冬奧開幕式的硬核黑科技

　　2月4日晚上，國家大劇院坐滿了來看冬奧會開幕式直播的觀眾。

　　這次開幕式首次使用了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠、低時延EUHT無線寬帶技術(shù)，進行8K超高清直播無線傳輸。在此基礎(chǔ)上，以北京廣播電視臺冬奧紀實8K試驗頻道作為信號源，通過我國自主研發(fā)的AVS3編碼技術(shù)傳輸，人們才能通過國家大劇院的800寸超大電影銀幕，看到這個“史上最清晰”的8K超高清開幕式直播。

　　這是一個空靈而浪漫的開幕式。在《二十四節(jié)氣》《立春》《冰雪五環(huán)》《構(gòu)建一朵雪花》等節(jié)目中，所展現(xiàn)的理念創(chuàng)新與科技力量的完美結(jié)合，也再次驚艷全球。北京冬奧會開幕式在世界范圍內(nèi)刷屏，人們評價這次開幕式“每一秒都是‘中國式的浪漫’”、”所有的節(jié)目都很好看“、“中國重要時刻的驚喜開端”、“獨特而壯觀”。不過，很多人不知道的是，在驚艷世界之前，在北京理工大學(xué)數(shù)字表演與仿真技術(shù)實驗室研發(fā)的平臺上，這個“史上最清晰”冬奧會開幕式曾排演過無數(shù)遍。

　　虛擬仿真系統(tǒng)是一個可以全方位模擬表演的全流程技術(shù)解決方案。通過這個平臺，開幕式團隊可以檢驗開閉幕式呈現(xiàn)的所有要素：從觀眾席、燈帶、主舞臺、豎屏、覆蓋超大型LED地屏到這個空間內(nèi)上演的所有節(jié)目的活動軌跡——演員如何上場、表演、退場以及其中的復(fù)雜調(diào)度。

　　另外，在模擬系統(tǒng)算法的支撐下，聲音、演員和畫面的配合，時間和空間的吻合以及多要素的卡點，也可以全流程地推進。而對于拍攝、轉(zhuǎn)播、直播等不同技術(shù)指標的需求，它也可以模擬出不同機位在不同時間點的拍攝效果。

　　于是，不需要真人演員的呈現(xiàn)，通過這個平臺，冬奧會開閉幕式團隊就可以看到各種表演方案的三維呈現(xiàn)效果，協(xié)調(diào)演員、機器人、視頻投影等要素進行排練，然后根據(jù)要求一次次推翻重來。這也一定程度解放了真人演員，用科技來降低“人海”戰(zhàn)術(shù)的消耗。

《立春》節(jié)目仿真效果圖。

　　這個全稱為“冬奧會開閉幕式大型表演智能化創(chuàng)編排演一體化服務(wù)平臺”的系統(tǒng)，正是科技冬奧的項目之一。除此之外，為了實現(xiàn)張藝謀等主創(chuàng)團隊的理念創(chuàng)新，開幕式更是應(yīng)用了燃料動能、屏幕顯示、人工智能、5G、云計算、邊緣計算、VR/AR、裸眼3D等數(shù)十種創(chuàng)新數(shù)字科技手段。至于開幕式技術(shù)保障單位——中國航天科技集團，則是“拿我們國家火箭發(fā)射和運行太空站的方式，來運行整個開幕式的舞臺裝置。他們的倒計時檢測、安全性評估，包括現(xiàn)場下的口令，都跟發(fā)射火箭相似”，幾年間，投入進來的人有近10萬。

　　而“科技”這兩個字，貫穿著北京冬奧會開幕式的始終。

　　根據(jù)臉型定制的口罩

　　在北京冬奧會開幕式現(xiàn)場，觀眾接觸到的第一件黑科技產(chǎn)品大概是口罩。

　　作為醫(yī)用級多用途高效防護口罩，閉幕式的口罩主要應(yīng)用于防止各種細菌、病毒、真菌等微小顆粒物；對非典、甲流、埃博拉、高致病性禽流感、新冠等亞微米傳染性病原體，其濾除效率均達到95%以上。

