2022年2月4日，举世瞩目的北京2022年冬奥会开幕式在国家体育场“鸟巢”成功举行。晶莹剔透的“冰雪五环”、浪漫唯美的雪花火炬台、璀璨夺目的数字光影、独具创意的环保点火，绘就恢宏壮美的视听盛宴……开幕式总导演张艺谋等主创团队，向媒体详解了开幕式创意理念、数字科技、火种点燃等鲜为人知的幕后故事。
如果可以申请吉尼斯世界纪录，4万多块屏幕组成，面积达11626㎡的地面显示屏当之无愧问鼎世界之最。
地屏、冰瀑布、冰立方、鸟巢南北屏使用利亚德集团的LED屏幕作为显示终端。其中地面屏幕长155.6米，宽75.8米，总面积达11626平方米。冰瀑区域高57米，宽20米。仅地屏分辨率就达到了14880x7248，总分辨率超过了16K，共同组成了世界最大的LED三维立体舞台，这种应用规模前所未有。
地屏LED负责显示4个8K播放素材，冰屏负责显示2个8K播放素材，冰立方负责显示1个8K播放素材，大于16K的超大显示，超过27路4K*50Hz视频信号的同步播放，同时采集实时互动画面，这对于播控系统提出了极高的要求。澜景科技旗下Hirender全媒体总控系统肩负使命，打破国外技术上的垄断局面，为全世界观众呈现出最完美的视觉效果。
此次冬奥开幕式首次使用了系统四备份和像素四备份，确保万无一失。利亚德集团董事长李军介绍，系统四备份是指系统各个设备均设计为快速拆装结构和接插方式，除了为系统提供必要的备品备件，用于快速更换外，LED显示系统的控制设备还全部采用双机全冗余热备份方式，保证在系统运营期间，主设备一旦发生故障，备份设备可以立即自动或手动切换上线，以全面确保系统的稳定运行、不宕机。 像素四备份则是指每个显示像素都做了像素备份，一个显示像素用4颗3合一SMD灯做相互备份，将四个LED作为一个像素使用，也就是说每一个像素都是四个LED同时备份，任何一个LED点坏，都不会影响单独像素的正常显示，任何一组数据控制芯片出问题，该组LED区域的像素也不会全黑，每个像素还有2个LED正常显示。
▲ LED系统维护
冬奥会开幕式整个项目周期跨越夏季、雨季以及冬季、雪季，超大面积LED显示模组将面临的复杂内外部环境，要其具备防水、防滑、防眩目、高荷载，能够适应户外低温冰冻等极端环境，LED显示屏及其部件全部达到IP66防护标准，完全防止外物侵入，承受强烈喷水时电器的进水量不会产生有害的影响。
在精彩绝伦的开幕式背后，离不开中国航天科技集团有限公司作出卓越贡献。航天科技集团是冬奥会开幕式的重要保障单位，共承担了地面舞台（含旗杆设备）、威亚、火炬、冰立方（含五环）、指挥监控、通信系统、地面显示系统、冰瀑、指挥中心、央视视频播放及VR、视频渲染机房等11个大项目。
“我负责精彩，航天负责成功。”冬奥会开幕式总导演张艺谋曾多次对航天团队说。
巨大的舞台和巨幅地屏离不开航天技术的支撑,开幕式上，鸟巢中央巨大的舞台和巨幅地屏令人震撼。其中，舞台系统和地屏分别由一院15所和12所负责建设。
整个地面舞台系统施工面积约21000平方米，舞台中央是一个巨大的升降台。在整个开幕式中，雪花台、火炬等众多创意表演均在这个中央升降台完成。 冰立方，长宽高分别是22米、7米和10米，重量达400吨，升降重量达180吨，升降载荷超过一般剧院大型升降台的8倍，是整个开闭幕式最大功率的驱动设备。 冰立方升起来之前，它“藏”在一个巨大的地仓里，地仓长度是84米，宽42米，深度是10米。为此，一院15所采用了多级的折叠结构，使冰立方升降的最大速度可达每秒0.28米，完成整个升起过程，最短耗时43秒，运行误差只有正负1毫米。 冰立方升起来后，奥运五环慢慢呈现。五环长达19米、高8.75米，厚度却仅有35厘米，它依靠鸟巢上空的威亚系统，43秒稳稳升至13米高，悬挂在半空，最终缓缓沉入舞台之下，下落时摆动幅度不超过7.5厘米，升降精度控制在毫米级。
