冰瀑、冰雪五環(huán)、主火炬點(diǎn)火…冬奧會(huì)開幕式絕美瞬間背后的科技力量

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撰文/記者 趙玲 圖文編輯/陳永杰

新媒體編輯/房永珍

11600平方米的高清LED顯示屏，基于人工智能技術(shù)的影像識(shí)別跟蹤、基于交互引擎技術(shù)的實(shí)時(shí)渲染，全球首次在超過一萬平方米地面上對(duì)超過600名演員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和互動(dòng)…

2022年北京冬奧會(huì)開幕式帶來了太多絕美瞬間，其背后是用科技的手段將中國(guó)人的浪漫展現(xiàn)得淋漓盡。下面就讓我們一起來看看，這些精彩的節(jié)目背后有哪些科技手段在支撐。

▲2022年北京冬奧會(huì)開幕式（圖片來源：央視頻）

世界最大的LED顯示屏呈現(xiàn)“黃河之水天上來”

一進(jìn)鳥巢，觀眾首先會(huì)被一塊超大的LED屏吸引。它平鋪在鳥巢中心，一直延伸到跑道，約1.16萬平方米，是目前建成的世界最大的LED顯示屏，包含超過4萬塊的LED模塊，不僅能完美地呈現(xiàn)各種特效，還可結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來使用，完全顛覆了傳統(tǒng)的演出舞臺(tái)空間結(jié)構(gòu)，可變換成多面凸屏，延伸畫面，增添空間感，打造出數(shù)字化高端演藝視效，是為此次開幕式量身打造的分辨率高、刷新率高的地屏展示項(xiàng)目。

據(jù)@京東方BOE 官微消息，此次開幕式流光溢彩的會(huì)發(fā)光的舞臺(tái)就是由京東方提供。京東方采用多個(gè)8K+級(jí)分辨率的畫面融合技術(shù)，超大規(guī)模的光學(xué)校正算法可對(duì)每個(gè)顯示畫面進(jìn)行像素點(diǎn)級(jí)的光學(xué)校正，可呈現(xiàn)出100000:1超高對(duì)比度，3840Hz超高刷新率，以及29900x15096超高分辨率的超高清絢麗畫面。同時(shí)，通過搭載京東方自主研發(fā)的超大規(guī)模顯示模組控制與同步系統(tǒng)，還可實(shí)時(shí)捕捉演員行進(jìn)軌跡，實(shí)現(xiàn)畫面與演員的無縫互動(dòng)。

▲京東方采用多個(gè)8K+級(jí)分辨率的畫面融合技術(shù)（圖片來源：央視體育）

與地屏垂直的是一塊近60米高、20米寬的LED屏，叫做冰瀑。開幕式中，一滴水墨滴下來，張藝謀解釋，如同“黃河之水天上來”，鋪滿全場(chǎng)，呈現(xiàn)出具有中國(guó)美學(xué)的畫面，令人驚艷。

▲京東方采用多個(gè)8K+級(jí)分辨率的畫面容和技術(shù)呈現(xiàn)的“黃河之水天上來”（圖片來源：央視體育）

負(fù)責(zé)演出裝置的副經(jīng)理劉記軍表示，平地豎起這樣一塊大屏并非易事，第一個(gè)考驗(yàn)就是大風(fēng)。冰瀑建好后正是秋冬季節(jié)，場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)速足以把屏幕撕爛。冰瀑下面沒有地基，塔架無法生根，這么大面積的屏?xí)粫?huì)被吹倒？

安全是首位的，劉記軍的團(tuán)隊(duì)開始研究鳥巢場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)如何刮，記錄了一二百種風(fēng)況，設(shè)置模擬實(shí)驗(yàn)。最終考慮到風(fēng)的影響，屏幕的寬度從30米調(diào)整到20米，采用了透風(fēng)的格柵屏。

▲開幕式上橄欖枝環(huán)繞的巨型“雪花”也是京東方提供（圖片來源：央視頻）

得益于團(tuán)隊(duì)的細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，最終冰瀑的呈現(xiàn)效果非常抓人眼球?；蛟S若干年后，當(dāng)我們回憶起2022年的春節(jié)，腦海中的第一個(gè)畫面就是從天而降的冰瀑。

