穿戴式游泳設(shè)備開掛的絕活！

今天小編跟大家分享一篇人工智能與傳感器協(xié)同工作的技術(shù)文章。

本文作者為Kaustubh Gandhi，Bosch Sensortec高級(jí)軟件產(chǎn)品經(jīng)理

小編溫馨提醒：深度好文篇幅略長(zhǎng)，小編也為大家highlight出一些重點(diǎn)，建議收藏慢慢看

人工智能（AI）正迅速成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，但我們?cè)谠S多情況下并沒(méi)有察覺(jué)到它的存在。人工智能可以理解為從各種傳感器發(fā)來(lái)的大量數(shù)據(jù)流，以提供詳細(xì)而精確的分析，由此提升目前市場(chǎng)上幾乎所有電子設(shè)備的性能。

這項(xiàng)革命性的技術(shù)可以實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)地測(cè)定設(shè)備用戶的活動(dòng)，不論是行走、跑步、坐姿、睡眠，甚至是游泳。本文將探討傳感器如何在可穿戴設(shè)備中與人工智能協(xié)同作用，為用戶提供有價(jià)值的信息，即使是在游泳池等苛刻的環(huán)境中。

人工智能正在成為現(xiàn)有和全新應(yīng)用及產(chǎn)品中的常見(jiàn)元素。尤其是利用應(yīng)用于當(dāng)今消費(fèi)類設(shè)備內(nèi)高精度傳感器所收集的數(shù)據(jù)，人工智能可以釋放出巨大的能量與潛力。一個(gè)典型的例子便是健身腕帶或智能腕表等可穿戴設(shè)備：人工智能可以判斷佩戴者在任何特定時(shí)間點(diǎn)的活動(dòng)，無(wú)論是行走、坐姿，還是睡眠且精確度極高。

其中的核心在于利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行活動(dòng)分類，設(shè)備制造商借此可以大幅提高用戶的參與度和對(duì)用戶的價(jià)值。通過(guò)人工智能，可以系統(tǒng)地整合各種用戶在不同使用和環(huán)境場(chǎng)景下所做活動(dòng)的行為特征。由此，人工智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以提高終端設(shè)備的輸出精度。本文以游泳追蹤器為例，探討人工智能如何將傳感器輸出轉(zhuǎn)化為緊湊且節(jié)能的可操作數(shù)據(jù)。

定制可穿戴設(shè)備具有誘人的市場(chǎng)潛力

雖然目前標(biāo)準(zhǔn)健身和活動(dòng)追蹤器已成為十分常見(jiàn)的消費(fèi)產(chǎn)品，但為游泳運(yùn)動(dòng)而量身定制的可穿戴設(shè)備一定程度上依然是一項(xiàng)缺口。由于不同人的身體特點(diǎn)與游泳風(fēng)格各有不同，傳統(tǒng)的非人工智能軟件開發(fā)方法存在一些局限性。因此，這是一個(gè)充滿盈利潛力的藍(lán)海市場(chǎng)，估計(jì)全球有3億游泳愛(ài)好者和專業(yè)運(yùn)動(dòng)員愿意購(gòu)買此類設(shè)備，為其表現(xiàn)提供可靠的運(yùn)動(dòng)追蹤。

動(dòng)態(tài)游泳環(huán)境是一個(gè)理想的“試驗(yàn)場(chǎng)”，可以在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中展示運(yùn)動(dòng)傳感器與先進(jìn)人工智能算法結(jié)合后所能釋放的潛力。一款可自學(xué)習(xí)的智能游泳可穿戴設(shè)備，可以確定游泳速度和距離，并提供有關(guān)游泳者技術(shù)的寶貴信息，同時(shí)識(shí)別任何薄弱點(diǎn)，比如反轉(zhuǎn)過(guò)慢或尚待完善的劃手頻率。這些關(guān)鍵信息可幫助游泳運(yùn)動(dòng)員、教練甚至家長(zhǎng)確定在游泳技能或體能方面需要改進(jìn)的地方。

