虛擬融入現(xiàn)實，點亮冬奧科技之光

筑夢冰雪，一起向未來。北京冬奧會正在如火如荼地開展。五環(huán)旗下，來自世界各地的運動健兒們在賽場上不斷超越自我、奮力拼搏。而作為全球首個“雙奧之城”，北京也在傾力奉上一場又一場科技與體育交織的冰雪視聽盛宴，彰顯著令世界矚目的中國力量。其中，虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)猶如一?；鸱N，貫穿著北京冬奧會的各個環(huán)節(jié)，點亮了科技冬奧之光。

開幕式上的“驚鴻一瞥”

“空靈” “浪漫”“科技”……這場由張藝謀導(dǎo)演的開幕式以卓越之姿驚艷了全球，究竟哪個瞬間成就了開幕式上的“驚鴻一瞥”？以氫能為燃料的“微火火炬”首次亮相，以“一葉知秋”的詩意情懷點燃激情澎湃的奧林匹克精神；冰雪“五環(huán)”破冰而出，以璀璨奪目之景傳遞“打破隔閡、融為一體”的寓意；手拿和平鴿的小朋友腳踏飄舞的“雪花”而來，象征著和平與未來……短短不到200分鐘的開幕式表演幀幀皆是經(jīng)典，在開幕式結(jié)束一周后依然頻繁登上熱搜。

計算機學(xué)院數(shù)字表演與仿真技術(shù)團隊所打造的冬奧開幕式仿真系統(tǒng)中的“鳥巢”

“人少而不空，空靈而浪漫”是多數(shù)觀眾給予開幕式的評價。據(jù)了解，北京理工大學(xué)計算機學(xué)院數(shù)字表演與仿真技術(shù)團隊采用原創(chuàng)的“智能化創(chuàng)編排演一體化”系統(tǒng)打造的全仿真“虛擬鳥巢”功不可沒。開幕式前，他們已經(jīng)在“虛擬鳥巢”上排演了約12次，精確到每一位演員的位置、動作、步伐速度，甚至每一分、每一秒，并且根據(jù)模擬結(jié)果為參演者精心準(zhǔn)備了“定制”的表演手冊，確保節(jié)目創(chuàng)意得以最大程度的實現(xiàn)。

令人印象深刻的還有近一萬平方米、畫質(zhì)達到16K、鋪滿了整個國家體育場中心區(qū)域的“大地屏”。漫天飛舞的瑩瑩雪花、奔涌而來的巨浪、雪霧繚繞的丘巒、緩緩綻放的龐大花蕾、在地球表面熠熠生輝的五角星……“大地屏”配合著地面表演呈現(xiàn)出一幕幕夢幻逼真的畫面，身臨其境之感十足。

“如此絢麗的動態(tài)視覺效果背后意味著海量的數(shù)據(jù)計算和復(fù)雜的計算機圖形渲染，稍有差池，便會失之千里。”一位業(yè)內(nèi)人士對《中國電子報》記者表示。據(jù)悉，北京理工大學(xué)和中央電視臺自主研發(fā)的渲染集群管理軟件將集群渲染速度提高到30倍以上。為保障“大地屏”視頻呈現(xiàn)、表演者動作、背景音樂三者實時配合，冬奧會開幕式仿真系統(tǒng)以可視化界面和圖紙、視頻等多種數(shù)據(jù)輸出載體將各種表演方案的真實效果進行三維呈現(xiàn)，將每一個要素的時空變化精準(zhǔn)至0.01秒，最終使視覺震撼效果達到“極致”。

《立春》節(jié)目仿真效果圖

數(shù)字表演與仿真技術(shù)團隊負責(zé)人、北理工計算機學(xué)院丁剛毅教授介紹稱：“我們通過三維仿真技術(shù)，模擬出冬奧會開幕式全流程，對演員、燈光、音樂、煙花、奧運火炬，甚至轉(zhuǎn)播機位等全要素進行全方位‘排兵布陣’。這個平臺相當(dāng)于電影預(yù)演系統(tǒng)，幫助導(dǎo)演團隊等直觀了解開幕式的整體效果。” 這種數(shù)字表演依托人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、智能仿真等新技術(shù)手段增強實現(xiàn)藝術(shù)創(chuàng)意，通過提供感官復(fù)合的視覺效果和虛擬交互能力豐富表演呈現(xiàn)和制作手段，從而全面提升了文藝演出的表現(xiàn)效果。

冬奧場館的“高光時刻”

