2月4日晚，第二十四屆冬季奧林匹克運動會開幕式在北京國家體育場舉行，開幕式上絢爛多彩的地面光影、冰立方“雕刻”成的冰五環、璀璨閃耀的雪花形主火炬臺、“迎客松”等煙花閃耀...再次成為世界“焦點”。

這些炫酷、新奇有創意的效果，是如何實現的？一起來看冬奧會開幕式上都有哪些“黑科技”？

“虛擬鳥巢”上演開幕式“元宇宙”

在北京冬奧會開幕式驚艷世界之前，它已經在北京理工大學數字表演與仿真技術北京市重點實驗室研發的平臺上，排演了無數遍。

在“虛擬開幕式”的“演出”中，觀眾席、燈帶、主舞臺和震撼人心的超大型LED屏幕，每一個要素都盡收眼底。

可以說，它是一個有關冬奧會開幕的投射，能實現表演全要素、全流程、全業務的集成與融合。它集成活動策劃與智能創意系統、訓練彩排方案生成系統、表演預演系統、裝備協同控制系統和仿真轉播關鍵技術，形成了新一代表演全流程技術解決方案。其實，先進的仿真技術，也是現在大熱的“元宇宙”概念中的關鍵技術。

“虛擬開幕式”仿真圖

在開場節目《立春》中，393名表演者手持綠色熒光長桿輕步入場，在場館中央匯成同心圓，音樂變換，長桿律動，與地面大屏特效融為一體。由于涉及演員眾多，站位、動作、揮桿角度皆不相同，長達9.5米的發光軟桿不能有絲毫碰撞，使之成為開幕上最具難度的表演環節之一。北理工團隊成員對每一位演員的動作效果逐一進行了仿真，為每一位表演者提供了“定制”表演手冊，將節目細節一一標注清晰，對節目效果進行了上萬次修改，協助導演決策及完善表演方案，確定最終方案。

此外，在本次冬奧開幕式上一塊近一萬平方米的“大地屏”驚艷世界。這塊分辨率達到16K的地屏鋪滿了整個國家體育場中心區域，地屏與立屏聯結一體配合開幕式演出呈現震撼的視覺效果，在地屏絢麗變化的背后卻是“海量”的數據計算。對于高幀率16K的計算機圖形動畫生成任務必須采用高性能GPU和CPU服務器集群，僅三分鐘的素材便50G左右。

北京理工大學和中央電視臺自主研發了渲染集群管理軟件，可以實現任務自動分配、結果自動通知上傳等功能，集群渲染速度提高了30倍以上，該軟件為節目修改的突發情況提供了應急保障。

冬奧會開幕式仿真系統以可視化的界面和圖紙、視頻等多種數據輸出載體將各種表演方案的真實效果進行三維呈現，將每一個要素的時空變化精準至0.01秒，讓地屏的震撼展現到“極致”。

北京冬奧會開幕式仿真系統界面

世界最大的LED三維立體舞臺

“數字科技+美學創新”是北京冬奧開幕式的視覺標簽，11000㎡地面顯示屏、1200㎡冰瀑布、600㎡冰立方、1000㎡鳥巢兩側看臺屏組成了世界最大的LED三維立體舞臺，用一場無與倫比的視聽盛宴向世界大聲講出最浪漫的中國故事。

2022北京冬奧會開幕式地屏提供方、利亞德集團冬奧會開幕式項目經理王定芳介紹，此次，LED地屏顯示面板加裝抗眩光、抗摩爾紋、防滑霧化面罩，顯示畫面柔和，為攝像轉播提供全焦段無雜波、無干擾的純凈視頻顯示畫面。南北看臺屏也達到了實時顯示OBS的12G SDI 4K分辨率, 同時還能顯示4K宣傳短片，實時回傳給OBS，與地屏等其他顯示裝置的信號做到了整體的完美配合。

開幕式鳥巢LED屏幕分布（利亞德設計繪制）

“會發光的舞臺”

開幕式上，流光溢彩交錯的舞臺與演員表演交相輝映，實時互動。而這來源于京東方集團（BOE）的8K超高清顯示技術。

據了解，此次開幕式的舞臺地面是目前全球最大的8K超高清地面顯示系統，整體面積達10393平方米，采用多個8K+級分辨率的畫面融合技術，超大規模的光學校正算法可對每個顯示畫面進行像素點級的光學校正，可呈現出100000:1超高對比度，3840Hz超高刷新率，以及29900x15096超高分辨率的超高清絢麗畫面。

通過搭載京東方自主研發的超大規模顯示模組控制與同步系統，還可實時捕捉演員行進軌跡，實現畫面與演員的無縫互動。同時，在長達5個月的高強度排演及冬季零下30攝氏度的極端低溫雨雪天氣，地面顯示系統依然能實現穩定運行，在開幕式當天向世界完美呈現夢幻逼真的科技之美。