2018年對(duì)游泳愛(ài)好者和專業(yè)游泳運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示，不同人對(duì)此類可穿戴設(shè)備的不同期望。報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，游泳者更青睞私人系統(tǒng)，即不需要連接到互聯(lián)網(wǎng)或云端，以確保數(shù)據(jù)隱私。其解決方案應(yīng)當(dāng)為單一且是現(xiàn)有配件的一部分，如腕帶或腕表，因?yàn)橛脩舨幌Ｍ芾眍~外的電子設(shè)備。

它應(yīng)該搭載獨(dú)立且不受限制的自動(dòng)追蹤功能，并能夠針對(duì)游泳表現(xiàn)提供精確報(bào)告，并顯示具體的完善建議。最后，此類解決方案必須能讓用戶負(fù)擔(dān)得起，這意味著人工智能系統(tǒng)應(yīng)該在微控制器上運(yùn)行，而不是傳統(tǒng)的人工智能圖形處理單元（GPU），以節(jié)省成本。

現(xiàn)有游泳追蹤解決方案的局限性

目前大多數(shù)的游泳追蹤器要么不能提供足夠的有用信息，要么只提供基于云端的分析，成本高且缺乏隱私性。因此，專業(yè)競(jìng)技游泳運(yùn)動(dòng)員不希望使用“非專業(yè)的小玩具”，而是會(huì)花錢請(qǐng)專業(yè)教練，或者使用昂貴的攝像系統(tǒng)來(lái)分析和提高自己的成績(jī)。

游泳追蹤器需要能夠準(zhǔn)確可靠地對(duì)整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行“原地且實(shí)時(shí)”的分類。但是，設(shè)備內(nèi)在的經(jīng)濟(jì)可行性因素卻造成了局限。因此，設(shè)備制造商不得不做出妥協(xié)，或采取中庸的解決方案，即在不大幅影響分類速度、準(zhǔn)確性和可靠性的前提下，優(yōu)化組件、傳輸、存儲(chǔ)和處理能力的成本和容量。

如果將收集到的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)皆贫瞬⑦M(jìn)行遠(yuǎn)程處理，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴，這將大大削弱設(shè)備的吸引力?，F(xiàn)實(shí)中，設(shè)備制造商可以提供“免費(fèi)”的云服務(wù)，并將預(yù)計(jì)的終身云成本捆綁在可穿戴設(shè)備的前期購(gòu)買價(jià)格中，這又會(huì)將大多數(shù)潛在用戶排除在市場(chǎng)之外。廣告或數(shù)據(jù)共享雖然是一種替代方案，然而，許多用戶會(huì)認(rèn)為這是對(duì)其隱私的侵犯。

安裝在可穿戴設(shè)備中的高性能、無(wú)線或射頻連接模塊進(jìn)一步增加了任何云解決方案的成本，更何況其所需的不間斷網(wǎng)絡(luò)連線或智能手機(jī)配對(duì)，在物理上無(wú)法時(shí)刻獲得保證。不僅如此，要將所有收集到的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備上，又增加了一層成本，而為此所需的強(qiáng)大處理器又會(huì)為設(shè)備成本“雪上加霜”。如果綜合考慮成本、存儲(chǔ)和處理因素，這就會(huì)變成一個(gè)非常昂貴的命題，基本上無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用。

傳感器數(shù)據(jù)融合扭轉(zhuǎn)局面

解決這些障礙的最直接方法是傳感器數(shù)據(jù)融合，這是一個(gè)將來(lái)自不同來(lái)源的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行智能組合，以獲得準(zhǔn)確信息的過(guò)程。處理器通常集成在傳感器內(nèi)部，使傳感器數(shù)據(jù)能夠在傳感器模塊上獲得預(yù)處理，從而大大減少了需要存儲(chǔ)和傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)量。這有可能完全消除對(duì)云端的需求。這種方法的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)在于，可穿戴設(shè)備中主處理器的功率可以大大降低，從而進(jìn)一步削減成本。

為了展示傳感器數(shù)據(jù)融合與人工智能在實(shí)際場(chǎng)景中的協(xié)同作用，Bosch Sensortec開發(fā)并打造了一款游泳追蹤器解決方案，可集成在智能傳感器BHI260AP內(nèi)部。此外，BHI260AP還配備了其他實(shí)用的可穿戴功能，如自學(xué)習(xí)健身追蹤、步行導(dǎo)航、3D方向追蹤等，可根據(jù)用戶應(yīng)用需求在傳感器中啟用。