“在《黑客帝國》中使用的子彈時間出現(xiàn)在了北京冬奧會上，但在更高等級的版本中，它被稱為360°VR技術(shù)，可以捕捉整個區(qū)域的3D數(shù)據(jù)，來進行360°回放。”一位外國UP主（賬號：歪國看中國）在YouTube網(wǎng)站上傳的視頻中驚嘆道。
“也就是說在多臺VR全景攝像機的加持下，廣播員可以在各個攝像機之間來回切換選出不同的角度，這樣才能呈現(xiàn)出高質(zhì)量的定格圖像。試想一下，從各個角度欣賞這場傳奇體育賽事中的高光時刻，從某些方面來講，看電視直播會比在現(xiàn)場觀看的體驗更好。”他說。

5G+VR技術(shù)應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的定點觀賽模式，為觀眾帶來了自由視角、子彈時間、沉浸式觀賽、VR互動等多種創(chuàng)新觀賽體驗，觀眾不僅可以通過調(diào)整觀看視角動態(tài)追蹤自己想看的內(nèi)容，還可以隨時捕捉稍縱即逝的定格畫面，猶如坐在“特等席”一樣，不會錯過任何精彩瞬間。同時，這項技術(shù)還能輔助裁判判罰，保障賽事公平性。

與此同時，北京冬奧會場館還創(chuàng)新應(yīng)用了虛擬場館仿真系統(tǒng)（VSS），通過可視化“數(shù)字孿生”模型，對賽事場館進行了1:1的3D場景還原，這是奧運賽歷史上首次使用虛擬場館仿真方式進行運行設(shè)計和轉(zhuǎn)播規(guī)劃的系統(tǒng)平臺。

北京冬奧會開幕式仿真系統(tǒng)界面

“該系統(tǒng)是給賽事活動提供基于場館三維模型的可視化協(xié)作平臺，利用數(shù)字孿生技術(shù)給活動組織方提供三維虛擬圖紙（無紙化辦公）、活動編輯和推演、虛擬測試活動、沉浸式培訓(xùn)、經(jīng)驗與資產(chǎn)傳承等服務(wù)的綜合解決方案。”視伴科技執(zhí)行副總裁宋昊明對《中國電子報》記者介紹說?；赩SS系統(tǒng)，場館運營方可獲得高度精準(zhǔn)的信息，對場館設(shè)計、賽道模擬、攝像機位模擬、觀眾座位觀賽視角模擬等進行智慧管理。

北京電影學(xué)院未來影像高精尖創(chuàng)新中心虛擬制作實驗室主任、場館仿真系統(tǒng)研發(fā)負責(zé)人王春水在接受《中國電子報》記者采訪時表示：“這會有效解決奧運賽會辦賽復(fù)雜程度高、資源分散、工作界面不直觀等問題，尤其為新冠肺炎疫情防疫工作做出了突出貢獻。”

同時他也指出，該系統(tǒng)在電影制作領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)趨向成熟，在虛擬場景中進行影視預(yù)演，可以完善外景布置、機位擺設(shè)、攝影角度、演員走位等細節(jié)方案，大幅降低成本，縮短電影制作周期，未來還將在防疫、安保、票務(wù)、游戲等領(lǐng)域進一步拓展應(yīng)用空間。

訓(xùn)練場上的“隱形教練”

今年，運動員的訓(xùn)練場上出現(xiàn)了一大批神秘的“隱形教練”。“現(xiàn)在我們看到的是五臺六自由度電動模擬體育訓(xùn)練系統(tǒng)。我們將航空的模擬訓(xùn)練理念引入體育領(lǐng)域，然后通過六自由度平臺的技術(shù)，包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)、體育項目的數(shù)字仿真技術(shù)為運動員提供和賽道一樣逼真的訓(xùn)練環(huán)境。”順著北京體育大學(xué)二七國家冰雪運動訓(xùn)練科研基地、六自由度團隊負責(zé)人宋小東手指的方向看去，鋼架雪山訓(xùn)練系統(tǒng)、越野滑雪訓(xùn)練系統(tǒng)、雪山訓(xùn)練系統(tǒng)、高山回轉(zhuǎn)訓(xùn)練系統(tǒng)，以及多功能訓(xùn)練系統(tǒng)赫然出現(xiàn)在眼前。

其中，鋼架雪山訓(xùn)練系統(tǒng)由一架雪車與前方三塊呈環(huán)形圍繞的高清大屏組成，能夠1:1還原國家雪車雪橇中心的賽道模型。據(jù)宋小東介紹，該訓(xùn)練系統(tǒng)能夠幫助運動員呈幾何級倍數(shù)地增加訓(xùn)練次數(shù)，對賽道形成肌肉記憶。教練員也可以根據(jù)模擬器監(jiān)控數(shù)據(jù)對運動員發(fā)力的時間、大小進行評判，從而制定更具針對性的訓(xùn)練方案。

