境智能化

體育運動與民眾健康不斷融合，高效便捷的大眾運動環境以及精準化、個性化的科學健身指導惠及大眾[20]。

2016年9月，佛山推出“無前臺無管理人員,全部自助的經營模式”的智能籃球場。2018年，北體集團攜手智美體育聯合啟動線上、線下智能化場館運動健康平臺。“千館計劃”的第一批智能標準化場館將在北京、浙江、山西等省市地區投資建立[21]。2019年4月，杭州智享無人值守場館投入使用,解決了場館管理運營時間短、運營成本高以及設備維護難等問題,更重要的是讓場館運營數據化。阿里體育旗下的“智慧場館”利用上線運營管理平臺,連接眾多線下健身場館,僅半年內覆蓋近60座城市、20個以上的大中型體育場館以及300多個體育健身場館[22]。

5 智能體育的未來展望及存在的主要問題

相比于《點石成金》，目前的全球體育運動已經產生了飛躍式發展。人工智能為代表的新科技賦能體育，為賽事轉播、體育訓練、健康管理等領域都注入了新思路，帶來了新的發展機遇。人工智能與未來體育發展必將實現更深層次的融合，但是如何將智能技術引入體育領域并實現智能技術與體育的完美融合[1]，道路仍然艱辛而漫長，未來發展需要科研人員、專業人員和人民大眾的共同努力和參與。

5.1 大眾體育的個性化服務與隱私保護問題

大量體育應用程序的廣泛使用，使得用戶無論身在何處，其興趣導向、社會領域和行動軌跡構成了大量數據，對用戶數據進行科學分析，能夠為用戶提供科學的建議，讓人們根據自身狀況，合理運動。但是，隨之而來的是個人信息的隱私保護問題，如何兼顧兩者是智能體育當前面臨的主要問題之一。

5.2 體育賽事新形式推動傳統職業變化

隨著人工智能技術的快速發展，未來觀看體育賽事時，無論是在現場還是在家都可通過虛擬現實設備，利用海量的體育賽事畫面以及人工智能算法，瞬間形成可以提供多種視角的體育賽事畫面[9]，讓每一位觀眾都可以選擇自己喜歡的明星或者比賽進行觀看。觀眾的視線也將不再受鏡頭的限制，而是可以像在場景中一樣選擇精彩的場景。AI攝像頭可以根據觀眾的注意力焦點隨時調整，每個觀眾看到的可能都不一樣。體育賽事的錄制不再受制于轉播導演和攝影師，而完全是基于大數據和人工智能算法的選擇。因此，人工智能技術將徹底改變傳統的體育賽事[9]，傳統的裁判員、解說員、教練員等相關崗位顯著減少。

根據國務院《“健康中國2030”規劃綱要》數據統計,國內享有健康管理服務的人數,只占總人數的萬分之二[23]。從時代發展要求來分析,體育健康管理師應該是人工智能時代下新生的一門職業。這是人工智能社會發展的需要,也是邁向科學化、個性化的體育健康指導發展方向。

5.3 VR等技術增強體育消費者體驗

體育產業的繁榮發展反映了生活水平的提高，人工智能技術為休閑體育產業的發展提供了多種選擇，促進了休閑體育產業的繁榮發展。VR技術、AR技術和個人智能設備的廣泛使用給予了休閑運動消費者更多身臨其境的體驗(見圖6)。例如，可以在虛擬游戲中完成登山訓練；觀看足球比賽時使用增強現實技術使觀眾感覺身臨其境；開發模擬健身跑道，該跑道可以根據消費者的速度、力量和心情改變運動場景和運動項目[24-25]，讓其體驗更加真切與舒適。

圖6 外國友人通過VR設備體驗長白山滑雪

5.4 新競技體育應用

在新競技體育方面，機器人格斗賽作為科技體育的分支正掀起新的熱潮，成為新的體育賽事。機器人格斗比賽中選手的技巧、反應力等，離不開海量數據的訓練和人工智能算法的應用。2003年中國將電子競技列為第99個要開展的體育運動項目[24]，2017年國際奧委會將電子競技列為正式體育項目[26]。電子競技內容制作、許可、發行、賽事運營、傳播、監管、教育、設備和軟件的研發在人工智能技術的推動下發展迅速[24]。電子競技逐漸在滿足新時期人們的精神需求，同時也促進了電子競技及其他相關產業的發展。

5.5 各產業融合發展和政策保障

隨著智能技術的發展，休閑體育產業與娛樂，文化，旅游等產業合作，建設多種形式的休閑體育，例如電子競技產業與國民教育融合，以愛國主義教育為主體開發了各種游戲，電子競技與旅游業的融合開發以旅游景點為背景的游戲[24]，以及駕駛為主題的駕駛模擬系統。體育競賽不僅為核心產業帶來經濟利益，帶動了交通、飲食、住房等相關產業的發展，而且也帶來了一定的潛在風險，如各種穿戴產品質量的不確定性，需要行業規則和法律法規的不斷健全，也需要加強輿論導向和科學管理與監督。

6 結束語

習近平總書記強調，體育承載著國家強盛和民族振興的夢想，體育強則中國強，國運興則體育興[27]。這充分說明了體育的重要性，而將人工智能為代表的新技術與體育的深度融合必將加快中國體育的現代化進程。相信在不久的將來，中國的體育事業將會迎來全新的改變。