游泳追蹤軟件使用的是三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，這兩個(gè)傳感器都集成在智能傳感器BHI260AP內(nèi)部。由于其還具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)微控制器，因此既可以提供原始傳感器數(shù)據(jù)，也可以運(yùn)行人工智能功能，并生成相關(guān)結(jié)果，以供應(yīng)用處理器直接使用，從而降低系統(tǒng)功耗和處理需求。

首先，游泳追蹤軟件利用運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)來(lái)判斷用戶是否已經(jīng)開始游泳，而不需要游泳者做任何動(dòng)作（見(jiàn)圖2）。然后，它會(huì)從仰泳、自由泳、蝶泳和蛙泳四種可能的類型中對(duì)泳姿進(jìn)行分類。隨后，軟件會(huì)記錄劃手?jǐn)?shù)量、圈數(shù)和每圈之間的停頓時(shí)間。

圖2：游泳分類軟件算法

圖2顯示了可穿戴式游泳設(shè)備如何使用預(yù)處理數(shù)據(jù)來(lái)精準(zhǔn)清晰地計(jì)算速度、距離和游泳效率等信息。所提供的數(shù)據(jù)還有助于生成SWOLF（游泳高爾夫）得分：這是一種廣泛使用的游泳效率測(cè)量方法，由游泳時(shí)間和測(cè)得的劃手?jǐn)?shù)得出。（*SWOLF= 游泳高爾夫成績(jī)；（秒數(shù)+劃手?jǐn)?shù)）/圈數(shù)；數(shù)字越低越好）

這些信息可以讓游泳運(yùn)動(dòng)員追蹤自己的表現(xiàn)，并監(jiān)測(cè)改進(jìn)情況，同時(shí)找出需要進(jìn)行特殊訓(xùn)練的薄弱環(huán)節(jié)。他們還可以將自己的數(shù)據(jù)與本人的歷史數(shù)據(jù)、朋友、培訓(xùn)伙伴或?qū)＜业臄?shù)據(jù)進(jìn)行比較。

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性：權(quán)衡利弊

在與設(shè)備制造商交談時(shí)，他們無(wú)一例外都會(huì)提到一個(gè)最重要的游泳追蹤器參數(shù)：準(zhǔn)確性。為了讓自己的購(gòu)買設(shè)備物有所值，終端用戶需要的是高精度的產(chǎn)品。準(zhǔn)確度使設(shè)備制造商能夠提供值得用戶信賴的系統(tǒng)。在實(shí)踐中，要達(dá)到令人滿意的精度是非常困難的。每位游泳運(yùn)動(dòng)員的身高、四肢長(zhǎng)度以及手腳在水中移動(dòng)的速度和力量都各有不同。此外，由于人們?cè)谟斡緯r(shí)的能量水平會(huì)存在變化，同一游泳者在不同時(shí)段中手臂運(yùn)動(dòng)的速度可能會(huì)有很大波動(dòng)。

這就是人工智能大展拳腳的地方。根據(jù)“典型”或“普通”人的要求開發(fā)的追蹤解決方案，無(wú)法提供足夠的準(zhǔn)確性。其中涉及的變量太多，范圍太廣。關(guān)鍵在于，即使用戶的具體特征不同，人工智能也能讓可穿戴設(shè)備準(zhǔn)確地檢測(cè)和分類游泳動(dòng)作。由此能夠使處理后的結(jié)果，如劃手?jǐn)?shù)、圈數(shù)和停頓時(shí)間等更加準(zhǔn)確。

得益于此人工智能組件以及在這一領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)，Bosch Sensortec與博世企業(yè)研究部的專家合作，開發(fā)出了一套解決方案，在智能傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新的信號(hào)處理、過(guò)濾以及分類和計(jì)數(shù)。例如，在對(duì)泳姿類型進(jìn)行分類時(shí)，該方案的準(zhǔn)確率達(dá)到了90%以上，可與目前市場(chǎng)上最好的追蹤器比肩。通常，要實(shí)現(xiàn)以更高準(zhǔn)確度為目標(biāo)的人工智能，需要在GPU上進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，以處理和維護(hù)龐大的數(shù)據(jù)集。然而，Bosch Sensortec的人工智能游泳軟件，卻可以在任何較小型微控制器上運(yùn)行。

