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动作捕捉系统在跳台滑雪训练中的应用

2022年北京冬奥会已经结束一段时间了,但其中所展现的体育科研理念却久久传递~

在高水平的赛场中,通常是细小的差别决定了最终的获胜者,运动员们在竞争激烈的赛场上想要取得最好成绩,不仅仅有自身的艰苦奋斗,更有科学的力量。从运动表现到康复训练,动作捕捉技术在运动科研中有着不容忽视的作用。

近日,一篇关于日本冬奥冠军小林陵侑如何斩获北京冬奥会男子个人标准台桂冠的文章发表于《Science Japan》上,文章作者团队也接受采访,谈到了动作捕捉系统在其训练中的运用。今天就让我们一起来看看冬奥跳台滑雪夺冠背后不可忽视的先进技术,也为我们的冰雪运动科研提供借鉴。

调整呼吸,稳住身体,从陡坡飞速下滑,在落差100米左右的山地自由飞翔,而后稳稳落地,这就是跳台滑雪。

它考验的不仅是运动员的胆量,更注重每一处细节,起跳瞬间,身体稍微的偏差,都可能使落地距离相差巨大。

这项“最贴近天空”的雪上项目,发展进程始终与科学二字相伴。

北翔大学的山本敬三(Keizo Yamamoto)教授精通运动员的动作分析,不仅在大学体育学院专攻运动学,还与日本奥委会的运动员合作密切。

随着2022年冬季奥运会的到来,山本教授和他的团队正在寻找能够捕捉运动员动作数据的高性能方法,并利用这些数据来提高整个团队的表现。2019年,他们首先决定使用动作捕捉技术。

借助动作捕捉技术,可以实时采集运动员起跳角度、空中姿态、速度、距离等数据,给教练团队更好的科技支撑。

山本教授需要足够强大的动作捕捉系统来捕捉跳台滑雪这一复杂运动,同时设备要足够轻巧,且不容易受环境干扰。因此,他们最终选择在训练过程中,使用Xsens MVN Analyze 惯性动作捕捉系统对小林陵侑进行风洞流体力学实验及姿态分析。

身着Xsens MVN Link 动作捕捉套装的小林陵侑

运动中的研究 – 通过动作捕捉技术获取更客观的数据

以往,跳台滑雪的教练团队会使用摄像机,把运动员动作拍摄下来,之后再观看分析,提出改进方案。运动员及团队通过观看视频,找出自己的动作错误,然后一点点纠正。

但肉眼分析,更多是“凭感觉、凭经验”,运动员只能在大量训练中自我摸索。

现在,通过动作捕捉技术可以多角度为教练提供数据,比如选手的助滑速度、起跳角度、身体姿态、左右对称等,提供精准量化的快速反馈和技术诊断。

研究成果

在跳台滑雪的物理学中,有三个主要的概念:重力、升力和阻力。对于跳台滑雪运动员来说,他们要做的就是小心地改变身体姿势,以最大限度地提高升力,同时尽可能地减少阻力。

穿上Xsens MVN 套装后,小林在空中的姿态和运动轨迹能够完全被捕捉并记录。接着,山本教授将他的动作转换为数据,相关数据将被整合到运动员的3D扫描模型中,接着使用超级计算机Fugaku对升力和阻力进行模拟和分析。

研究团队发现,小林的跳跃有一些明显的特征:

(1)首先,与其他运动员不同,小林的“阻力”在起飞后立即增加,这种力量来自空中,通常会阻碍飞行。然而,此后不久它就下降了。

(2)在跳跃的后半部分,保持身体高空的“升力”逐渐增加。

(3)最后,小林的“升力-阻力比”(通过将升力除以阻力来计算,表示飞行性能)比其他运动员增加得更早,并且在整个跳跃过程中几乎保持不变。

小林跳台特征的分析结果,分别为升力、阻力和升力/阻力(由北翔大学、神户大学、RIKEN研究所提供)

山本教授对这些特征提出了以下意见:

(1)首先,关于阻力,他注意到许多运动员在跳跃的早期尽量不抬起身体。但是小林在初期伸展身体,接着采取飞行姿势(即身体向前倾斜)。起初,他受到很多逆风,阻力增加,这是不利的,但是他迅速转向飞行姿势,降低阻力并保持升力。

必须要注意的是,这些姿势的差异是由于个性造成的,并不是小林的姿势一定优于其他运动员,因此,动作捕捉技术在因人而异的运动研究中便发挥了重要作用。

左为小林陵侑,右为另一对照运动员。小林伸展身体,跳出后切换到飞行姿势,不像其他运动员通常尽量不抬起身体。

(2)至于小林跳跃的后半部分,从前面的风流到他的背部,仿佛正在环绕,从而导致气流中的湍流减少,并减少了他背部的压力,这似乎引发了升力的增加。气流中的湍流减少的原因尚不清楚,并将成为未来研究的主题。

在小林跳跃的后半部分,从前方吹来的风流到他的后方,仿佛在环绕,减少了气流的湍流

(3)最后,关于跳跃后半段较高的升阻比。飞行方向和气流方向之间的迎角(物体相对于气流方向的角度,也就是迎角,也会影响升力)稳步增加。迎角太陡的话,物体就会失速;如果过于平坦,物体就无法向下挤压空气粒子。小林设法保持了他的升阻比,从而保持了升力并延长了跳跃距离。

“我不能只是根据我以前的想法来谈论事情,我很惊讶。”山本教授说道,对此,研究团队的另一位椿仓教授补充道:“如果你以同样的姿态飞行,你通常会失速。从理论上讲,机翼不会失速的原因是因为它不断调整,稍微改变迎角。”

由此可见,奥运冠军的不俗之处。

一般来说,在跳跃的后半部分,迎角逐渐增加

研究小组在一月下旬总结了这些结果,并将其提供给小林陵侑以及其他日本运动员和教练。他们正准备在欧洲的一次会议上发表演讲,并发布一篇完整论文。

动作捕捉技术在滑雪及其他领域的未来

跳台滑雪是一项独特的运动,空气动力学运动是这项运动的核心,因此对于运动员来说,想象他们在空中需要采取什么动作可能是一个挑战。

在动作捕捉的帮助下,这更容易理解,正如山本教授所解释的那样:“跳台滑雪是一项飞行运动,通过可视化不可见的气流和空气动力学力,可以更容易地向运动员解释数据并评估性能。相信这也将促进运动员和教练之间的沟通,并提高训练质量。”

我们已经看到众多运动员及其团队使用Xsens惯性动作捕捉系统来评估运动表现,山本教授推测在不久的将来可能会有进一步的使用:“我认为惯性动作捕捉研究是绝对有效的,它对运动员的压力较小,并允许在摄像机无法记录的地方记录运动。”

Xsens应用于网球运动研究

运动员的动作可以如此个性化,以至于很难根据一名运动员的数据进行概括。动作捕捉技术为教练和运动员开辟了一种新的运动思维方式,他们只需考虑他们如何移动,就可以使用Xsens MVN Analyze惯性动作捕捉系统来研究他们为什么以这种方式移动。

动作捕捉技术已经应用在了众多领域,在体育运动中的使用也逐年增长,希望大家都能够进一步认识到科技创新的重要作用。冬奥会虽然暂时告一段落了,但是努力发展积极创新却不会停止,让我们继续 “一起向未来” !

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