激光與3D視效“雕刻”冰立方

對(duì)于許多觀眾來說，北京冬奧會(huì)開幕式上最吸引眼球的是冰雪五環(huán)的出現(xiàn)。

空中的一滴水墨凝結(jié)成冰，一塊冰立方從地下升起，24道激光在上面回顧24屆冬奧會(huì)，最終停在北京。6個(gè)冰球運(yùn)動(dòng)員快速擊打，配合激光雕刻碎冰，最終一個(gè)冰五環(huán)顯出形來?？梢哉f，當(dāng)“冰立方”緩緩被激光“雕刻”成晶瑩璀璨的五環(huán)時(shí)，燃爆了現(xiàn)場(chǎng)，也點(diǎn)燃了屏幕前觀眾的激情。

▲激光與冰立方3D視效的結(jié)合（圖片來源：央視頻）

“雕刻的是真冰還是假冰”在微博上，一些人就這一話題開始了激烈的討論。

海淀高科技企業(yè)利亞德承擔(dān)了北京冬奧會(huì)開幕式地屏、冰瀑、冰立方、南北看臺(tái)屏和播放系統(tǒng)等裝置生產(chǎn)、安裝任務(wù)。據(jù)利亞德集團(tuán)董事長(zhǎng)李軍介紹，“‘雕刻’的視覺是在激光與冰立方3D視效的結(jié)合下產(chǎn)生的”。

冰立方長(zhǎng)22米、寬7米、高10米，是由LED屏組成的。五環(huán)本身也是一個(gè)LED屏，當(dāng)它亮相的時(shí)候，位于看臺(tái)4層的激光照射在冰立方上，對(duì)冰立方進(jìn)行“雕刻”，隨著冰立方上部的頂蓋的下翻，配合著激光的“雕刻”，底部的五環(huán)緩緩上升，冰立方四面的LED屏一邊緩緩下降，一邊播放冰渣四濺的三維視覺效果，三方面完美配合，就形成了五環(huán)被一點(diǎn)點(diǎn)“雕刻”出來的視覺效果。

▲“冰立方”被“激光”雕刻成奧運(yùn)五環(huán)標(biāo)志（圖片來源：央視頻）

三維追蹤技術(shù)與地面自然互動(dòng)

在《致敬人民》和《雪花》節(jié)目中，我們看到風(fēng)雪特效和運(yùn)動(dòng)員的配合天衣無縫，運(yùn)動(dòng)員所到之處“風(fēng)雪消融”，看到地面大屏隨著表演者的走動(dòng)出現(xiàn)新的畫面，還看到雪花與孩子們?nèi)缬半S形，陪著孩子們?cè)谖枧_(tái)上自由地移動(dòng)……一個(gè)疑問產(chǎn)生了：為什么地面能夠與表演者互動(dòng)得如此自然？

▲三維運(yùn)動(dòng)員追蹤技術(shù)（圖片來源：央視頻）

國(guó)家體育場(chǎng)團(tuán)隊(duì)科技創(chuàng)新經(jīng)理?xiàng)罱澖榻B道，3DAT技術(shù)（三維運(yùn)動(dòng)員追蹤技術(shù)）的運(yùn)用是一大關(guān)鍵。這套系統(tǒng)的運(yùn)作過程大致如下：整個(gè)系統(tǒng)大致包括攝像機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺和人工智能處理的服務(wù)器系統(tǒng)、后端進(jìn)行渲染的渲染系統(tǒng)。運(yùn)行時(shí)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過安放在鳥巢看臺(tái)6層的4臺(tái)檢測(cè)度極高的攝像機(jī)覆蓋全場(chǎng)，以此采集場(chǎng)上演員的影像，判斷他們的位置，然后把位置信息和動(dòng)作信息反饋給渲染系統(tǒng)，渲染系統(tǒng)再按照導(dǎo)演設(shè)定的藝術(shù)效果，結(jié)合演員的位置、動(dòng)作、姿態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)合成。