▲ 五环破冰效果
考虑到威亚系统的承重能力，五环要不断“减重”以降低负荷，轻便的材料既要抗风还要具备足够的强度，保证悬挂中不会变形。此外，导演团队对五环视觉效果，也提出了极高的要求，参考航天结构设计的方法，经过反复迭代，“冰五环”的图纸终于定稿：它总重约3吨，骨骼为铝合金桁架，既坚韧又轻巧，内部是360度无死角的LED显示屏，可以实现任意画面的显示，为导演团队留出，最大限度的创作空间，最外层的扩散板，为显示屏做了“美颜”保证视觉效果清晰而柔和。航天一院十五所冬奥项目总师何冠杰告诉记者：“说得夸张一点，这个操作的难度就像用两条线把一张白纸全程平稳地提起来、放下去。”
张艺谋领衔的总导演团队，大胆创新，以“不点火”代替“点燃”，以“微火”取代熊熊燃烧的大火，传递低碳、环保的绿色奥运理念，实现了奥运历史上的一次点火创新。
本次开幕式主火炬台直径达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。 为实现导演组火炬台要像“钻石般璀璨闪耀”的创意理念，京东方核心研发团队通过500多张设计图纸和近10轮的制样，研发出目前行业内发光面最窄的单像素可控异形显示产品，充分呈现雪花的线条感和细腻的画面显示效果，成功将导演组的艺术创意变为现实。
火炬点燃那一刻，巨型雪花屏由中心向四周辐射开来，闪耀出波浪般层层递进的璀璨光芒，快速变换、完美同步的显示画面背后，采用的是京东方AIoT技术体系及自主研发的同/异步兼容信发系统，异步集控能在极短时间内将大规模视频内容快速下发，同步集控确保102块双面屏幕实现毫秒级响应；此外，“主路+环路”备份的高冗余控制系统确保了火炬台播控系统的超高可靠性。 同时，通过采用LoRa（远距离无线电）低延迟控制系统搭配同步播放时间校正技术，进一步确保指令下发万无一失，实现视频画面完美协同。
由六院11所（京）和101所研制的主火炬燃烧系统是主火炬的核心组成部分，团队根据组委会要求，做了不少创新。
例如，针对火焰颜色可视化需求，团队在氢气火焰区中以特殊方式植入微量显色剂配方，以安全、环保的方式实现氢气火焰的可视性；采用线性多点式耦合燃气分配技术，实现火焰“飞扬”飘逸的造型； 技术人员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。 此外，五院508所利用航天器回收着陆试验场构建模拟主火炬的试验环境，为确保点火仪式的各个环节可靠、顺畅作出了重要贡献。 国家体育场铺设的LED大屏系统与演员之间的实时“互动”成为了本次冬奥开幕式一大亮点。英特尔® 3DAT三维运动员追踪技术，它带来了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的技术方案。英特尔联合北京电影学院专业团队基于英特尔的3DAT技术针对冬奥开幕式场景定制开发的 “基于AI的大型演出实时特效系统” 是实现整个节目创意的关键技术。
英特尔® 3DAT三维运动员追踪技术是一套复杂的系统，它由摄像机信息采集、数据分析、艺术效果渲染三大子系统构成，其核心算法是基于计算机视觉、AI的实时人体检测和位置追踪技术。 在《雪花》节目中，600个孩子运动范围覆盖整个体育场，孩子们随意走动，并完成多次复杂的动作变化，现场环境几乎没有舞台灯光。距离场地最远的6层看台的4台专业摄像设备，用于捕捉覆盖全场的视频信息。针对节目表演特点及摄像机视频数据特性，凭借丰厚的AI技术储备，设计开发多个深度神经网络模型，高效检测识别演员并实时输出他们的运动轨迹数据。 在实时性上，英特尔依靠的是来自边缘计算系统的强大算力。摄像机将采集到的数据信号通过光纤传输到英特尔在国家体育场内搭载的第三代英特尔® 至强® 可扩展处理器的边缘计算系统。 