　　口罩外層采用了高清數(shù)碼印花無紡布，保證圖案清晰美觀，同時滿足醫(yī)用防護口罩標準所需的抗?jié)褡枞嫉仁畮醉棛z測指標要求。它表面的色澤，在經(jīng)過數(shù)次修改和論證后，被確定為淺藍漸變、深藍漸變、淺紫、正紫、紅色186C、紅色186C-2等顏色。

　　為了貼合不同民族人群的臉型特征，口罩在分析比較了不同民族2000多人的基礎(chǔ)上，又進行了最終的優(yōu)化，使其在保證產(chǎn)品性能的同時，舒適度也最大程度地提高。

　　世界最大地屏：42000多塊LED，14000分辨率

新華社記者 楊磊 攝

　　2月4日晚，與北京冬奧會開幕式一起亮相的，是目前世界上最大的地屏。它平鋪在鳥巢中心，面積約1萬多平方米，組成屏幕超過了4萬2千塊，一直延伸到跑道。鳥巢因此取代了傳統(tǒng)的地屏投影，首次實現(xiàn)全LED影像，畫質(zhì)也達到了空前的16K。

　　在14年前的北京夏季奧運會時，鳥巢也用了一塊LED屏。不過當時的那塊卷軸屏，雖然效果很好，但因為排練時永遠有黑屏，也成了導(dǎo)演最擔憂的舞臺裝置。到了今年冬奧會，LED屏被升級成了雙路播放，即便出現(xiàn)故障，也不會影響畫面，并且數(shù)萬塊屏都被工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺監(jiān)控著，溫度、濕度、電壓等一旦出問題，立刻就會發(fā)出預(yù)警。重重保障下，地屏也確實非常給力，從排練到開幕式當天，一次差錯都沒出過。

　　“這次開幕式的畫面像素非常高，是14000分辨率的巨幕。我們對畫面的要求是1秒鐘50幀，整場內(nèi)容數(shù)據(jù)量巨大，一個節(jié)目就含有幾個T的數(shù)字內(nèi)容，可以想象它是非常大的數(shù)字科技工程。”開幕式視效總監(jiān)王志鷗說。

　　由于地屏需要滿足從舞蹈、滑雪到升國旗等多種節(jié)目形式的需求，整個顯示系統(tǒng)也就配備了獨立的顯示組件、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，操作人員可以通過計算機進行遠程控制。為了給攝像轉(zhuǎn)播提供全焦段無雜波、無干擾的純凈視頻顯示畫面，地屏顯示面板還加裝了抗眩光、抗摩爾紋、防滑霧化的面罩。

　　從冰瀑流出“黃河之水”

　　與地屏垂直的是一塊近60米高、20米寬的LED屏，叫做冰瀑。

　　在五環(huán)環(huán)節(jié)，冰瀑上出現(xiàn)一滴中國水墨，如同“黃河之水天上來”，鋪滿全場，在運動員入場環(huán)節(jié)，這塊冰瀑又變成大門，迎接四方賓客。

　　開幕式視效總監(jiān)王志鷗解釋，水墨幻化為黃河之水天上來，并不是簡單還原水流的效果：“屏幕中的水流圖像，是經(jīng)過圖像處理算法，機器‘學(xué)習(xí)’大量中國傳統(tǒng)水墨畫，建立水墨紋理特征模型，以此生成風(fēng)格化的山水圖像。我們將三維動畫轉(zhuǎn)化為激光機需要的點位數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)快速的效果迭代，滿足創(chuàng)意更新需求，這是數(shù)字科技對中國傳統(tǒng)水墨風(fēng)格的解構(gòu)與重塑。”

　　平地豎起這樣一塊大屏，并非易事，第一個考驗就是大風(fēng)。冰瀑建好后正是秋冬季節(jié)，場內(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淮档梗?/span>

