冬奧開(kāi)幕式的硬核黑科技

　　2月4日晚上，國(guó)家大劇院坐滿了來(lái)看冬奧會(huì)開(kāi)幕式直播的觀眾。

　　這次開(kāi)幕式首次使用了我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高可靠、低時(shí)延EUHT無(wú)線寬帶技術(shù)，進(jìn)行8K超高清直播無(wú)線傳輸。在此基礎(chǔ)上，以北京廣播電視臺(tái)冬奧紀(jì)實(shí)8K試驗(yàn)頻道作為信號(hào)源，通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的AVS3編碼技術(shù)傳輸，人們才能通過(guò)國(guó)家大劇院的800寸超大電影銀幕，看到這個(gè)“史上最清晰”的8K超高清開(kāi)幕式直播。

　　這是一個(gè)空靈而浪漫的開(kāi)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(huì)開(kāi)幕式在世界范圍內(nèi)刷屏，人們?cè)u(píng)價(jià)這次開(kāi)幕式“每一秒都是‘中國(guó)式的浪漫’”、”所有的節(jié)目都很好看“、“中國(guó)重要時(shí)刻的驚喜開(kāi)端”、“獨(dú)特而壯觀”。不過(guò)，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(shí)驗(yàn)室研發(fā)的平臺(tái)上，這個(gè)“史上最清晰”冬奧會(huì)開(kāi)幕式曾排演過(guò)無(wú)數(shù)遍。

　　虛擬仿真系統(tǒng)是一個(gè)可以全方位模擬表演的全流程技術(shù)解決方案。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，開(kāi)幕式團(tuán)隊(duì)可以檢驗(yàn)開(kāi)閉幕式呈現(xiàn)的所有要素：從觀眾席、燈帶、主舞臺(tái)、豎屏、覆蓋超大型LED地屏到這個(gè)空間內(nèi)上演的所有節(jié)目的活動(dòng)軌跡——演員如何上場(chǎng)、表演、退場(chǎng)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(shí)間和空間的吻合以及多要素的卡點(diǎn)，也可以全流程地推進(jìn)。而對(duì)于拍攝、轉(zhuǎn)播、直播等不同技術(shù)指標(biāo)的需求，它也可以模擬出不同機(jī)位在不同時(shí)間點(diǎn)的拍攝效果。

　　于是，不需要真人演員的呈現(xiàn)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，冬奧會(huì)開(kāi)閉幕式團(tuán)隊(duì)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(jī)器人、視頻投影等要素進(jìn)行排練，然后根據(jù)要求一次次推翻重來(lái)。這也一定程度解放了真人演員，用科技來(lái)降低“人海”戰(zhàn)術(shù)的消耗。

《立春》節(jié)目仿真效果圖。

　　這個(gè)全稱為“冬奧會(huì)開(kāi)閉幕式大型表演智能化創(chuàng)編排演一體化服務(wù)平臺(tái)”的系統(tǒng)，正是科技冬奧的項(xiàng)目之一。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)張藝謀等主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)的理念創(chuàng)新，開(kāi)幕式更是應(yīng)用了燃料動(dòng)能、屏幕顯示、人工智能、5G、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、VR/AR、裸眼3D等數(shù)十種創(chuàng)新數(shù)字科技手段。至于開(kāi)幕式技術(shù)保障單位——中國(guó)航天科技集團(tuán)，則是“拿我們國(guó)家火箭發(fā)射和運(yùn)行太空站的方式，來(lái)運(yùn)行整個(gè)開(kāi)幕式的舞臺(tái)裝置。他們的倒計(jì)時(shí)檢測(cè)、安全性評(píng)估，包括現(xiàn)場(chǎng)下的口令，都跟發(fā)射火箭相似”，幾年間，投入進(jìn)來(lái)的人有近10萬(wàn)。

　　而“科技”這兩個(gè)字，貫穿著北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式的始終。

　　根據(jù)臉型定制的口罩

　　在北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式現(xiàn)場(chǎng)，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(jí)多用途高效防護(hù)口罩，閉幕式的口罩主要應(yīng)用于防止各種細(xì)菌、病毒、真菌等微小顆粒物；對(duì)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(dá)到95%以上。

