Все началось с шутки: какое будущее сулит «система оценки искусственным интеллектом», внедрённая в спортивной гимнастике?

Первая в мире система балльной оценки – на высшем уровне

Есть в современном спорте, помимо состязаний, где победители определяются очередностью фактических показателей, подобно плаванию и легкой атлетике, а также матчей, где соперники или команды сходятся в непосредственной схватке, как в дзюдо или баскетболе, такие виды, где выступление спортсменов оценивает жюри, иначе говоря, «состязания за баллы». В спортивной гимнастике, которую можно уверенно назвать наиболее характерным представителем таких видов спорта, в последние годы произошли разительные перемены. Получила внедрение система оценки, в которой баллы за выступление спортсмена выставляет искусственный интеллект.

Эта система была впервые использована на Чемпионате мира по спортивной гимнастике 2019 года. Тогда ее задействовали в общей сложности в 4 видах состязаний – у мужчин в упражнениях на гимнастическом коне и на кольцах, а также в опорном прыжке, у женщин – в опорном прыжке. В нынешнем году на Чемпионате мира, проходившем с 18 по 24 октября в городе Китакюсю, система официально применялась в пяти из десяти состязаний как у мужчин, так и у женщин, а еще в двух видах она была задействована в порядке завершающей проверки.

В целом система состоит из измерительного оборудования и базы данных.

В первую очередь при выступлении спортсмена трехмерные данные о положении его тела получают с использованием лазера, действующего с частотой 2 млн подсветок в секунду. Затем искусственный интеллект рассчитывает по этим данным положение скелета и суставов, составляя таким образом трехмерную модель выполняемых движений. Далее производится сверка с базой данных, в которой зарегистрированы все технические элементы гимнастики, и устанавливается, какие именно приемы исполнил спортсмен. После этого в соответствии с действующими правилами производится начисление баллов и штрафные вычеты за качество исполнения каждого элемента, и по завершении система выдает окончательный результат: во сколько баллов оценивается выступление.

Краткое описание «системы оценки искусственным интеллектом». 1. Измерение положений тела с помощью лазера (вверху слева) → 2. Определение поз и расчет трехмерной модели (вверху справа) → 3. Распознавание технических элементов на основе трехмерных данных (внизу слева) → 4. Сверка с базой данных и подтверждение выполнения приемов (внизу справа)

Прежде чем подсчитанные системой баллы станут итоговой оценкой, их проверяет жюри. Но уровень совершенства системы столь высок, что ее зачастую называют «автоматической оценкой». В последние годы цифровые технологии в спорте применяются все шире: в теннисе с их помощью определяют, был ли аут, в футболе – было ли пересечение голевой линии и т. д. Но в состязаниях, где технические элементы столь же сложны, как в спортивной гимнастике, аналогов нет, и вполне можно утверждать, что эта система, будучи первой в мире, сразу заняла высший уровень.

Долгие годы состязания, где используется рейтинговая балльная система оценки, и в первую очередь спортивная гимнастика, сталкивались с непростой задачей. Поскольку о выступлении судят, опираясь на зрительное восприятие, правомерность начисления баллов и вычета штрафных вызвала критику со стороны спортсменов, а временами ошибочные решения судей приводили к скандалам. Появление системы, способной объективно оценивать технику исполнения за счет использования искусственного интеллекта, вызвало широкий резонанс как возможность решить эту непростую проблему.

Разработчиком – компания «Фудзицу» – является поставщиком комплексных услуг на основе информационных технологий. Путь к выходу системы на уровень практического применения был крайне труден, говорит главный менеджер Департамента спортивного бизнеса «Фудзицу» Фудзивара Хидэнори.

Особенности гимнастики и предел возможностей человеческого зрения

Существуют системы «захвата движения» (motion capture), позволяющие производить измерения с помощью датчиков, прикрепляемых к телу человека, к примеру, те, что используются для съемок голливудских блокбастеров. Но оборудования, позволяющего производить замеры без прикосновения к телу, в мире не существовало, поэтому, отмечает Фудзивара, «пришлось начать с его создания».

Между тем гимнастика, как и следует буквально из названия этого спорта по-японски, это «искусство управлять телом», иначе говоря, умение быстро выполнять сложные телодвижения. Гимнаст или гимнастка то распрямляется, то туго скручивается, при этом движения суставов рук и ног сложны и разнообразны. Чтобы разработать средства, позволяющие все это измерить, требовалась новая, небывалая технология.