　　安全是首位的。支撐團隊為了研究鳥巢場內(nèi)的風(fēng)如何刮，記錄了一二百種風(fēng)況，還設(shè)置了模擬實驗。最終將屏幕的寬度從30米調(diào)整到20米，還采用了透風(fēng)的格柵屏，才解決了風(fēng)的問題。

　　“五面裸眼3D”制造冰立方

開幕式上的“冰雪五環(huán)”。新華社記者丁旭攝

　　對于許多觀眾來說，五環(huán)的出現(xiàn)一定是印象最深的場景之一。

　　空中的一滴水墨凝結(jié)成冰，一塊冰立方從地下升起。24道激光在冰立方上重現(xiàn)了24屆冬奧會，隨著6個冰球運動員快速擊打，激光開始雕刻冰立方，最終冰五環(huán)從冰塊中升起。

　　其中，“‘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”，上升又降落的冰立方，則使用了三維數(shù)字裝置，借助五面裸眼3D效果實現(xiàn)。為了實現(xiàn)激光和光影互動，視效團隊做了兩萬多張效果圖，還“開發(fā)了一套編程程序，能把每一秒的視頻信息變成點位信息，這樣激光就能圍繞五環(huán)進行轉(zhuǎn)動。”

　　在看臺上，觀眾意識不到五環(huán)的重量。實際上，這個LED異形屏組成的龐然大物，和一棟三層高的單元樓差不多，長度、寬度、厚度分別為19米×8.75米×0.35米。

　　它的“體重”是個重要問題。太重，威亞會被顯眼地拉低，影響演出效果。為了減重，技術(shù)團隊用了各種方法。一開始想用外部供電，減少電池的重量，但導(dǎo)演不同意，“今天的中國還弄個粗的電線吊在上面？”最終，設(shè)計單位把外部供電全部改成電池，還設(shè)了備份，終于將3.5噸的總重量減到了3噸。

　　外觀簡潔的五環(huán)內(nèi)部因此“溝壑縱橫”，鋁合金骨架內(nèi)排布著密密麻麻的電源線、信號控制線。技術(shù)人員重新精心排布，留出更多空間放入新增電池，同時在低溫實驗室進行電池低溫試驗，以保證即便在零下20攝氏度時也能持續(xù)穩(wěn)定供電。

　　空中“迎客松”

迎客松，新華社記者鄔惠我攝

　　冬奧會宣布開幕那一刻，一棵長300米、寬200米的3D立體迎客松出現(xiàn)在鳥巢上空，這也是“整場焰火燃放中最難且最復(fù)雜的”特效煙花。

　　為了在空中畫出“迎客松”，支撐團隊需要根據(jù)發(fā)射高度，編排設(shè)計好產(chǎn)品在空中爆炸的各個爆炸點，模擬出迎客松在空中完美成型的畫面。再根據(jù)已編排好的精密數(shù)據(jù)，和畫面在空中形成的樣式，將產(chǎn)品在地面上擺放，不斷試驗精進，使產(chǎn)品燃放效果和電腦模擬效果達到1：1的程度。

　　為了完美實現(xiàn)短而密的“松針”的燃放效果，設(shè)計研發(fā)團隊將迎客松的發(fā)射角度朝外傾斜10度，以弱炮手段達成弱炸效果，確保迎客松完美燃放的同時，燃放位置又遠離主席臺。

　　此外，迎客松特效煙花的布置點位，在鳥巢上的覆蓋面達200米左右。但鳥巢頂上鋼梁縱橫交錯，阻礙了其在地面燃放時的完整直線。為此，團隊研發(fā)了可轉(zhuǎn)動、調(diào)節(jié)角度的卡具，使迎客松的在鳥巢鋼梁上的布點形成基本的水平面，確保迎客松的完美成型。

　　AI“0延時”捕捉和平鴿

新華社記者 蘭紅光 攝

　　主題歌演唱環(huán)節(jié)，幾百個孩子手舉發(fā)光的和平鴿在鳥巢中央奔跑，孩子跑過，腳下的屏幕隨即亮起雪花。這給觀眾們留下了深刻的印象，也是張藝謀最推崇的部分。

