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一文读懂!北京冬奥会开模式的“黑科技”

日期: 2022-02-10
浏览次数: 14


2月4日晚上,国家大剧院坐满了来看冬奥会开幕式直播的观众。

 

这次开幕式首次使用了我国具有自主知识产权的高可靠、低时延EUHT无线宽带技术,进行8K超高清直播无线传输。在此基础上,以北京广播电视台冬奥纪实8K试验频道作为信号源,通过我国自主研发的AVS3编码技术传输,人们才能通过国家大剧院的800寸超大电影银幕,看到这个“史上最清晰”的8K超高清开幕式直播。

 

这是一个空灵而浪漫的开幕式。在《二十四节气》《立春》《冰雪五环》《构建一朵雪花》等节目中,所展现的理念创新与科技力量的完美结合,也再次惊艳全球。北京冬奥会开幕式在世界范围内刷屏,人们评价这次开幕式“每一秒都是‘中国式的浪漫’”、”所有的节目都很好看“、“中国重要时刻的惊喜开端”、“独特而壮观”。不过,很多人不知道的是,在惊艳世界之前,在北京理工大学数字表演与仿真技术实验室研发的平台上,这个“史上最清晰”冬奥会开幕式曾排演过无数遍。

 

虚拟仿真系统是一个可以全方位模拟表演的全流程技术解决方案。通过这个平台,开幕式团队可以检验开闭幕式呈现的所有要素:从观众席、灯带、主舞台、竖屏、覆盖超大型LED地屏到这个空间内上演的所有节目的活动轨迹——演员如何上场、表演、退场以及其中的复杂调度。

 

另外,在模拟系统算法的支撑下,声音、演员和画面的配合,时间和空间的吻合以及多要素的卡点,也可以全流程地推进。而对于拍摄、转播、直播等不同技术指标的需求,它也可以模拟出不同机位在不同时间点的拍摄效果。

 

于是,不需要真人演员的呈现,通过这个平台,冬奥会开闭幕式团队就可以看到各种表演方案的三维呈现效果,协调演员、机器人、视频投影等要素进行排练,然后根据要求一次次推翻重来。这也一定程度解放了真人演员,用科技来降低“人海”战术的消耗。


 一文读懂!北京冬奥会开模式的“黑科技”

《立春》节目仿真效果图

 

 

这个全称为“冬奥会开闭幕式大型表演智能化创编排演一体化服务平台”的系统,正是科技冬奥的项目之一。除此之外,为了实现张艺谋等主创团队的理念创新,开幕式更是应用了燃料动能、屏幕显示、人工智能、5G、云计算、边缘计算、VR/AR、裸眼3D等数十种创新数字科技手段。

 

至于开幕式技术保障单位——中国航天科技集团,则是“拿我们国家火箭发射和运行太空站的方式,来运行整个开幕式的舞台装置。他们的倒计时检测、安全性评估,包括现场下的口令,都跟发射火箭相似”,几年间,投入进来的人有近10万。

 

而“科技”这两个字,贯穿着北京冬奥会开幕式的始终。

根据脸型定制的口罩


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图片来自:视觉中国

在北京冬奥会开幕式现场,观众接触到的第一件黑科技产品大概是口罩。

 

作为医用级多用途高效防护口罩,闭幕式的口罩主要应用于防止各种细菌、病毒、真菌等微小颗粒物;对非典、甲流、埃博拉、高致病性禽流感、新冠等亚微米传染性病原体,其滤除效率均达到95%以上。

 

口罩外层采用了高清数码印花无纺布,保证图案清晰美观,同时满足医用防护口罩标准所需的抗湿阻燃等十几项检测指标要求。它表面的色泽,在经过数次修改和论证后,被确定为浅蓝渐变、深蓝渐变、浅紫、正紫、红色186C、红色186C-2等颜色。

 

为了贴合不同民族人群的脸型特征,口罩在分析比较了不同民族2000多人的基础上,又进行了最终的优化,使其在保证产品性能的同时,舒适度也最大程度地提高。

 

世界最大地屏:42000多块LED14000分辨率

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图片来自:视觉中国

 

2月4日晚,与北京冬奥会开幕式一起亮相的,是目前世界上最大的地屏。它平铺在鸟巢中心,面积约1万多平方米,组成屏幕超过了42千块,一直延伸到跑道。鸟巢因此取代了传统的地屏投影,首次实现全LED影像,画质也达到了空前的16K

 

在14年前的北京夏季奥运会时,鸟巢也用了一块LED屏。不过当时的那块卷轴屏,虽然效果很好,但因为排练时永远有黑屏,也成了导演最担忧的舞台装置。到了今年冬奥会,LED屏被升级成了双路播放,即便出现故障,也不会影响画面,并且数万块屏都被工业互联网平台监控着,温度、湿度、电压等一旦出问题,立刻就会发出预警。重重保障下,地屏也确实非常给力,从排练到开幕式当天,一次差错都没出过。

