人工智能技術(shù)在體育領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀研究綜述

(中央財(cái)經(jīng)大學(xué) 體育經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 北京 102206)

一、引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)的極大發(fā)展重塑了我們今天的世界。人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研體系良好結(jié)合使得這些前沿技術(shù)快速地從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)，融入大眾的日常生活中。一項(xiàng)顛覆性技術(shù)的基本特征是高度可擴(kuò)展性和可融合性，被視為未來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施的人工智能在體育領(lǐng)域亦有極其廣泛的應(yīng)用空間和顛覆性影響。學(xué)者胡揚(yáng)曾提到，人工智能必定推動(dòng)體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，助力體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)。鄒小江(2019)關(guān)于人工智能應(yīng)用現(xiàn)狀的綜述研究，以體育和智能作為關(guān)鍵字檢索發(fā)現(xiàn)，這一方面的期刊文獻(xiàn)共21篇，另有碩士論文兩篇，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)關(guān)于這一方面的研究很少，并且大多是論述類(lèi)的文章而非技術(shù)性研究，與體育方面的融合也不夠深入。實(shí)際上在體育產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達(dá)的北美地區(qū)，關(guān)于人工智能在體育領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用都已具備相當(dāng)多的成果。例如，Grabyo公司與Opta Sports合作，利用人工智能向特定賽事的粉絲發(fā)布自動(dòng)實(shí)時(shí)視頻剪輯；Give Me Sport也采用了類(lèi)似的理念，將自己的體育時(shí)刻發(fā)布到Facebook上吸引廣大粉絲；NASCAR采用一種新的技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化裁判程序，使用技術(shù)和攝像機(jī)來(lái)識(shí)別比賽違規(guī)行為；Lumo Bodytec和彪馬聯(lián)手打造了一款尖端人工智能產(chǎn)品，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析人類(lèi)生物力學(xué)；Connexion kiosk將使用其人工智能軟件來(lái)分析運(yùn)動(dòng)員的健康數(shù)據(jù)，以便實(shí)時(shí)了解其身體狀況。相關(guān)應(yīng)用不勝枚舉。

前面提到的各種通過(guò)人工智能技術(shù)提高效率和參與度的概念，已經(jīng)使人工智能對(duì)體育行業(yè)的影響力初現(xiàn)。隨著人工智能的能力不斷完善和提高，它將繼續(xù)在體育事業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。因此本文通過(guò)介紹和綜述國(guó)內(nèi)外關(guān)于人工智能技術(shù)在體育行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)潛力，希望可以使得更多的人參與到體育與前沿技術(shù)結(jié)合的研究中來(lái)，給傳統(tǒng)體育發(fā)展模式提供更開(kāi)闊的視角和解決現(xiàn)存問(wèn)題的新思維方式。

二、人工智能在體育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代，很少有東西是不能量化的。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，不僅使傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以更高效、更有價(jià)值地利用起來(lái)，同時(shí)也產(chǎn)生更多、更大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(包括視頻、圖片、自然語(yǔ)言等)可以使分析和預(yù)測(cè)變得更加容易方便。任何可以量化的東西，都可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析和人工智能精確預(yù)測(cè)。體育世界充滿(mǎn)了這些可量化的元素，使其成為人工智能應(yīng)用的理想場(chǎng)所。近年來(lái)，人工智能在體育中的應(yīng)用已成為一個(gè)普遍的現(xiàn)象，這一技術(shù)領(lǐng)域通過(guò)不斷迭代提高的能力將更深入、更廣泛地進(jìn)軍體育領(lǐng)域。以下是體育運(yùn)動(dòng)中人工智能將發(fā)揮主要作用的幾個(gè)領(lǐng)域。