由于人工智能軟件本身為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型，根據(jù)實(shí)際可用的計(jì)算資源和用戶信息，廠商可以在功能精度和各種軟性指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡，比如（檢測(cè)）延遲、功耗（CPU的MIPS和傳感器數(shù)據(jù)率）和軟件的代碼規(guī)格。

為了推動(dòng)用戶的參與度，人工智能總會(huì)有更多的取舍空間。例如，制造商可以選擇配置Bosch Sensortec軟件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)格進(jìn)行精確追蹤，或者根據(jù)地區(qū)、年齡等條件更有針對(duì)性地適應(yīng)特定人群的風(fēng)格。這也有助于為專業(yè)和業(yè)余用戶單獨(dú)提供標(biāo)準(zhǔn)或定制的解決方案。

在處理所有這些權(quán)衡和妥協(xié)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)必不可少。作為創(chuàng)新傳感解決方案的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，Bosch Sensortec進(jìn)行了多年的研究，并獲得了實(shí)際數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實(shí)用戶場(chǎng)景中對(duì)理論概念進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。這一專業(yè)水準(zhǔn)可以在有限的計(jì)算資源下實(shí)現(xiàn)最高精度，并有效優(yōu)化成本、精度、尺寸和功耗等方面的權(quán)衡。

人工智能提供準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的追蹤

憑借精確的傳感器和人工智能驅(qū)動(dòng)軟件，Bosch Sensortec可以在不影響游泳追蹤器準(zhǔn)確性的前提下，為終端用戶提供更具成本效益和個(gè)性化的解決方案。這款產(chǎn)品展示了，人工智能如何使可穿戴設(shè)備制造商在不需要昂貴的嵌入式處理器、深度學(xué)習(xí)，或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的情況下，通過(guò)降低存儲(chǔ)和處理成本，打造出差異化、物超所值的產(chǎn)品。

通過(guò)提供即插即用的核心軟件，廠商可以更快地開發(fā)出產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，降低設(shè)計(jì)和開發(fā)成本。此外，他們還能夠擁有高度的靈活性，輕松實(shí)現(xiàn)后續(xù)軟件開發(fā)，例如添加更多游泳風(fēng)格或在地理上進(jìn)行定制，并從Bosch Sensortec獲得更多支持。

總體來(lái)說(shuō)，上述例子展示了將人工智能與運(yùn)動(dòng)傳感器以及智能傳感器一起用于消費(fèi)電子應(yīng)用所能帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。這些原則同樣也可應(yīng)用于其他可穿戴設(shè)備，如步數(shù)追蹤器或健身設(shè)備。人工智能、運(yùn)動(dòng)傳感器和傳感器數(shù)據(jù)融合的結(jié)合，為新一代智能設(shè)備提供了靈活、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

未來(lái)發(fā)展

上述游泳追蹤器解決方案只是一個(gè)例子，它展示了我們?cè)诖蛟烊斯ぶ悄茯?qū)動(dòng)型消費(fèi)和工業(yè)產(chǎn)品這一漫長(zhǎng)但令人興奮的旅程中已經(jīng)邁出了早期步伐。

游泳追蹤器解決方案展示了人工智能的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)——其學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立于人類干預(yù)的發(fā)展能力或者至少在不遠(yuǎn)的將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)這些能力的潛力。憑借人工智能，游泳追蹤器可能很快就會(huì)識(shí)別并適應(yīng)游泳者的年齡、游泳風(fēng)格和技術(shù)，以提供信息和分析，從而令用戶能夠持續(xù)提高泳技和成績(jī)。無(wú)論是用于在學(xué)校教孩子們游泳，還是在國(guó)家體育學(xué)院推動(dòng)世界上最優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員更上一層樓，人工智能都有望為所有人帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的好處。

這一游泳案例研究展示了傳感器和人工智能的結(jié)合，如何將消費(fèi)電子設(shè)備和生活質(zhì)量提升到一個(gè)新的水平。從可穿戴設(shè)備，到智能家居設(shè)備和機(jī)器人，傳感器和人工智能的這種協(xié)同關(guān)系將一直存在，只待我們?nèi)ネ诰蚝歪尫拧?/p>

編輯：jq