AI教练如何应用深度学习算法提升游泳者水平

Yuri Zhovnirovsky 需要离开泳池休息一下，他是一名狂热的游泳爱好者和水球运动员，在水中训练了很长时间。大学毕业后，他决定寻找另一条体育出路：Zhovnirovsky 尝试竞技自行车。在进行一段时间后，他的邻居还是将他劝回了游泳池。再次接触泳池，他又想起在游泳上经受的挫折。“再次回到泳池，一切照旧，”他说。“我仍要自己数游了多少圈、划了多少次水。这就相当于说，我在跑步时要自己数步数来计算跑了多远。”在 Zhovnirovsky 参与自行车运动时，他利用可穿戴设备来跟踪大量自行车运动指标 - 如力量、节奏、速度和高度。“各种指标应有尽有。”同样在科技行业工作的 Zhovnirovsky 说。而在游泳运动上，没有任何可穿戴设备可与那些跟踪跑步或自行车运动的设备相媲美。“我想，我有技术背景，我可以寻找解决方案。”

解决方案很巧妙：智能泳镜。Zhovnirovsky 创立了 Ciye（读作“see”；这是缩写词，表示“您眼中的教练”）公司来创建智能泳镜并推向市场。在这款智能泳镜中，“智能教练”模块嵌入在左镜片的左上角。该模块有一个小显示屏，显示游泳者的圈速、圈数和分段时间（每圈时间），向左快速一瞥即可看到。新功能的开发和外形的的完善都在进行中。Ciye 的智能泳镜适用于所有游泳者，从业余游泳者到奥运会运动员。

浑然天成的解决方案

Zhovnirovsky 在职业生涯中成长为成功的企业家。当他再次开始游泳时，他已具备多年创业和扩大经营规模的经验。他知道开发 Ciye 智能泳镜解决方案需要什么。他还有广阔的目标市场。“仅在美国，每周去三次泳池的人至少有 2600 万，”他说。计圈问题几乎是普遍的难题。例如，一名 Ciye 测试人员每天游 9.5 公里（6 英里），在测试智能泳镜之前，她需要通过心算跟踪她的圈数 - 总共 422 圈。Zhovnirovsky 说，“这是普遍存在的问题。当你询问游泳者游了多少圈时，大多数人说不清楚，因为几乎无人能记住四圈以上。”无法跟踪游泳过程中的进度还会阻碍游泳者提高水平的能力。“如果您与游泳者交谈，他们抱怨最多的是如何衡量运动成绩：我正在更改风格，但我到底是变得更好了？更快了？还是越来越差了？”他说。“我很难获得有关改变如何影响运动成绩的信息。”游泳手表之类的设备已尝试解决这些问题，但它们有很大的缺点。首先，手表戴在手臂上，游泳时手臂的运动让传感器不堪重负。它们在跟踪圈数方面不是很准确，如果您要检查您的速度，需要将手腕移入视野中，而这会干扰您的划水动作。这些设备也无法在锻炼过程中提供实时反馈。根据常识，Zhovnirovsky 认为游泳者需要的解决方案要融入游泳日常用品。他说，“每个游泳者都会戴泳镜。答案就非常明显了。”

产品推出后会大受欢迎

Ciye 团队本身就由游泳爱好者组成，他们很清楚市场需要什么样的智能泳镜。如果能让游泳者在不中断泳姿的情况下查看游泳时间、休息时间和分段时间，他们就可以根据自己的目标实时推进或调整速度。Ciye 的智能泳镜还需要胜过市面上的主流智能泳镜。这些主流智能泳镜可以在游泳时向游泳者投影其数据，这很吸引人，但会妨碍游泳者的视线并引起不适。挑战在于如何将智能泳镜变为真实产品。他们需要创建一种产品，可以准确地感知和识别游泳中的各元素 - 开始游泳、停止游泳、游泳转向、泳姿 - 并可以通过头部的传感器感知这些元素。当检测运动和方向时，九轴惯性测量单元（可穿戴设备中的一种常见传感器，用于将加速度计、陀螺仪和磁力计集成在一个设备中）会产生含噪信号。

Ciye 团队需要一个 AI 模型，该模型能够从错综复杂的混乱的情况中梳理出相关的信号，并标注特定的动作，如仰泳或自由泳。Zhovnirovsky 说，“数据标注是机器学习中最重要的活动之一，也是最难大规模实现的。以我的经验来看，它比算法本身更重要。”Ciye 需要的东西在当时并不存在，因此该团队使用 MATLAB 创建了满足他们需求的自定义数据标注工具。除了运行深度学习算法，这项技术还需要体积小、防水、电池寿命长。算法必须简洁而强大。“我们必须平衡算法的性能和复杂性，”Ciye 数据科学总监 Koosha Davis 表示。Sadeghi 需要创建一种节省内存和计算能力的算法，尽可能减少对电池的要求，以便传感器能够发挥最大能力。Sadeghi 使用 MATLAB 工具箱进行深度学习和信号处理，一次又一次地迭代算法。他基于 Ciye 的测试游泳者社区的数据训练算法，这些测试游泳者会发送其锻炼数据和游泳的详细描述。泳镜以超过 99% 的准确度捕获信息、识别划水类型、划水速率、圈数等。