行云流水般的舞臺“轉場”

只見飛流直下的“銀河”瞬間凝結成巨大的冰立方；一朵朵雪花被置于“冰面”上，即刻又悄然幻化為奧林匹克五環冉冉升起.....令觀眾的感官如同穿梭起伏在水、冰、雪之間不斷交融的奇幻場景之中。能夠如此收放自如，其背后是來自航天科技的加持，保障冬奧會開幕式上的中國舞臺像發射火箭一樣安全、精準。

據了解，中國運載火箭技術研究院，作為中國航天科技集團有限公司冬奧專項工程的抓總單位，承擔了冬奧會和冬殘奧會開閉幕式舞臺、空中設施、地面顯示系統等多個項目的技術保障任務。來自北京經濟技術開發區的創新企業北京長征天民高科技有限公司（簡稱“長征天民”），是火箭院所屬北京航天發射技術研究所的全資公司。其總承的地面舞臺系統要完成相關展示、視頻播放等最重要的儀式性表演，滿足不同場景使用需求。

據介紹，在鳥巢舞臺上所呈現的從“銀河”瞬間凝結成通體冰瑩的冰立方，總重量約400噸，升降重量達180噸，載荷超過一般劇院大型升降臺的8倍，是整個開閉幕式最大功率的驅動設備。長征天民研制團隊在場地受限的情況下，通過精確控制電機驅動16條鏈條、16條鋼絲繩組成的4套同步傳動單元，讓這塊巨大的冰立方升降定位精度控制在±1mm。

當“冰面”上一朵朵的雪花即刻悄然幻化為奧林匹克五環冉冉升起，這行云流水般的轉場，來源于地面中央升降臺所采用的“先下沉、再平移、最后上升”的“小開合”方式。長征天民采取這種創新方式，能夠減少大幅度動作所帶來的突兀感，為藝術表演與流程儀式提供了流暢而平穩的舞臺，配合整體演出塑造出寧靜的唯美意境。

據了解，舞臺機械控制系統的設計，加入了航天系統產品研發中采用的數字化仿真軟硬件設備，開展控制算法的優化設計，并全面進行半實物仿真測試試驗，把冬奧項目與航天人熟悉的質量管理體系進行創造性結合，從而在設計階段識別并規避重大失誤，提高整個系統的可靠性和安全性。相對一般火箭飛行試驗前需要進行近百項地面試驗，冬奧會舞臺系統則進行了近千項地面測試。通過各種分系統與綜合性試驗，排除一切不可靠因素，做到現場表演“零失誤”。

三大創新締造“獨一無二”的主火炬

北京冬奧會主火炬技術負責人、航天科技集團六院11所（京）事業部總工程師劉悅介紹，北京冬奧會主火炬的設計研發，最大的創新之處是微火設計、視頻顯示以及由復雜的姿態控制系統構成鳥巢上空的完整結構，這在百年奧運史上是獨一無二的。

北京冬奧會將綠色能源——氫氣作為燃料，微火設計可實現氫氣消耗量每小時小于2立方米。

“從技術角度來說，微火的實現并不容易。”劉悅說，北京冬奧會主火炬須長時間燃燒，對環境適應性、穩燃性以及抗低溫、火焰顯色等方面均提出很高要求。而且，氫氣的供給需要達到安全、穩定，劉悅團隊將氫氣供給系統設計為撬裝結構，使儲存、減壓、輸送、控制集成起來。“由于特定的使用場景突破了氫氣使用規范的現有要求，最終，我們的撬裝結構作為航天專有產品提供給了北京冬奧組委。”

火焰本身太小，如何使之壯觀？創意團隊給出設計，采用 “微火+視頻顯示”技術方案。劉悅表示，視頻顯示技術成熟，但是用在火炬的核心裝置內，復雜的造型就需要大量采用“異形屏”技術，從設計到制造再到保證系統的可靠性都存在諸多挑戰。“我們將結構高度集成并實現輕量化，結構變得不顯眼，屏顯做到輕薄，讓大家只關注到唯美的火炬，感受主火炬晶瑩剔透的效果。”

與以往火炬最大的不同還在于，北京冬奧會主火炬懸掛在鳥巢上空，宛如飄舞在空中的雪花托舉著盛開的火焰，這對系統的高可靠性提出要求——保證各個環節萬無一失！劉悅團隊不光在結構的穩定性、承載力、空中姿態方面為主火炬找到最優方案，還在供電、信號、燃燒、機電、播控等方面都進行了冗余設計，確保主火炬在鳥巢上空美輪美奐地呈現。

