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2022 年北京冬奥会的成功举办，使冰壶运动得到了全世界人民的高度关注。冰壶又称“冰上象棋”，是一项结合策略和技巧的普遍冬季运动 (图1)，需要高度的专注力和精确度。在冰壶比赛中，旋转的冰石遵循卷曲的轨迹，而不是保持笔直的轨迹。一个世纪以来，学者们曾多次尝试解释冰壶比赛的运动轨迹，但由于现场测量技术的局限性和专业冰壶场实验数据的不足，对石-冰摩擦的理论和实验研究始终有限。
图1. 2022 年北京冬奥会预制冰壶场地现场图。
众所周知，摩擦和运动在很大程度上受石-冰接触面特性的影响。冰壶是由底部粗糙的花岗岩特制而成。冰壶石底部通过凸起环状物与冰壶冰接触 (图2)。这些接触面的多重特征综合影响着石头的移动，增加了游戏的趣味性。有文献指出，卷度距离主要由石材的表面粗糙度和面积决定，而不是由冰面条件决定。旋曲现象可以看作是多种物理机制共同作用的结果，这些机制的影响可以用石冰摩擦系数来表示。
图2. 石冰接触情况。
研究过程与结果
来自哈尔滨工业大学重点实验室的张文元教授及其研究团队在 Lubricants 期刊发表了论文，基于计算机视觉技术对北京冬奥会冰壶项目预制溜冰场“冰立方”的石冰摩擦系数进行了现场测量。作者使用分辨率为 3840 × 2160 像素的高精度摄像机，架设在距冰面 2000 mm 处，以每秒 60 帧的速度录制视频。首先，利用 YOLO-V3 (图3，You Only Look Once, Version 3) 深度神经网络和 CSRT 对象跟踪算法，提出了一种确定冰壶石位置的程序。接着从视频流中逐帧提取 1000 张图像，随后进行人工对象定位。在感兴趣区域/ROI 周围创建一个包围框来确定位置，即本研究中的冰壶。作者通过记录冰壶投掷石实验中的视频数据，来提取摩擦系数 (图4)。
图3. YOLO-V3 深度神经网络的模型结构。
图4. 由原始数据计算摩擦系数的流程图。
作者还讨论了滑动速度对摩擦系数的影响 (图5、图6)。使用基于传感器的方法与已发表的实验数据和模型进行比较，并对获得的结果进行验证。结果表明，摩擦系数 (范围从 0.006 到 0.016) 由于存在液体样层，随着滑动速度的增加而降低。作者得到的结果与以往文献数据和 Lozowski 等人基于热力学平衡开发的摩擦模型一致。此外，计算机视觉技术方法与加速度计传感器方法的实验结果显示出显著的一致性，支持了作者提出的基于深度学习的测量过程的一致性和可靠性。该实验对于冰壶游戏运动轨迹的研究具有重要意义。
图5. 运动过程中获得的冰壶滑动速度示例。
图6. 冰壶石在运动过程中的滑动距离示例。
研究总结
本文利用计算机视觉技术方法，在“冰立方”溜冰场对冰壶与石冰之间的摩擦系数进行了实验研究。根据实验结果和讨论，作者得出以下一些结论：
(1) 所提出的基于计算机视觉技术的测量方法可用于冰壶石与冰的摩擦系数的测量，所得结果符合石冰摩擦规律，与相关文献数据吻合较好。可进一步运用基于深度学习的计算机视觉技术，对冰场的冰质进行实时监测。
(2) 冰壶石与冰之间的摩擦系数为 0.006~0.016，受冰壶石滑动速度的影响较大。增加冰壶滑动速度导致摩擦系数值降低，这是由于摩擦热产生润滑水膜。
(3) Lozowski 模型在描述速度与摩擦力关系方面表现较好。作者的大部分实验结果都包含在 Lozowski 模型预测的上限和下限之内。
(4) 采用基于加速度计的方法测量了石冰摩擦系数。本文所提出的基于 YOLO-V3 深度神经网络的方法所得值与加速度计传感器所得值具有良好的一致性，证明了基于深度学习的方法的有效性和可靠性。
原文出自 Lubricants 期刊
Li, J.; Li, S.; Zhang, W.; Wei, B.; Yang, Q. Experimental Measurement of Ice-Curling Stone Friction Coefficient Based on Computer Vision Technology: A Case Study of “Ice Cube” for 2022 Beijing Winter Olympics. Lubricants 2022, 10, 265.
Lubricants 期刊介绍
主编：Homer Rahnejat, University of Central Lancashire, UK
期刊主要发表摩擦学各个方面的相关原创理论性和实验性研究成果，主题领域包括但不限于：润滑、摩擦、磨损、气蚀和侵蚀、亚表面应力、疲劳剥落、点蚀、微点蚀、接触力学、表面科学、流变学，以及润滑的物理化学、边界活性物质、吸附和键合等。已被 SCIE 数据库收录。
2021 Impact Factor 3.584
2021 CiteScore 4.5
Time to First Decision 14 Days
Time to Publication 38 Days