游泳类型识别的机器学习模型的优化。（图片所有权：Ciye）

Zhovnirovsky 说：“很难有一种高精度算法适用于如此庞大的人群。我们能够实现这一点，很大程度上是因为 MATLAB 及其提供的工具。”在 Ciye 掌握技术后，他们需要泳镜来承载这项技术。Ciye 团队与 FINIS， Inc.（该公司开发并销售改进游泳方法和体验的产品）合作，共同开发这款采用可拆卸 Ciye 教练模块的智能泳镜。Ciye 模块的大小和形状类似于缺失尖端的吉他拨片，它卡在泳镜左镜片的外围，看起来并不显眼。该模块的设计还支持客户轻松更换塑料镜片，而无需每次购买全新的教练解决方案。

但这正是这款智能泳镜的魅力所在。佩戴泳镜时，显示部分位于游泳者的视野之外，仅当眼睛向左瞟时才看得见。在那一瞥中，游泳者会看到显示一些数据点的黑色圆形屏幕，其中包括圈数、每圈时间、休息时间和总时间，而且每次看到的都是实时数据。当游泳者转身蹬离池壁开始新一圈时，泳镜会显示前一圈的时间和划水次数。Zhovnirovsky 说，“它让您不再浪费时间去计数，只需专注于您的训练方法和成绩。”泳镜还可以跟踪游泳的详细信息，这些信息会在游泳后出现在 App 中。在该 App 中，除了实时显示数据之外，用户还可以获得每次锻炼的详细明细，查看其总距离、平均速度和消耗的卡路里数。通过该 App，用户还可以设置改进目标，并与其他游泳者联系，为这项原本孤独的运动增添社交元素。Zhovnirovsky 说，“该 App 可以帮助您保持游泳的动力和社交联系。我们希望它成为您眼中的个性化专职教练。”

虚拟教练

新冠肺炎疫情改变了人们日常生活的方方面面，包括游泳界。这也让人们开始关注虚拟工具在体育运动中的效用。Zhovnirovsky 说，“对我来说，在疫情期间拥有这款设备非常有用。“在疫情期间，即使您能够去泳池，您也非常孤独，因为无法保持以前的社交。”任何人都不应呆在泳池周围，教练也不行，而且游泳者在进入泳池前和离开时都需要戴上口罩。智能泳镜和 App 恢复了一些社交功能，同时确保运动员可以继续训练。对于专业人士来说，虚拟教练不仅仅是工具，它的重要性不止于此。在 2021 年举行的 2020 年东京夏季残奥会期间，美国游泳运动员 Mallory Weggemann 没有带教练，因为旅行限制，教练员无法随同运动员参赛。但 Weggemann 使用智能泳镜记录了她的游泳训练情况，并将数据发给教练，教练可以在几个时区之外为她提供建议和支持。Weggemann 最终赢得两枚金牌、一枚银牌，并打破两项残奥会记录。在另一个实例中，Ciye 团队将泳镜带到奥林匹克训练中心，让德国国家队试用。

Zhovnirovsky 说，“他们的进步更快了。现在他们随时能看到时钟，知道什么时候游得慢，什么时候游得快，促使他们更快地进步。”

随着在游泳市场初步取得成功，Ciye 正在将眼睛中的虚拟教练带到其他运动中，为跑步者和骑车人开发智能太阳镜。这些太阳镜将能够跟踪与智能泳镜类似的指标值，如步数、距离、速度和活动持续时间。目前的原型看起来像一副普通的运动太阳镜，但内置小电池和 Ciye 技术。最后，Zhovnirovsky 说，Ciye 计划设计一种带可拆解模块的眼镜，就像泳镜一样。全功能的太阳镜目前仍处于原型阶段，Zhovnirovsky 希望能够在年底推出。

Ciye 团队还在研究太阳镜和泳镜的生物特征记录功能。对于泳镜，他们拥有一项通过头部检测心率的技术专利，正计划在太阳镜上实现类似功能。在 Zhovnirovsky 的设想中，这款太阳镜不仅可以跟踪心率，还可以测量血氧饱和度和计算最大摄氧量，即身体在激烈活动中所消耗的最大氧气量，反映心血管的健康状况。在可穿戴健身设备中，Zhovnirovsky 认为未来像 Ciye 这样的产品将占据主流。他说，“为了在锻炼时获得实时反馈，科技将武装到眼睛上。我们的使命为每个人配备虚拟教练。”

编辑：黄飞