“雪花”形主火炬臺

開幕式上，最受矚目的巨型“雪花”形主火炬臺閃耀著晶瑩剔透的光芒緩緩升空，伴隨圣火點亮，將整個開幕式氣氛推向高潮。

這一雪花形態主火炬臺，其整體硬件支撐和軟件系統，也都由京東方集團研發設計。

本次開幕式主火炬臺直徑達14.89米，由96塊小雪花形態和6塊橄欖枝形態的LED雙面屏創意組成，采用雙面鏤空設計，嵌有55萬余顆LED燈珠，每一顆燈珠都由驅動芯片的單一信道獨立控制。

為實現導演組火炬臺要像“鉆石般璀璨閃耀”的創意理念，研發團隊通過500多張設計圖紙和近10輪的制樣，研發出目前行業內發光面最窄的單像素可控異形顯示產品，充分呈現雪花的線條感和細膩的畫面顯示效果，成功將藝術創意變為現實。

火炬點燃那一刻，巨型雪花屏由中心向四周輻射開來，閃耀出波浪般層層遞進的璀璨光芒，快速變換、完美同步的顯示畫面背后，采用的是AIoT技術體系及自主研發的同/異步兼容信發系統，異步集控能在極短時間內將大規模視頻內容快速下發，同步集控確保102塊雙面屏幕實現毫秒級響應；此外，“主路+環路”備份的高冗余控制系統確保了火炬臺播控系統的超高可靠性。

煙花閃耀，璀璨奪目

2022冬奧會開幕式上，“立春spring”“迎客松”“冰立方”“漫天雪花”等煙花閃耀，璀璨奪目，驚艷世界。

據湖南的東信煙花集團煙花技術負責人劉勇章介紹，煙花原材料選用了業內最頂尖的焰火藥劑，無重金屬物質、低硫。煙花燃放的布點、角度、方位，則是根據多次科學測算、反復的燃放實驗得出的最好方位數據來布置，才能產生大家看到的最終效果。

開幕式從10到1的煙花倒計時，為保證數字的完整和圓潤度，每一發花束的位置，都由無數個點位組成。研究團隊首先需要利用3D模擬等技術，根據以往的成功案例設計出初稿，再通過實驗不斷改進完善，確保煙花發射出去的分散程度、發射高度及發射偏斜度都達到最完美的狀態。

迎客松的特效煙花則需要根據發射高度，編排設計好產品在空中爆炸的各個爆炸點，模擬出迎客松在空中完美成型的畫面。再根據已編排好的精密數據，和畫面在空中形成的樣式，將產品在地面上擺放，不斷試驗精進，使產品燃放效果和電腦模擬效果達到1：1的程度。此外，迎客松特效煙花的布置點位，在鳥巢上的覆蓋面達200米左右。但鳥巢頂上鋼梁縱橫交錯，阻礙了其在地面燃放時的完整直線。針對這一難題，團隊重新研發出了可轉動、調節角度的卡具，使迎客松的在鳥巢鋼梁上的布點形成基本的水平面，確保迎客松的完美成型。

圖片來源：@人民日報

“spring”的“春”，也來之不易。它的燃放效果總覆蓋面達150-200米。發射裝置的定型、藥物效果的燃燒速度、發射垂直度以及亮珠新體效果結合熄滅整齊度，都會影響英文字母的最終呈現。據相關負責人介紹，每一管花束的高度、偏斜度，都要做到基本一致，亮珠要齊接火、齊收尾，發射垂直度要做到百分之九十九以上，才能減少北京冬天的大風和寒冷氣候對燃放效果的影響。

冬奧服飾既時尚又保暖

開幕式上工作人員、志愿者和表演人員的服裝既美觀，其實也有保暖秘訣。

圍繞北京2022年冬奧會的服裝服飾所需，北京服裝學院承擔了“高性能多功能冬奧服裝服飾研究開發”項目研發工作，其一就是為冬奧會的志愿者、工作人員研究開發輕質保暖舒適實用的高科技服裝服飾產品原型。

為了尋找更好的又透氣的保暖材料，科研人員不知比對了多少種材料，最終選出的材料，不僅保暖效果好，增強了微多孔結構，而且工藝更環保，成本也極大降低。

例如此次冬奧防寒被裝，就運用了國內服裝業的最新技術。

多功能服和防寒大衣的保暖絮片采用了蓄熱保暖材料，保暖性能指標接近于羽絨，但更易打理，可以直接水洗，更適合制服行業應用。

而且多功能服和防寒大衣面料使用了微多孔高透膜，具有防水透濕，穿著體感舒適，無悶熱感。

冬奧防寒靴的設計特點為防寒、防雪水、防滑。防寒體現在靴的襯里材料使用了絮片+綿羊毛皮組合結構，內墊使用了羊毛毛氈+綿羊毛皮組合結構，進一步提升保暖性能。