一般來說，3DAT技術(shù)多用于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練，幫助教練員整理并提出科學(xué)訓(xùn)練計(jì)劃和專業(yè)策略，“而這套系統(tǒng)是世界上首次把英特爾3DAT技術(shù)運(yùn)用在演出中?！北本╇娪皩W(xué)院聲音學(xué)院院長(zhǎng)童雷、英特爾項(xiàng)目經(jīng)理賀郁馨說，“這套系統(tǒng)難就難在它是實(shí)時(shí)的。這么長(zhǎng)的鏈條，要經(jīng)過幾套服務(wù)器，整個(gè)過程的延遲大概在100到200毫秒之間，所以從視覺上看起來，渲染效果就像是跟隨著演員一樣，它給了導(dǎo)演們進(jìn)行更多藝術(shù)創(chuàng)作的空間?！?/p>

航天科技助力冬奧主火炬點(diǎn)燃

此次開幕式之前，總導(dǎo)演張藝謀在接受采訪時(shí)表示，“這次在點(diǎn)火和火炬上有一個(gè)重要改革，跟一百年以來都不一樣”，吊足了觀眾的胃口。

當(dāng)雪花形狀的主火炬在萬眾矚目下點(diǎn)燃，360度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)展示，用獨(dú)特又浪漫的方式向全世界傳遞了低碳環(huán)保理念和中國(guó)文化自信時(shí)，不得不感嘆這極具創(chuàng)新和科技的點(diǎn)火儀式必將在奧運(yùn)會(huì)火炬的歷史上留下濃墨重彩的一筆。

▲火炬點(diǎn)燃（圖片來源：央視頻）

雖然主火炬的點(diǎn)火儀式看似簡(jiǎn)單短暫，但卻經(jīng)歷了半年時(shí)間的驗(yàn)證，航天科技集團(tuán)五院運(yùn)用成熟的航天器試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，確保點(diǎn)火儀式的各個(gè)環(huán)節(jié)可靠、順暢。

為了保證主火炬的有效起吊高度和承載需求，五院508所選用航天器回收著陸試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)高40米、長(zhǎng)25米、寬15米的沖擊試驗(yàn)塔架作為試驗(yàn)主裝置，并對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造，以滿足主火炬及其吊掛機(jī)構(gòu)的安裝要求和試驗(yàn)要求。該試驗(yàn)塔架平時(shí)主要用于航天器回收著陸系統(tǒng)的著陸沖擊試驗(yàn)、繩帶沖擊試驗(yàn)、彈傘開傘試驗(yàn)等，具有高強(qiáng)度、高可靠、操作便捷等特點(diǎn)。

試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，為了更真實(shí)的模擬主火炬內(nèi)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境，降低外場(chǎng)自然風(fēng)及光線影響，508所項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)結(jié)合半個(gè)多世紀(jì)的航天器降落傘研制經(jīng)驗(yàn)，選用具有特殊性能的航天器用特紡柔性材料，制成總面積約3000平方米的三面防護(hù)網(wǎng)，分別懸掛、固定于試驗(yàn)塔架的西、北、東三個(gè)方向。

▲三面防護(hù)網(wǎng)效果圖（圖片來源：508所）

由于柔性材料本身剛度不夠，受風(fēng)力影響，防護(hù)網(wǎng)可能隨風(fēng)擺動(dòng)而影響試驗(yàn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)別具匠心，利用降落傘設(shè)計(jì)技術(shù)，在防護(hù)網(wǎng)周圍增加了徑向帶和緯向帶設(shè)計(jì)，并選用伸縮量小的繩帶作為系留繩，保證了防護(hù)網(wǎng)即使在大風(fēng)條件下依然保持穩(wěn)定的張力和可靠性。

2022北京冬奧會(huì)秉承“綠色、共享、開放、廉潔”的辦奧理念，以綠色發(fā)展和綠色辦奧相結(jié)合，打造“綠色化”“低碳化”“智能化”“數(shù)字化”的生態(tài)環(huán)保理念。主火炬的燃料為氫氣，氫氣瓶的安全存儲(chǔ)也是試驗(yàn)過程中的重要環(huán)節(jié)。為此，508所充分利用試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)具有防爆功能的航天器推進(jìn)劑加注間，增設(shè)強(qiáng)排風(fēng)系統(tǒng)，定時(shí)排風(fēng)，每日由專人負(fù)責(zé)檢查，保證氫氣瓶的存儲(chǔ)和使用過程安全可控。

正是在嚴(yán)格把關(guān)質(zhì)量的航天精神的保障下，才最終呈現(xiàn)了精彩絕倫、舉世矚目的主火炬點(diǎn)火儀式。

三維仿真技術(shù)搭建開幕式演出“大腦”