　　口罩外層采用了高清數(shù)碼印花無(wú)紡布，保證圖案清晰美觀，同時(shí)滿足醫(yī)用防護(hù)口罩標(biāo)準(zhǔn)所需的抗?jié)褡枞嫉仁畮醉?xiàng)檢測(cè)指標(biāo)要求。它表面的色澤，在經(jīng)過(guò)數(shù)次修改和論證后，被確定為淺藍(lán)漸變、深藍(lán)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(jìn)行了最終的優(yōu)化，使其在保證產(chǎn)品性能的同時(shí)，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(huì)開(kāi)幕式一起亮相的，是目前世界上最大的地屏。它平鋪在鳥(niǎo)巢中心，面積約1萬(wàn)多平方米，組成屏幕超過(guò)了4萬(wàn)2千塊，一直延伸到跑道。鳥(niǎo)巢因此取代了傳統(tǒng)的地屏投影，首次實(shí)現(xiàn)全LED影像，畫質(zhì)也達(dá)到了空前的16K。

　　在14年前的北京夏季奧運(yùn)會(huì)時(shí)，鳥(niǎo)巢也用了一塊LED屏。不過(guò)當(dāng)時(shí)的那塊卷軸屏，雖然效果很好，但因?yàn)榕啪殨r(shí)永遠(yuǎn)有黑屏，也成了導(dǎo)演最擔(dān)憂的舞臺(tái)裝置。到了今年冬奧會(huì)，LED屏被升級(jí)成了雙路播放，即便出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響畫面，并且數(shù)萬(wàn)塊屏都被工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)監(jiān)控著，溫度、濕度、電壓等一旦出問(wèn)題，立刻就會(huì)發(fā)出預(yù)警。重重保障下，地屏也確實(shí)非常給力，從排練到開(kāi)幕式當(dāng)天，一次差錯(cuò)都沒(méi)出過(guò)。

　　“這次開(kāi)幕式的畫面像素非常高，是14000分辨率的巨幕。我們對(duì)畫面的要求是1秒鐘50幀，整場(chǎng)內(nèi)容數(shù)據(jù)量巨大，一個(gè)節(jié)目就含有幾個(gè)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(kāi)幕式視效總監(jiān)王志鷗說(shuō)。

　　由于地屏需要滿足從舞蹈、滑雪到升國(guó)旗等多種節(jié)目形式的需求，整個(gè)顯示系統(tǒng)也就配備了獨(dú)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(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。為了給攝像轉(zhuǎn)播提供全焦段無(wú)雜波、無(wú)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(guó)水墨，如同“黃河之水天上來(lái)”，鋪滿全場(chǎng)，在運(yùn)動(dòng)員入場(chǎng)環(huán)節(jié)，這塊冰瀑又變成大門，迎接四方賓客。

　　開(kāi)幕式視效總監(jiān)王志鷗解釋，水墨幻化為黃河之水天上來(lái)，并不是簡(jiǎn)單還原水流的效果：“屏幕中的水流圖像，是經(jīng)過(guò)圖像處理算法，機(jī)器‘學(xué)習(xí)’大量中國(guó)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(dòng)畫轉(zhuǎn)化為激光機(jī)需要的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，并實(shí)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(duì)中國(guó)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(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(méi)有地基，塔架無(wú)法生根，這么大面積的屏?xí)粫?huì)被吹倒？

　　安全是首位的。支撐團(tuán)隊(duì)為了研究鳥(niǎo)巢場(chǎng)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(shí)驗(yàn)。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(wèn)題。

　　“五面裸眼3D”制造冰立方

開(kāi)幕式上的“冰雪五環(huán)”。新華社記者丁旭攝

　　對(duì)于許多觀眾來(lái)說(shuō)，五環(huán)的出現(xiàn)一定是印象最深的場(chǎng)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(huì)，隨著6個(gè)冰球運(yùn)動(dòng)員快速擊打，激光開(kāi)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(jué)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(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)激光和光影互動(dòng)，視效團(tuán)隊(duì)做了兩萬(wàn)多張效果圖，還“開(kāi)發(fā)了一套編程程序，能把每一秒的視頻信息變成點(diǎn)位信息，這樣激光就能圍繞五環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。”

　　在看臺(tái)上，觀眾意識(shí)不到五環(huán)的重量。實(shí)際上，這個(gè)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(zhǎng)度、寬度、厚度分別為19米×8.75米×0.35米。

