从冬奥会看中国硬科技

2018年，科技部和国家体育总局在京签定实施了科技冬奥2022行动计划，从中也出现了一大批科研成果，这些成果不仅有力保障冬奥会、冬残奥会成功举办，也为后奥运时代我国经济社会发展，打造新的经济增长点。 从运动员训练水平的提升到国际一流竞赛场馆的打造，从精准气象预报到电视转播，北京冬奥会上应用的黑科技还有很多。2016年以来，科技部联合相关省市及部门在零排供能、绿色出行等方面部署项目进行研发，组织实施了国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项，产生了过百项新技术成果，都已经陆续在运动员训练和冬奥会筹备工作中实际应用。这些新技术的赋能为北京冬奥会的成功举办增添了无尽动力，让比赛更精彩，也让观赛更享受。我们可以看到2月4日晚，北京冬奥会开幕式在“鸟巢”惊艳上演。从二十四节气倒计时，到“黄河之水天上来”、再到“冰雪五环破冰而出”，为我们呈现了一场无与伦比的视觉盛宴。而这背后有着众多科技创新，不仅全程使用数字表演与仿真技术，同时还运用人工智能、5G、AR、裸眼3D和云等多种科技成果。而“科技”这两个字，贯穿着北京冬奥会开幕式的始终。

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。

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。

世界最大地屏：42000多块LED，14000分辨率

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。 “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。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。

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。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。

“五面裸眼3D”制造冰立方

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。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。

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。

空中“迎客松”

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。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

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。

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。”

若干台架高清摄像机，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。

根据脸型定制的口罩

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。

微火”奥运会

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。

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。

AI自动追拍

AI伺服的高速运动物体自动追拍，只要目标物一旦锁定，它可以一直跟着目标物全程的，而且运动员在画面里占的比例一直都比较大，而且很精细，什么时候有些小动作，手怎么动了，我们都可以把它捕捉到。实现赛场无死角。

无人转播技术效果

一群记者全副武装，推着一大堆“长枪短炮”，从各个角度拍摄的场景将不会出现在北京冬奥会上。取而代之的是使用了“高自由视角观赛特效”的360度VR技术，不仅可以对整个场馆中各个目标进行高速度、精准的跟踪，而且还能对整个赛事进行360度无死角的直播，让精彩永不错过。

场馆“变魔术”

北京冬奥会的很多场馆都是在原有的建造上进行改造，在不破坏原有功能的基础上实现赛场的自动转换，比如国家游泳中心的水立方可以实现冰水相互转化，从水立方转化为冰立方，像变魔术一样，采用了的是二氧化碳跨临界直冷制冰技术，这是当前世界上最先进的制冰技术。

机器人餐厅

这个冬奥会餐厅没有厨师、也没有服务员，从炒菜到端菜，全是机器人完成！不但如此，整个厨房是透明的，顾客可以全程观察机器人的工作过程，绝对卫生！

外国人纷纷拍照机器人餐厅

就是这个全机器人餐厅，让外媒感叹：想要超过这些设备得用三十年！

测温创可贴

当前防疫工作仍是全世界的头等大事，要举办冬奥会这样的大型赛事，防疫工作当然不能马虎。高科技的发展，让北京冬奥会监测病毒非常简便，就是贴一个“创可贴”，只要体温超过了37.3℃的报警值，就会触发报警。

消毒机器人、智能运动服、自带记忆的“壶刷子”等等。当然了，上述这些只是挑选列举，冬奥会上的科技远远不止这些，只要细心观察，你会发现更多让你惊叹的地方。正是因为这些科技加成，让北京冬奥会成为了全世界的焦点，北京冬奥会的热度覆盖了全球！

一百多年的历史在这里有一个新的创新。此次北京冬奥会创新传达低碳、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”。同时也见证了中国的崛起，中国的科技腾飞。这些新技术的赋能为北京冬奥会的成功举办增添了无尽动力，让比赛更精彩，也让观赛更享受。