(一)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和比賽情況監(jiān)測(cè)與分析

這一領(lǐng)域主要是通過(guò)攝像設(shè)備和傳感器等硬件終端，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的應(yīng)用范例。心態(tài)對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的作用是體育界的中心話題，一個(gè)普遍觀點(diǎn)認(rèn)為在競(jìng)爭(zhēng)中情緒的存在和強(qiáng)度會(huì)通過(guò)消極或積極的方式影響運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)(Lazarus 2000; Hanin 2012)，要想驗(yàn)證情緒對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的影響，就需要對(duì)比賽中的情緒進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。使用機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別視頻和圖像中的面部表情取得了非凡的進(jìn)展，現(xiàn)在已經(jīng)有成熟的工具用于復(fù)雜的面部識(shí)別任務(wù)，并根據(jù)機(jī)器檢測(cè)的面部特征去預(yù)測(cè)情緒。Stephanie et al(2018)通過(guò)觀察比賽直播中運(yùn)動(dòng)員的面部表情，提出了一個(gè)可以預(yù)測(cè)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的七種情緒狀態(tài)——包括焦慮、憤怒、煩惱、沮喪、得意、專(zhuān)注和興奮的框架。通過(guò)一種用單攝像機(jī)視頻預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)情緒的方法，以現(xiàn)有的面部檢測(cè)圖像處理工具和基本情緒狀態(tài)的公共數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出針對(duì)比賽競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)員情緒預(yù)測(cè)模型。在球類(lèi)運(yùn)動(dòng)中，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)員行為的問(wèn)題受到很多關(guān)注，通常被稱(chēng)為重影問(wèn)題(ghosting problem)，越來(lái)越多的跟蹤數(shù)據(jù)可用于記錄球員在比賽中如何移動(dòng)。因此，國(guó)外學(xué)者使用一些方法利用這種跟蹤數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的重影模型(ghosting model)。Gedas et al(2018)使用可穿戴GoPro相機(jī)在比賽期間獲得的數(shù)據(jù)，運(yùn)用深度卷積網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)了一個(gè)球員中心籃球重影模型(egocentric basketball ghosting model)，這一模型是從第一人稱(chēng)圖像生成的可靠籃球行為序列，可以以一種無(wú)監(jiān)督的方式學(xué)習(xí)，避免了獲取行為數(shù)據(jù)的昂貴和費(fèi)時(shí)，可以被廣泛地應(yīng)用于各種不同的體育應(yīng)用，比如球員未來(lái)行為預(yù)測(cè)，或者教運(yùn)動(dòng)員如何在比賽中做出更好的決定。

(二)賽事成績(jī)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)

這一方法的實(shí)質(zhì)其實(shí)是利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)建立非線性模型，從而提高回歸模型的擬合能力，從而更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)被解釋變量。王晶(2017)提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的體育成績(jī)預(yù)測(cè)模型，利用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則的支持向量機(jī)算法，在小樣本情況下改善了大學(xué)生體育成績(jī)預(yù)測(cè)的效果，進(jìn)而能夠評(píng)價(jià)大學(xué)生的身體素質(zhì)，指導(dǎo)校園體育改革。類(lèi)似地，高素霞(2018)基于混沌理論，引入極限學(xué)習(xí)機(jī)算法建立了運(yùn)動(dòng)員成績(jī)預(yù)測(cè)模型，提高了運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的預(yù)測(cè)精度，使得預(yù)測(cè)結(jié)果更加可靠。

(三)運(yùn)動(dòng)員健康保障

人工智能的引入正以不同的方式改變著醫(yī)療行業(yè)，同樣，人工智能非凡的預(yù)測(cè)和診斷能力也可以應(yīng)用于體育領(lǐng)域。運(yùn)動(dòng)員作為俱樂(lè)部最重要的人力資本，受傷是影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)的最大因素之一。關(guān)鍵球員的受傷會(huì)給球隊(duì)帶來(lái)數(shù)百萬(wàn)美元的損失，也可能是比賽成敗的關(guān)鍵。為了確保球員的健康和體能，越來(lái)越多技術(shù)工具應(yīng)用到球員保健中，AI已經(jīng)成為體育團(tuán)隊(duì)的最新醫(yī)療工具。例如讓運(yùn)動(dòng)員定期接受身體測(cè)試，使用AI分析運(yùn)動(dòng)員的健康參數(shù)和身體動(dòng)作，以評(píng)估他們的健康狀況，甚至可以發(fā)現(xiàn)疲勞或壓力引起的損傷的早期跡象，幫助醫(yī)療隊(duì)保持球員健康，并通過(guò)采取及時(shí)的治療，使運(yùn)動(dòng)員免受傷害。Calham et al(2018)介紹了一種被稱(chēng)為傷害風(fēng)險(xiǎn)緩解系統(tǒng)(Injury Risk Mitigation System)的專(zhuān)業(yè)分析引擎，它利用常見(jiàn)的個(gè)人和團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)來(lái)提供先進(jìn)的預(yù)處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。這些算法經(jīng)過(guò)調(diào)整，可以對(duì)某一天的個(gè)人受傷風(fēng)險(xiǎn)做出估計(jì)，并且可以用來(lái)管理個(gè)人的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，或者作為一個(gè)更先進(jìn)的傷害風(fēng)險(xiǎn)的逐日或逐周指標(biāo)。另外人工智能在危險(xiǎn)系數(shù)極高的賽車(chē)運(yùn)動(dòng)中也具備很大的應(yīng)用空間，NASCAR公司運(yùn)用人工智能技術(shù)采用了一種深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以利用圖像識(shí)別特定的車(chē)輛，最終有助于更快、更準(zhǔn)確地在駕駛員面臨危險(xiǎn)之前識(shí)別出故障的車(chē)輛，然后向維修人員發(fā)出信號(hào)，讓他們盡快修理出故障的汽車(chē)。