Трехмерный сенсор на спортивной арене. Технология измерения положений тела во время выступления без прикрепления датчиков стала настоящим прорывом

Еще одной проблемой стала необходимость распознавать, где кончается спортивный снаряд и начинается человек.

«К примеру, при выполнении упражнений на кольцах сами кольца тоже движутся. Из-за этого кольца воспринимаются как продолжение конечностей человека, так что на изображении возникал какой-то рак с клешнями», – вспоминает Фудзивара.

Чтобы обратить отслеженные устройством движения в баллы, требовалось не просто идентифицировать исполняемый прием, но еще и определить степень совершенства исполнения или его недостатки. Задачу сопоставления с оцифрованными правилами оценки возложили на прошедший соответствующее обучение искусственный интеллект. Между тем технических элементов исполнения у мужчин и женщин насчитывается в общей сложности около 1.400. Обучить интеллект было необходимо каждому из них.

«Сначала мы взялись за упражнения на коне, полагая, что это сулит легкую победу, поскольку человек движется над фиксированной опорой. Не деле же оказалось, что, вращаясь над этой опорой, спортсмен выполняет целый ряд приемов, перетекающих один в другой, и оказалось совершенно непонятно, как различать, где заканчивается один и начинается следующий. Отделить их друг от друга было ужасно трудно. Те, кто разбирается в гимнастике, с удивлением спрашивали: “Что ж вы начинаете с такого сложного?”»

Данные с трехмерного сенсора складываются в группы точек, позволяя определять движения

При более близком знакомстве с миром гимнастики также выяснилось, насколько суровые требования предъявляет сложившийся метод оценки. Во время исполнения судьи вручную, используя сокращенные условные обозначения, записывают содержание, а по окончании подсчитывают баллы. Это максимум того, что позволяет аналоговый метод. Между тем с повышением технического уровня там, где в прошлом можно было обойтись парой-тройкой человек в каждом виде состязаний, сейчас требуется около десятка судей, а в целом количество судей, необходимых для проведения одного чемпионата у мужчин и женщин, возросло примерно до 120.

Фудзивара остро ощутил, что возможность выставлять оценки, опираясь на человеческое зрение, достигла предела. К примеру, в правилах проведения состязаний на гимнастическом коне имеется следующая формулировка.

Если в фазе подъема к стойке на руках носки опущены, до 15 градусов начисляется -0,1 балла, от 16 до 30 градусов -0,3 балла, от 31 до 45 градусов -0,5 балла.

Оценка зависит от разницы в один градус между 15 и 16 градусами, но способен ли человеческий глаз различать этот градус?? Более того, в правилах есть и такая формулировка: «если прямо – баллы не снимаются, если с небольшим прогибом – начисляется -0.1 балла». Была ли «прямота» или «небольшой прогиб» – решать судьям. Все это то и дело служило поводом для критики и недовольства спортсменов, в частности, сетовавших на то, что «на каждых соревнованиях очки начисляют по-разному».

В 2017 году компания «Фудзицу» стала партнером Международной федерации гимнастики. Собирая данные большого числа спортсменов, компания, помимо прочего, занялась работой по конкретизации расплывчатых стандартов. При этом, не говоря о сложностях с разработкой самой системы, с самого начала пришлось сталкиваться с противодействием со стороны судей.

«Наверно, такие споры возникают и в других отраслях. В гимнастических кругах тоже высказывали опасения, не оставит ли искусственный интеллект без работы живых судей», – замечает Фудзивара.

В ответ приходилось раз за разом настойчиво разъяснять преимущества, которые несет миру гимнастики введение такой системы: повышение точности и исключение ошибок при выставлении оценок, справедливость и т. д. А самым большим подспорьем служило то, что в поддержку решительно выступали сами спортсмены.

А началось все с недопонимания

Наконец работа над вспомогательной системой оценки искусственным интеллектом подошла к завершению, и начиная с Чемпионата мира 2019 года она стала применяться на крупных соревнованиях. Целью ставится закончить разработку для всех 10 видов состязаний, проведя в будущем году на Чемпионате мира в Ливерпуле завершающие испытания как в мужских, так и женских вольных упражнениях, а также на параллельных брусьях у мужчин.

Главный менеджер Департамента спортивного бизнеса компании «Фудзицу» добился замечательного успеха в разработке, несмотря на массу препятствий

Следует отметить, что, по признанию самого создателя, отправной точкой преодолевшего множество трудностей проекта, результатом которого стало рождение системы, которая уже обрела свое место на главных мировых спортивных состязаниях, было «недопонимание».