最终，由北京电影学院的艺术效果团队基于每个孩子的位置在地面实时渲染出艺术特效，同时迅速反馈给LED控制器，有了这种巧妙的配合，最终观众可以看到孩子们脚下的屏幕与他们默契交互的惊艳效果。 “开幕式焰火表演秉持简约理念，时长总计仅约3分钟。环保弹药虽只有1800发，用量仅为北京2008年奥运会的10%，但更需精益求精。”蔡国强介绍，这次不再过多使用氛围焰火，而为冬奥会专门开发“雪花”“冰花”等多种造型的焰火品种，营造空中的“北国风光”。“同时，这次使用的特效烟花主要产自湖南、河北等地，均是高科技环保微烟化焰火，力求环保、安全。经过对发射药成分的改进，焰火药剂无毒、微烟，大大减少了烟花燃放时对环境的影响。” “当五环形状的焰火亮起，观众又回忆起2008年北京奥运会那个充满激情的夏天。”蔡国强说，“但与2008年单线卧式五环不同的是，本次开幕式闪耀的是双线立式五环，有‘双奥之城’之意，颜色更好看，造型也更饱满。”
“开幕式期间，盆景状的‘迎客松’焰火在‘鸟巢’上空绽放，场馆与焰火巧妙结合，既寓意欢迎全球运动员和观众，又为新春佳节增添绿意点缀。”开幕式焰火执行设计及技术总监蔡灿煌介绍，“迎客松”燃放虽然只有十几秒，但它是所有焰火品种中试验次数最多的。“烟花炸开时本来呈立体四散喷射状，但‘迎客松’造型要求焰火只能向上喷射形成松针形状。对此我们根据‘树干’和‘树杈’的比例、造型高度，安排弹药发射和炸开时间点等要素，对传统焰火产品加以改造，并历经多次试验，最终获得成功，体现出较高的焰火设计水平。” 为保证整个开幕式稳定通信，统一指挥，一院12所大道公司项目团队根据实际需求，开发出三类子系统，分别是有线内通系统、无线通信系统和无线FM广播系统。 通信系统终端由48块面板、52个有线腰包、36个无线腰包、700个无线对讲机、7000个FM接收器组成。这三个子系统完全相通，控制面板可以直接联通无线FM系统或某台无线对讲机，在应急处理时将指令及时送达。
冬奥会开幕式的指挥监控系统同样基于大道公司的“长征云”工业互联网平台研发，能够给分场导演、舞台总监、技术保障人员等提供指令信息。此外，为更好把控开幕式上各类硬件设备状态，该团队在鸟巢新安装了130余个摄像头，“盯着”类似升降舞台内部等多个“视觉死角”。监控视频信息可以根据各岗位在不同活动环节的监控需求，自动按流程推送到各岗位面前。如果出现问题，该系统会通知各岗位，应急预案将第一时间启动。
北京理工大学计算机学院数字表演与仿真技术团队所打造的冬奥开幕式仿真系统中的“鸟巢”，他们带来了“虚拟冬奥开幕式”。
北理工师生们采用原创的“智能化创编排演一体化”系统，按照开幕式导演组要求，打造了全仿真的“虚拟鸟巢”。仿真精确到，每一位演员的位置、动作，步伐速度……精确到开幕式的每分每秒，为开幕式的策划、设计和排练提供了有力的科技支撑，此前，在该系统上开幕式排演了约12次，在“虚拟开幕式”的“演出”中，舞美灯光、视觉特效尽收眼底。
▲《立春》节目仿真效果图
“08奥运我们仅仅为表演提供了虚拟仿真支持，14年后，我们通过三维仿真技术，模拟出冬奥会开幕式全流程，对演员、灯光、音乐、烟花、奥运火炬，甚至转播机位等全要素进行全方位‘排兵布阵’。这个平台相当于电影预演系统，帮助导演团队等直观了解开幕式的整体效果。”数字表演与仿真技术团队负责人、北理工计算机学院丁刚毅教授介绍到。
北理工团队所打造的冬奥会开幕式仿真系统，模拟出34个不同转播机位，通过对开幕式的“全虚仿”对不同转播机位，在不同时间点的拍摄效果，进行了效果仿真，用“仿真”提前“试转播”排除所有可能出现的问题，确保将最精彩的效果，呈现给全世界观众。
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