冬奥会开幕式背后的黑科技

本文来自微信公众号：品玩（ID：pinwancool），作者：白宁，原文标题：《不靠人海靠技术，冬奥开幕式的每个画面都隐藏着硬科技》，题图来自：视觉中国

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。

《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

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LED，14000分辨率

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4万2千块，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”

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

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”

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1：1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。

AI“0延时”捕捉和平鸽

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

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。

参考资料：

纪录片《盛会》

北京冬奥组委官网《从精准咬合到解放演员 算法的星光衬托人的美》

冰点周刊《冬奥会开幕式的幕后人员是怎么想的》

经济日报《北京冬奥会开幕式背后，藏着这些故事……》

科技日报《“立春”是怎么打出来的？揭秘鸟巢焰火燃放》

科技日报《这就是我们的主火炬！超乎想象！》

本文来自微信公众号：品玩（ID：pinwancool），作者：白宁