(四)體育媒體和賽事直播

在國(guó)外的體育媒體領(lǐng)域，人工智能正通過(guò)自動(dòng)化引領(lǐng)體育新聞的新紀(jì)元。例如，美國(guó)的媒體機(jī)構(gòu)美聯(lián)社與初創(chuàng)公司automatic Insights合作，擴(kuò)大其對(duì)小聯(lián)盟棒球比賽的報(bào)道。Automatic Insights開(kāi)發(fā)的人工智能驅(qū)動(dòng)平臺(tái)Wordsmith使用自然語(yǔ)言將硬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成敘事報(bào)導(dǎo)，因此，美聯(lián)社已將其報(bào)道能力擴(kuò)大到13個(gè)聯(lián)賽和142支MLB附屬球隊(duì)。由于體育統(tǒng)計(jì)是基于數(shù)字的，所以體育對(duì)于自動(dòng)化新聞工作很適用。這些數(shù)據(jù)可以以一種便于編寫(xiě)自動(dòng)化文章的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。Emerj對(duì)自動(dòng)化新聞進(jìn)行了研究，探索了當(dāng)前跨行業(yè)應(yīng)用的廣度。除了為運(yùn)動(dòng)員和體育管理者帶來(lái)革命性變化，人工智能還可以徹底改變直播，影響觀眾體驗(yàn)體育的方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的事件，人工智能系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇要顯示在觀眾屏幕上的正確相機(jī)角度，它可以根據(jù)查看者的位置和語(yǔ)言首選項(xiàng)自動(dòng)為實(shí)時(shí)事件提供不同語(yǔ)言的字幕。人工智能系統(tǒng)還可以根據(jù)體育競(jìng)技場(chǎng)上觀眾的興奮程度來(lái)確定投放廣告的合適時(shí)機(jī)，從而使廣播公司能夠通過(guò)廣告銷(xiāo)售有效地利用盈利機(jī)會(huì)。

三、人工智能在體育中潛在的未來(lái)應(yīng)用

未來(lái)人工智能技術(shù)的應(yīng)用不可能止步于此，Kumba Sennaar(2019)提出了一些可能的發(fā)展方向和設(shè)想。首先是AI助理教練，Kumba Sennaar認(rèn)為在不遠(yuǎn)的未來(lái)，使用人工智能來(lái)幫助球隊(duì)發(fā)展或改進(jìn)比賽策略可能成為現(xiàn)實(shí)。俄勒岡州立大學(xué)的研究人員Alan Fern正在利用游戲視頻和深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練電腦如何理解足球比賽和教練比賽。計(jì)算機(jī)可以為教練和球隊(duì)提供更高的準(zhǔn)確性，以比人類(lèi)更快的速度分析常見(jiàn)錯(cuò)誤和改進(jìn)比賽。另一個(gè)有望在近期實(shí)現(xiàn)的發(fā)展方向是自動(dòng)視頻集錦。IBM宣布從2017年開(kāi)始，通過(guò)Watson平臺(tái)利用認(rèn)知計(jì)算能力提高溫布爾登網(wǎng)球公開(kāi)賽的體驗(yàn)，例如AI自動(dòng)視頻集錦。IBM稱(chēng)它的技術(shù)可以根據(jù)特定的比賽數(shù)據(jù)，如“人群噪音分析、球員的動(dòng)作和比賽數(shù)據(jù)”，自動(dòng)整理比賽中的亮點(diǎn)，顯著加快組織和處理視頻集錦的過(guò)程。不僅如此，人工智能技術(shù)在賽事裁判上也大有作為——計(jì)算機(jī)視覺(jué)裁判。法國(guó)的Grégoire Gentil設(shè)計(jì)了一款售價(jià)199美元的口袋大小的設(shè)備，名為“Tennis In/Out”，它利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)檢測(cè)網(wǎng)球擊球的速度和位置，包括球是否出界，雖然該設(shè)備目前是一個(gè)新奇的應(yīng)用程序，但它顯示出人工智能軟件和相機(jī)硬件的可擴(kuò)展性越來(lái)越強(qiáng)。隨著開(kāi)源人工智能工具和在線教育課程的蓬勃發(fā)展，這類(lèi)應(yīng)用程序?qū)⒉辉俸币?jiàn)。物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的結(jié)合正變得越來(lái)越受歡迎，因此有理由認(rèn)為，體育(以及廣義上的健康)將成為一個(gè)適合這種創(chuàng)新的行業(yè)。只要體育對(duì)大眾仍然具有吸引力，企業(yè)就總有機(jī)會(huì)從中獲利；只要體育界還有利潤(rùn)可賺，對(duì)體育技術(shù)的投資和融合就會(huì)繼續(xù)下去。