位于張家口的冬奧賽場上有一款身高只有30厘米的小機器人正在忙碌著。它是由東北大學(xué)機械學(xué)院王宏教授團隊研發(fā)，能夠精準(zhǔn)捕捉雪場環(huán)境數(shù)據(jù)，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實時模擬賽場環(huán)境，讓運動員或者體驗者能夠在不同環(huán)境下進行訓(xùn)練。據(jù)了解，這款滑雪道多模態(tài)環(huán)境要素和滑行速度測量機器人自去年7月份開始就在輔助中國自由式滑雪空中技巧隊進行夏訓(xùn)和冬訓(xùn)了。

東北大學(xué)力學(xué)系攻關(guān)小組研發(fā)的“旱雪魔毯”也是世界首創(chuàng)，于去年夏季投入使用。據(jù)說站在“魔毯”上的滑行感覺、落地應(yīng)力與在真雪上的相似度高達90%以上，不僅解決了此前非雪季無法進行著陸訓(xùn)練的難題，還大大提高了訓(xùn)練效率和質(zhì)量。

中國工業(yè)合作協(xié)會仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)分會會長、北京航空航天大學(xué)教授張霖在接受《中國電子報》記者采訪時表示：“基于這些虛擬仿真應(yīng)用，可以更好地了解運動員的生理、心理特點，提高訓(xùn)練效率和水平；更全面地了解對手的技術(shù)特點，并通過虛擬對抗訓(xùn)練，提高運動員或運動隊的實戰(zhàn)和應(yīng)變能力；提前體驗比賽場館和賽場氣氛，快速適應(yīng)比賽環(huán)境。”

“虛”技術(shù)點燃“真”熱情

步入北京冬奧村占地1000平方米的娛樂中心，VR體驗區(qū)總是不缺到訪者。在這里，可以坐進4D載人深海模擬器或者太空模擬艙，沉浸式體驗上天入地的快感；也可以站上3D模擬滑雪機，來一場讓腎上腺素飆升的雪上競賽；還可以帶上VR裝備，開啟激情四射的模擬實戰(zhàn)。實際上不止是這里，各大商場、影院附近的線下VR游戲體驗區(qū)也是頗受歡迎。

圖為游戲場景中的“滑雪大跳臺”

各大游戲廠商聞風(fēng)而動，爭相推出VR冬奧系列IP，《和平精英》《奇幻滑雪》等爆款游戲紛紛增加了與滑雪項目相關(guān)的內(nèi)容，引來大量關(guān)注。VR技術(shù)與游戲場景的結(jié)合，正吸引著更多的人來了解冰雪文化、感受冬奧魅力。

“中國隊奪金了！”在舉國上下為中國隊在冬奧會上的精彩表現(xiàn)歡呼雀躍之時，插畫師石珊珊正在埋頭作畫，只不過她手中的畫筆是VR手柄。其為定格中國隊摘得首金瞬間制作的VR繪畫作品在網(wǎng)絡(luò)上走紅。她說：“我想通過VR作畫的形式，向每一位拼搏在賽場的奧運健兒致敬，也祝愿他們都能取得滿意的成績。”

此外，在咪咕演播室閃亮登場的谷愛凌、徐夢桃、隋文靜等一眾冬奧運動員的“數(shù)字分身”，首位數(shù)字人奧林匹克公益宣傳大使熱愛REAI，“相約北京”奧林匹克文化節(jié)開幕式上中國虛擬歌手洛天依，播報冬奧會新聞的虛擬人航天員、記者小諍，在淘寶直播帶貨的冬奧“宣推官”數(shù)字人冬冬……冬奧會的場內(nèi)、場外遍布前來“打工”的虛擬人。這些虛擬人成為近兩年虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)快速落地的一個縮影，悄然掀開了元宇宙的序幕。

張霖指出，虛擬仿真技術(shù)還有極大的發(fā)展空間。“未來，在視覺感知方面最終需要擺脫眼鏡和頭盔，在視覺之外更需進一步發(fā)展物理建模仿真技術(shù)，最終構(gòu)造內(nèi)外真實的虛擬物體、虛擬環(huán)境、虛擬人、虛擬社會、虛擬世界、虛擬宇宙，并建立人、真實世界和虛擬世界之間的無縫融合和自由交互。”

作者丨宋婧 趙晨

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