　　它的“體重”是個(gè)重要問(wèn)題。太重，威亞會(huì)被顯眼地拉低，影響演出效果。為了減重，技術(shù)團(tuán)隊(duì)用了各種方法。一開(kāi)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(guó)還弄個(gè)粗的電線吊在上面？”最終，設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(hào)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(shí)在低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電池低溫試驗(yàn)，以保證即便在零下20攝氏度時(shí)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(huì)宣布開(kāi)幕那一刻，一棵長(zhǎng)300米、寬200米的3D立體迎客松出現(xiàn)在鳥(niǎo)巢上空，這也是“整場(chǎng)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(tuán)隊(duì)需要根據(jù)發(fā)射高度，編排設(shè)計(jì)好產(chǎn)品在空中爆炸的各個(gè)爆炸點(diǎn)，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(yàn)精進(jìn)，使產(chǎn)品燃放效果和電腦模擬效果達(dá)到1：1的程度。

　　為了完美實(shí)現(xiàn)短而密的“松針”的燃放效果，設(shè)計(jì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)將迎客松的發(fā)射角度朝外傾斜10度，以弱炮手段達(dá)成弱炸效果，確保迎客松完美燃放的同時(shí)，燃放位置又遠(yuǎn)離主席臺(tái)。

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

　　AI“0延時(shí)”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(gè)孩子手舉發(fā)光的和平鴿在鳥(niǎo)巢中央奔跑，孩子跑過(guò)，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(lái)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(shí)時(shí)交互來(lái)自®3DAT三維運(yùn)動(dòng)員追蹤技術(shù)，它可以讓地面的屏幕瞬間對(duì)演員位移做出實(shí)時(shí)反饋并呈現(xiàn)藝術(shù)效果：“這個(gè)系統(tǒng)利用捕捉系統(tǒng)提供過(guò)來(lái)的位置信息，把預(yù)先設(shè)計(jì)好的視頻效果，精準(zhǔn)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(shí)的。”北京冬奧組委開(kāi)閉幕式工作部部長(zhǎng)常宇說(shuō)。在大型演出活動(dòng)中啟用實(shí)時(shí)渲染，實(shí)現(xiàn)全實(shí)時(shí)互動(dòng)，這是一個(gè)冒險(xiǎn)，以前幾乎從未有過(guò)，“這里解決了大量的技術(shù)問(wèn)題，才能得以呈現(xiàn)出來(lái)那樣的一個(gè)大家在冰天雪地里自由歡愉的感覺(jué)，這也是我們想在結(jié)尾階段想要獲得的感覺(jué)。”

　　若干臺(tái)架設(shè)在6層觀眾席的高清攝像機(jī)，對(duì)場(chǎng)上670人進(jìn)行了實(shí)時(shí)跟蹤，“在大型演出中，基于人工智能的實(shí)時(shí)交互特效還是首次使用。”同時(shí)，本次使用的AI實(shí)時(shí)特效系統(tǒng)不僅用于現(xiàn)場(chǎng)演出，也用于輔助演員進(jìn)行節(jié)目排練，以及根據(jù)排練結(jié)果生成實(shí)時(shí)動(dòng)畫，以提高開(kāi)幕式視頻效果制作中擬人類角色動(dòng)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(yùn)動(dòng)員滑到哪里，哪里的雪就會(huì)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(qiáng)更團(tuán)結(jié)。

　　“微火”奧運(yùn)會(huì)

圖源新華社

　　“表演是好壞，點(diǎn)火是成敗”，這句口號(hào)，開(kāi)幕式團(tuán)隊(duì)從2008年夏季奧運(yùn)會(huì)喊到了2022年的冬奧會(huì)。但此次的奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式，抱著看點(diǎn)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(jiǎn)直“平淡”過(guò)了頭。

　　這實(shí)際上是一種全新的奧運(yùn)圣火點(diǎn)燃方式：微火。這種方式需要解決的主要問(wèn)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(jì)了一套姿態(tài)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配合地面裝置實(shí)現(xiàn)主火炬的翻轉(zhuǎn)、提升動(dòng)作。氫氣儲(chǔ)存和減壓裝置就藏在其中，減壓后的氫氣通過(guò)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(dòng)機(jī)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(shí)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(hào)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)意，支撐團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)的視覺(jué)效果。此外，火炬外殼采用了中國(guó)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(shí)耐高溫的技術(shù)難題。

　　說(shuō)完了點(diǎn)火，再說(shuō)說(shuō)雪花主火炬臺(tái)。主火炬臺(tái)直徑達(dá)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(jì)，嵌有55萬(wàn)余顆LED燈珠，每一顆燈珠都由驅(qū)動(dòng)芯片的單一信道獨(dú)立控制。