 

“这次开幕式的画面像素非常高,是14000分辨率的巨幕。我们对画面的要求是1秒钟50帧,整场内容数据量巨大,一个节目就含有几个T的数字内容,可以想象它是非常大的数字科技工程。”开幕式视效总监王志鸥说。

 

由于地屏需要满足从舞蹈、滑雪到升国旗等多种节目形式的需求,整个显示系统也就配备了独立的显示组件、显示系统、控制系统、结构系统和电气系统,操作人员可以通过计算机进行远程控制。为了给摄像转播提供全焦段无杂波、无干扰的纯净视频显示画面,地屏显示面板还加装了抗眩光、抗摩尔纹、防滑雾化的面罩。

 

从冰瀑流出“黄河之水”


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图片来自:视觉中国

 

与地屏垂直的是一块近60米高、20米宽的LED屏,叫做冰瀑。

 

在五环环节,冰瀑上出现一滴中国水墨,如同“黄河之水天上来”,铺满全场,在运动员入场环节,这块冰瀑又变成大门,迎接四方宾客。

 

开幕式视效总监王志鸥解释,水墨幻化为黄河之水天上来,并不是简单还原水流的效果:“屏幕中的水流图像,是经过图像处理算法,机器‘学习’大量中国传统水墨画,建立水墨纹理特征模型,以此生成风格化的山水图像。我们将三维动画转化为激光机需要的点位数据,并实现快速的效果迭代,满足创意更新需求,这是数字科技对中国传统水墨风格的解构与重塑。”

 

平地竖起这样一块大屏,并非易事,第一个考验就是大风。冰瀑建好后正是秋冬季节,场内的风速足以把屏幕撕烂。冰瀑下面没有地基,塔架无法生根,这么大面积的屏会不会被吹倒?

 

安全是首位的。支撑团队为了研究鸟巢场内的风如何刮,记录了一二百种风况,还设置了模拟实验。最终将屏幕的宽度从30米调整到20米,还采用了透风的格栅屏,才解决了风的问题。

 

“五面裸眼3D”制造冰立方

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图片来自:视觉中国

 

 

对于许多观众来说,五环的出现一定是印象最深的场景之一。

 

空中的一滴水墨凝结成冰,一块冰立方从地下升起。24道激光在冰立方上重现了24届冬奥会,随着6个冰球运动员快速击打,激光开始雕刻冰立方,最终冰五环从冰块中升起。

 

其中,“‘雕刻’的视觉是在激光与冰立方3D视效的结合下产生的”,上升又降落的冰立方,则使用了三维数字装置,借助五面裸眼3D效果实现。为了实现激光和光影互动,视效团队做了两万多张效果图,还“开发了一套编程程序,能把每一秒的视频信息变成点位信息,这样激光就能围绕五环进行转动。”

 

在看台上,观众意识不到五环的重量。实际上,这个LED异形屏组成的庞然大物,和一栋三层高的单元楼差不多,长度、宽度、厚度分别为19米×8.75米×0.35米。

 

它的“体重”是个重要问题。太重,威亚会被显眼地拉低,影响演出效果。为了减重,技术团队用了各种方法。一开始想用外部供电,减少电池的重量,但导演不同意,“今天的中国还弄个粗的电线吊在上面?”最终,设计单位把外部供电全部改成电池,还设了备份,终于将3.5吨的总重量减到了3吨。

 

外观简洁的五环内部因此“沟壑纵横”,铝合金骨架内排布着密密麻麻的电源线、信号控制线。技术人员重新精心排布,留出更多空间放入新增电池,同时在低温实验室进行电池低温试验,以保证即便在零下20摄氏度时也能持续稳定供电。

 

空中“迎客松”

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图片来自:视觉中国

 

 

冬奥会宣布开幕那一刻,一棵长300米、宽200米的3D立体迎客松出现在鸟巢上空,这也是“整场焰火燃放中最难且最复杂的”特效烟花。

 

为了在空中画出“迎客松”,支撑团队需要根据发射高度,编排设计好产品在空中爆炸的各个爆炸点,模拟出迎客松在空中完美成型的画面。再根据已编排好的精密数据,和画面在空中形成的样式,将产品在地面上摆放,不断试验精进,使产品燃放效果和电脑模拟效果达到11的程度。

 

为了完美实现短而密的“松针”的燃放效果,设计研发团队将迎客松的发射角度朝外倾斜10度,以弱炮手段达成弱炸效果,确保迎客松完美燃放的同时,燃放位置又远离主席台。

 

此外,迎客松特效烟花的布置点位,在鸟巢上的覆盖面达200米左右。但鸟巢顶上钢梁纵横交错,阻碍了其在地面燃放时的完整直线。为此,团队研发了可转动、调节角度的卡具,使迎客松的在鸟巢钢梁上的布点形成基本的水平面,确保迎客松的完美成型。