在北京冬奧會(huì)開幕式驚艷世界之前，它已經(jīng)在北京理工大學(xué)數(shù)字表演與仿真技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的平臺(tái)上排演了無數(shù)遍。

實(shí)驗(yàn)室主任、北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授丁剛毅對(duì)開幕式的流程，已經(jīng)熟諳于心。畢竟，40多人的團(tuán)隊(duì)，為了冬奧會(huì)的開閉幕式，已經(jīng)忙了一年半。

每一分鐘會(huì)發(fā)生什么，他都心中有數(shù)。此前，每一場(chǎng)彩排后的每一處改動(dòng)和調(diào)整，他的團(tuán)隊(duì)都會(huì)立刻在平臺(tái)上做出相應(yīng)改動(dòng)。

在這個(gè)神奇的平臺(tái)上，你能獲得關(guān)于開幕式的最佳最全視角。

▲開幕式系統(tǒng)界面（圖片來源：北京理工大學(xué)）

你會(huì)進(jìn)入一個(gè)復(fù)刻國(guó)家體育場(chǎng)的虛擬世界，這里有與開幕式相關(guān)的所有要素。你會(huì)看到觀眾席、燈帶、主舞臺(tái)和震撼人心的超大型 LED屏幕；你也能看到地屏和豎屏上流動(dòng)的精彩畫面；你會(huì)看到焰火升騰，五環(huán)升起；甚至還能看到開幕式中不同節(jié)目的演員如何上場(chǎng)、表演和退場(chǎng)，看到整場(chǎng)演出精妙而復(fù)雜的調(diào)度。那些電視轉(zhuǎn)播里不會(huì)出現(xiàn)或者不會(huì)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的鏡頭，在這里，你都能盡收眼底。

▲鳥巢仿真（圖片來源：北京理工大學(xué)）

可以說，它是一個(gè)有關(guān)冬奧會(huì)開幕的投射，能實(shí)現(xiàn)表演全要素、全流程、全業(yè)務(wù)的集成與融合。

冬奧會(huì)開閉幕式大型表演智能化創(chuàng)編排演一體化服務(wù)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，是科技冬奧的項(xiàng)目之一，由丁剛毅帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)牽頭完成。

它集成活動(dòng)策劃與智能創(chuàng)意系統(tǒng)、訓(xùn)練彩排方案生成系統(tǒng)、表演預(yù)演系統(tǒng)、裝備協(xié)同控制系統(tǒng)和仿真轉(zhuǎn)播關(guān)鍵技術(shù)，形成了新一代表演全流程技術(shù)解決方案。其實(shí)，先進(jìn)的仿真技術(shù)，也是現(xiàn)在大熱的“元宇宙”概念中的關(guān)鍵技術(shù)。

平臺(tái)，就是演出的大腦，能把導(dǎo)演創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)意進(jìn)行拆解、細(xì)化，通過仿真數(shù)據(jù)，提煉成訓(xùn)練手冊(cè)指導(dǎo)訓(xùn)練。可指導(dǎo)演員、機(jī)器人、視頻投影等表演要素排練，保證表演在時(shí)間、空間上的一致性與準(zhǔn)確性，幫助導(dǎo)演實(shí)時(shí)觀察演員和道具的姿態(tài)與隊(duì)形，演員也能迅速調(diào)整自身動(dòng)作，實(shí)時(shí)、快速地熟悉表演方案。

預(yù)演系統(tǒng)以可視化的界面和圖紙、視頻等多種數(shù)據(jù)輸出載體，將各種表演方案的真實(shí)效果進(jìn)行三維呈現(xiàn)，協(xié)助導(dǎo)演決策及完善表演方案，確定最終方案。

這套技術(shù)還能為拍攝、轉(zhuǎn)播、直播方案制定技術(shù)服務(wù)，模擬出不同機(jī)位在不同時(shí)間點(diǎn)的拍攝效果。

▲五環(huán)展示時(shí)多機(jī)位鏡頭模擬效果（圖片來源：北京理工大學(xué)）

演出或者儀式的順利進(jìn)行，在丁剛毅看來，就是聲音、演員和畫面的配合，時(shí)間和空間的吻合，多要素的卡點(diǎn)，全流程的推進(jìn)。虛擬仿真技術(shù)，大大提升了大型演出的排演效率。