Примерно в ту пору, когда было принято решение о проведении летних Олимпийских и Паралимпийских игр 2020 года в Токио, в поисках возможностей реализации информационных технологий в спорте Фудзивара встречался с представителями многих спортивных федераций. Одним из них был председатель Международной федерации гимнастики Ватанабэ Моринари. Беседуя с Фудзиварой, он произнес: «Вот если бы роботы могли оценки выставлять...».

«Впоследствии выяснилось, что он просто хотел пошутить», – говорит Фудзивара.

Однако Фудзивара воспринял эти слова со всей серьезностью и решил заняться разработкой. Полгода спустя после беседы он доставил на место проведения съезда Международной федерации гимнастики свой прототип и провел презентацию.

«Мы привезли полный комплект оборудования для упражнений на коне. Вообразите, какое замешательство это вызвало в отеле, где проходил съезд», – со смехом вспоминает Фудзивара.

На снаряде попросили выступить спортсмена, а на экране на заднем плане демонстрировалось изображение.

«На самом деле, это было нечто наподобие “театра в картинках”», – замечает создатель.

На тот момент система оценки искусственным интеллектом разработана не была. Изображения демонстрировались фактически вручную, чтобы донести мысль: «В законченном виде все это будет выглядеть вот так». Подобная реклама сопряжена с большим риском в случае, если добиться успеха в разработке так и не удастся. Но Фудзивара риска не боялся.

«Как правило, придерживаются порядка, при котором у компании имеется технология, и уже на ее основе разрабатывается какое-то изделие, не так ли? А мы попробовали для начала изобразить весьма далекую перспективу, показать, что будет, хотя в тот момент такой технологии у нас под рукой не было. А уж затем прийти к этой технологии. Мыслили именно в таком порядке. Я считаю, что очень важно задаваться вопросом, как можно изменить общество к лучшему, заниматься его дизайном, словом, проектировать общество».

Фудзивара был убежден, что именно такие идеи рождают инновации.

Между тем в компании по большей части думали иначе.

«Это невозможно», – дружно заявляли ему технологи.

Впрочем, они оказались далеко не единственными противниками. Не удавалось заручиться согласием со стороны самых разных подразделений, и план не получал поддержки. Это объяснялось тем, что многие считали, что даже в случае успеха технологической реализации, оставался открытым вопрос о коммерческой жизнеспособности идеи. Но, несмотря на все это, Фудзивара настойчиво продолжал работать, поскольку предвидел, что такая система может проявить потенциал не только в оценке выступлений гимнастов.

Выставление баллов – не предел возможностей

«Эту технологию можно применить не только в гимнастике, но и в других соревнованиях. Ею можно воспользоваться и в других областях, например, для поддержания здоровья. На онлайн-уроках по фитнесу тренер не видит, что делают подопечные, поэтому невозможно судить, правильно ли выполняются движения. А если задействовать обратную связь с использованием искусственного интеллекта, то это позволит заниматься дома совершенно верным образом. Более того, для пожилых людей, которые ходят в больницу, можно организовать наблюдение с момента, когда человек входит в помещение, и давать рекомендации, опираясь на наблюдения за его позой и походкой, иначе говоря, разом решать еще одну задачу».

Более того, можно рассчитывать на применение в промышленности и культуре. У профессионалов вырабатывается то, что именуют навыками и мастерством – верные движения, которые зачастую трудноуловимы, но если сделать за счет оцифровки то, что до сих пор было не под силу человеческим органам восприятия, то это может послужить подспорьем для овладения традиционными исполнительскими навыками и т. д.

«Если оглянуться на развитие технологий, то процесс, начавшись с парового двигателя, через электричество привел к компьютерам и интернету вещей. Примерно до появления компьютеров продолжалась эпоха решения через технологии физически трудоемких задач. А с приходом интернета вообще исчезает необходимость в участии человека. Я полагаю, что в эту новую эпоху технологии должны приводить к здоровью и счастью человека. Считаю, что технология оценки выступлений гимнастов – один из шагов в этом направлении», – заключает Фудзивара.

Решение задачи, взяться за которую побудило недопонимание «шутки», заключает в себе разнообразные возможности, и не исключено, что они совершенно изменят деятельность человека.

Фотография к заголовку: «Вспомогательная система оценки искусственным интеллектом» уже используется на соревнованиях мирового уровня, таких как чемпионаты мира по гимнастике. На мониторе перед судьями, количество баллов обильно сопровождается дополнительной информацией (Все фотографии к статье предоставлены компанией «Фудзицу»)