 

AI0延时”捕捉和平鸽

一文读懂!北京冬奥会开模式的“黑科技”

 

图片来自:视觉中国

 

 

主题歌演唱环节,几百个孩子手举发光的和平鸽在鸟巢中央奔跑,孩子跑过,脚下的屏幕随即亮起雪花。这给观众们留下了深刻的印象,也是张艺谋最推崇的部分。

 

有人以为雪花是提前做出来的,有人以为地屏有触感,踩到就有反应。而根据英特尔官微介绍,这种实时交互来自®3DAT三维运动员追踪技术,它可以让地面的屏幕瞬间对演员位移做出实时反馈并呈现艺术效果:“这个系统利用捕捉系统提供过来的位置信息,把预先设计好的视频效果,精准呈现在演员脚下,这样就能形成如影随形的效果了。”

 

“这一套几乎是零延时的。”北京冬奥组委开闭幕式工作部部长常宇说。在大型演出活动中启用实时渲染,实现全实时互动,这是一个冒险,以前几乎从未有过,“这里解决了大量的技术问题,才能得以呈现出来那样的一个大家在冰天雪地里自由欢愉的感觉,这也是我们想在结尾阶段想要获得的感觉。”

 

若干台架设在6层观众席的高清摄像机,对场上670人进行了实时跟踪,“在大型演出中,基于人工智能的实时交互特效还是首次使用。”同时,本次使用的AI实时特效系统不仅用于现场演出,也用于辅助演员进行节目排练,以及根据排练结果生成实时动画,以提高开幕式视频效果制作中拟人类角色动画的自然度、逼真度。

 

致敬人民环节中也使用了该特效,24位轮滑运动员滑到哪里,哪里的雪就会被清扫干净,崭新的雪路上映现出奥林匹克格言:更高更快更强更团结。

 

“微火”奥运会

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图片来自:视觉中国

 

“表演是好坏,点火是成败”,这句口号,开幕式团队从2008年夏季奥运会喊到了2022年的冬奥会。但此次的奥运会开幕式,抱着看点火仪式有多“石破天惊”期待的人们,可能有些失望:最后一棒火炬就是主火炬。这简直“平淡”过了头。

 

这实际上是一种全新的奥运圣火点燃方式:微火。这种方式需要解决的主要问题是:怎样为悬在半空且不断旋转的主火炬提供足够的燃料?

 

为此,技术人员专门在悬挂主火炬的威亚上设计了一套姿态调节执行机构,配合地面装置实现主火炬的翻转、提升动作。氢气储存和减压装置就藏在其中,减压后的氢气通过软管源源不断地输送至火炬中心,并应用航天氢氧发动机燃烧技术,保证不熄火、不回火、不脱火。为了让主火炬在360度旋转时也能高效稳定燃烧,配套的氢气软管、电缆、控制线缆均可卷伸,让氢、电、控制信号能连续、稳定、可靠地供应传输。

 

火焰燃烧效果也同样重要。结合导演团队创意,支撑团队设计出氢气燃烧稳焰结构,并将火焰显色剂固化其上,使燃烧的氢气呈现出温暖、跳动的视觉效果。此外,火炬外壳采用了中国石化上海石化研发的碳纤维复合材料,解决了火炬氢燃料燃烧时耐高温的技术难题。

 

说完了点火,再说说雪花主火炬台。主火炬台直径达14.89米,由96块小雪花形态和6块橄榄枝形态的LED双面屏创意组成,采用双面镂空设计,嵌有55万余颗LED灯珠,每一颗灯珠都由驱动芯片的单一信道独立控制。

 

火炬手将手持火炬插入“雪花”中心之后,依靠航天软件系统的精细控制,重达260吨的钢结构会在69秒内快速升降,将主火炬从地下10米的位置抬升到舞台中央。

 

而当主火炬发出的火光随着巨大的雪花缓缓升空,定格,观众们可能才意识到点火仪式已经结束:这就完了?全程没有大火出现?

 

观众这种后知后觉的惊讶,大概更证明了开幕式团队所进行的创新的彻底性。一百多年来,每次奥运会,都需要将火种从古希腊奥林匹亚山传递到举办地,期间大火需要熊熊燃烧一个多月,它当然是人类精神以及奥运精神的体现,但同时,“也释放了不少的二氧化碳”。

 

“火炬传递到最后一棒,就是主火炬”。北京冬奥会开幕式团队希望借助这种颠覆式的创新传达低碳、环保的理念,传达今天的中国人解读的奥运会精神:“火种不熄,生生不息”。


“一百多年的历史在这里有一个新的创新。以后任何国家的奥运会,如果面临需要强调低碳环保的微火理念,都得回过头来参考2022冬奥会。参考北京这个火炬,参考这个点火方式,至少是要借鉴。因为我们是第一次出现的微火,所以是创造了历史,我自己看是创造了历史。“张艺谋说。


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