冬奧開幕式中的節(jié)目《立春》令人印象深刻。演員用手中的發(fā)光長(zhǎng)桿，做出了大地回春、萬物生長(zhǎng)的圖景。

團(tuán)隊(duì)成員閆大鵬介紹，一開始，大家也想象不出來節(jié)目會(huì)是什么效果，表現(xiàn)力究竟如何。長(zhǎng)桿是軟的，揮舞時(shí)根據(jù)演員力道不同會(huì)形成自然的弧度。舞動(dòng)長(zhǎng)桿，要整齊，但也要有舒展感；要散，但不能亂。而且，這一舞蹈的視覺呈現(xiàn)，還要兼顧不同觀眾的視角。于是，在導(dǎo)演的指導(dǎo)和編導(dǎo)們的共同努力下，團(tuán)隊(duì)用算法模擬出了多種隊(duì)形和揮桿方式的組合，“出了幾百個(gè)方案，前前后后調(diào)整了大半年時(shí)間。”

▲系統(tǒng)界面（圖片來源：北京理工大學(xué)）

一次次的推翻重來，都是在虛擬仿真系統(tǒng)中完成的，無需演員反復(fù)試驗(yàn)。

“我們就是要解決問題?！倍傄惴磸?fù)強(qiáng)調(diào)。再先進(jìn)的系統(tǒng)，也要滿足真實(shí)需求。他們的平臺(tái)，在“高大上”的同時(shí)，也接地氣，還能成為很多矛盾沖突的“調(diào)解員”。

一臺(tái)大型演出，涉及幾十個(gè)部門或團(tuán)隊(duì)，大家的角度立場(chǎng)不同，常會(huì)因?yàn)閷?duì)更好演出效果的追求產(chǎn)生爭(zhēng)執(zhí)。比如，一個(gè)節(jié)目結(jié)束了，下一個(gè)節(jié)目要準(zhǔn)備上場(chǎng)，鳥巢出入口只有四個(gè)，這邊演員要怎么退場(chǎng)，那邊演員要怎么進(jìn)場(chǎng)，究竟是你快一點(diǎn)，還是我慢一點(diǎn)……此時(shí)，虛擬仿真系統(tǒng)能對(duì)人流進(jìn)行模擬，為鬧矛盾的不同部門給出一個(gè)最優(yōu)解決方案，并讓他們?cè)谙到y(tǒng)上就能看到調(diào)整后的效果。

北京冬奧會(huì)開閉幕式，是北京理工大學(xué)這支數(shù)字表演與虛擬仿真團(tuán)隊(duì)的又一次“實(shí)戰(zhàn)”。他們已經(jīng)為多場(chǎng)大型活動(dòng)提供了科技支撐：2008年奧運(yùn)會(huì)開幕式的“擊缶而歌”，2018年平昌冬奧會(huì)的“北京八分鐘”，2019年國(guó)慶盛典虛擬仿真演練，2021年建黨百年慶祝大會(huì)的仿真建模和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，還有2010-2022年中央電視臺(tái)春晚數(shù)字舞臺(tái)仿真……

團(tuán)隊(duì)已是數(shù)字表演領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，技術(shù)達(dá)到國(guó)際國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。他們還手握多項(xiàng)核心專利：涉及人群行為規(guī)劃和人群行為仿真方法的系列專利，大型活動(dòng)人群仿真的核心技術(shù)，涉及虛擬攝像和直播方案仿真的系列專利，涉及虛擬舞臺(tái)的系列專利……

北京冬奧會(huì)開幕式結(jié)束了，它展現(xiàn)了中國(guó)人的浪漫美學(xué)，必將在奧運(yùn)會(huì)開幕式的歷史上留下濃重的印記。接下來，讓我們將目光投向奧運(yùn)健兒們，祝愿他們能夠?yàn)閲?guó)爭(zhēng)光，開創(chuàng)中國(guó)冬奧新的篇章。

（綜合自新華社、北京日?qǐng)?bào)、冰點(diǎn)周刊、科技日?qǐng)?bào)、中國(guó)空間技術(shù)研究院公眾號(hào)等）

出品：科普中央廚房

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