　　有人以為雪花是提前做出來的，有人以為地屏有觸感，踩到就有反應(yīng)。而根據(jù)英特爾官微介紹，這種實時交互來自®3DAT三維運動員追蹤技術(shù)，它可以讓地面的屏幕瞬間對演員位移做出實時反饋并呈現(xiàn)藝術(shù)效果：“這個系統(tǒng)利用捕捉系統(tǒng)提供過來的位置信息，把預(yù)先設(shè)計好的視頻效果，精準呈現(xiàn)在演員腳下，這樣就能形成如影隨形的效果了。”

　　“這一套幾乎是零延時的。”北京冬奧組委開閉幕式工作部部長常宇說。在大型演出活動中啟用實時渲染，實現(xiàn)全實時互動，這是一個冒險，以前幾乎從未有過，“這里解決了大量的技術(shù)問題，才能得以呈現(xiàn)出來那樣的一個大家在冰天雪地里自由歡愉的感覺，這也是我們想在結(jié)尾階段想要獲得的感覺。”

　　若干臺架設(shè)在6層觀眾席的高清攝像機，對場上670人進行了實時跟蹤，“在大型演出中，基于人工智能的實時交互特效還是首次使用。”同時，本次使用的AI實時特效系統(tǒng)不僅用于現(xiàn)場演出，也用于輔助演員進行節(jié)目排練，以及根據(jù)排練結(jié)果生成實時動畫，以提高開幕式視頻效果制作中擬人類角色動畫的自然度、逼真度。

　　致敬人民環(huán)節(jié)中也使用了該特效，24位輪滑運動員滑到哪里，哪里的雪就會被清掃干凈，嶄新的雪路上映現(xiàn)出奧林匹克格言：更高更快更強更團結(jié)。

　　“微火”奧運會

圖源新華社

　　“表演是好壞，點火是成敗”，這句口號，開幕式團隊從2008年夏季奧運會喊到了2022年的冬奧會。但此次的奧運會開幕式，抱著看點火儀式有多“石破天驚”期待的人們，可能有些失望：最后一棒火炬就是主火炬。這簡直“平淡”過了頭。

　　這實際上是一種全新的奧運圣火點燃方式：微火。這種方式需要解決的主要問題是：怎樣為懸在半空且不斷旋轉(zhuǎn)的主火炬提供足夠的燃料？

　　為此，技術(shù)人員專門在懸掛主火炬的威亞上設(shè)計了一套姿態(tài)調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)，配合地面裝置實現(xiàn)主火炬的翻轉(zhuǎn)、提升動作。氫氣儲存和減壓裝置就藏在其中，減壓后的氫氣通過軟管源源不斷地輸送至火炬中心，并應(yīng)用航天氫氧發(fā)動機燃燒技術(shù)，保證不熄火、不回火、不脫火。為了讓主火炬在360度旋轉(zhuǎn)時也能高效穩(wěn)定燃燒，配套的氫氣軟管、電纜、控制線纜均可卷伸，讓氫、電、控制信號能連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地供應(yīng)傳輸。

　　火焰燃燒效果也同樣重要。結(jié)合導(dǎo)演團隊創(chuàng)意，支撐團隊設(shè)計出氫氣燃燒穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，并將火焰顯色劑固化其上，使燃燒的氫氣呈現(xiàn)出溫暖、跳動的視覺效果。此外，火炬外殼采用了中國石化上海石化研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料，解決了火炬氫燃料燃燒時耐高溫的技術(shù)難題。

　　說完了點火，再說說雪花主火炬臺。主火炬臺直徑達14.89米，由96塊小雪花形態(tài)和6塊橄欖枝形態(tài)的LED雙面屏創(chuàng)意組成，采用雙面鏤空設(shè)計，嵌有55萬余顆LED燈珠，每一顆燈珠都由驅(qū)動芯片的單一信道獨立控制。