虚拟融入现实，点亮冬奥科技之光！

文章转载自：中国电子报

筑梦冰雪，一起向未来。北京冬奥会正在如火如荼地开展。五环旗下，来自世界各地的运动健儿们在赛场上不断超越自我、奋力拼搏。而作为全球首个“双奥之城”，北京也在倾力奉上一场又一场科技与体育交织的冰雪视听盛宴，彰显着令世界瞩目的中国力量。其中，虚拟现实（VR）技术犹如一粒火种，贯穿着北京冬奥会的各个环节，点亮了科技冬奥之光。

开幕式上的“惊鸿一瞥”

“空灵” “浪漫”“科技”……这场由张艺谋导演的开幕式以卓越之姿惊艳了全球，究竟哪个瞬间成就了开幕式上的“惊鸿一瞥”？以氢能为燃料的“微火火炬”首次亮相，以“一叶知秋”的诗意情怀点燃激情澎湃的奥林匹克精神；冰雪“五环”破冰而出，以璀璨夺目之景传递“打破隔阂、融为一体”的寓意；手拿和平鸽的小朋友脚踏飘舞的“雪花”而来，象征着和平与未来……短短不到200分钟的开幕式表演帧帧皆是经典，在开幕式结束一周后依然频繁登上热搜。

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”

“人少而不空，空灵而浪漫”是多数观众给予开幕式的评价。据了解，北京理工大学计算机学院数字表演与仿真技术团队采用原创的“智能化创编排演一体化”系统打造的全仿真“虚拟鸟巢”功不可没。开幕式前，他们已经在“虚拟鸟巢”上排演了约12次，精确到每一位演员的位置、动作、步伐速度，甚至每一分、每一秒，并且根据模拟结果为参演者精心准备了“定制”的表演手册，确保节目创意得以最大程度的实现。

令人印象深刻的还有近一万平方米、画质达到16K、铺满了整个国家体育场中心区域的“大地屏”。漫天飞舞的莹莹雪花、奔涌而来的巨浪、雪雾缭绕的丘峦、缓缓绽放的庞大花蕾、在地球表面熠熠生辉的五角星……“大地屏”配合着地面表演呈现出一幕幕梦幻逼真的画面，身临其境之感十足。

“如此绚丽的动态视觉效果背后意味着海量的数据计算和复杂的计算机图形渲染，稍有差池，便会失之千里。”一位业内人士对《中国电子报》记者表示。据悉，北京理工大学和中央电视台自主研发的渲染集群管理软件将集群渲染速度提高到30倍以上。为保障“大地屏”视频呈现、表演者动作、背景音乐三者实时配合，冬奥会开幕式仿真系统以可视化界面和图纸、视频等多种数据输出载体将各种表演方案的真实效果进行三维呈现，将每一个要素的时空变化精准至0.01秒，最终使视觉震撼效果达到“极致”。

《立春》节目仿真效果图

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称：“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。” 这种数字表演依托人工智能、大数据、云计算、智能仿真等新技术手段增强实现艺术创意，通过提供感官复合的视觉效果和虚拟交互能力丰富表演呈现和制作手段，从而全面提升了文艺演出的表现效果。

冬奥场馆的“高光时刻”

“在《黑客帝国》中使用的子弹时间出现在了北京冬奥会上，但在更高等级的版本中，它被称为360°VR技术，可以捕捉整个区域的3D数据，来进行360°回放。”一位外国UP主（账号：歪国看中国）在YouTube网站上传的视频中惊叹道。

“也就是说在多台VR全景摄像机的加持下，广播员可以在各个摄像机之间来回切换选出不同的角度，这样才能呈现出高质量的定格图像。试想一下，从各个角度欣赏这场传奇体育赛事中的高光时刻，从某些方面来讲，看电视直播会比在现场观看的体验更好。”他说。

5G+VR技术应用打破了传统的定点观赛模式，为观众带来了自由视角、子弹时间、沉浸式观赛、VR互动等多种创新观赛体验，观众不仅可以通过调整观看视角动态追踪自己想看的内容，还可以随时捕捉稍纵即逝的定格画面，犹如坐在“特等席”一样，不会错过任何精彩瞬间。同时，这项技术还能辅助裁判判罚，保障赛事公平性。

与此同时，北京冬奥会场馆还创新应用了虚拟场馆仿真系统（VSS），通过可视化“数字孪生”模型，对赛事场馆进行了1:1的3D场景还原，这是奥运赛历史上首次使用虚拟场馆仿真方式进行运行设计和转播规划的系统平台。

北京冬奥会开幕式仿真系统界面

“该系统是给赛事活动提供基于场馆三维模型的可视化协作平台，利用数字孪生技术给活动组织方提供三维虚拟图纸（无纸化办公）、活动编辑和推演、虚拟测试活动、沉浸式培训、经验与资产传承等服务的综合解决方案。”视伴科技执行副总裁宋昊明对《中国电子报》记者介绍说。基于VSS系统，场馆运营方可获得高度精准的信息，对场馆设计、赛道模拟、摄像机位模拟、观众座位观赛视角模拟等进行智慧管理。

北京电影学院未来影像高精尖创新中心虚拟制作实验室主任、场馆仿真系统研发负责人王春水在接受《中国电子报》记者采访时表示：“这会有效解决奥运赛会办赛复杂程度高、资源分散、工作界面不直观等问题，尤其为新冠肺炎疫情防疫工作做出了突出贡献。”

同时他也指出，该系统在电影制作领域的应用已经趋向成熟，在虚拟场景中进行影视预演，可以完善外景布置、机位摆设、摄影角度、演员走位等细节方案，大幅降低成本，缩短电影制作周期，未来还将在防疫、安保、票务、游戏等领域进一步拓展应用空间。

训练场上的“隐形教练”

今年，运动员的训练场上出现了一大批神秘的“隐形教练”。“现在我们看到的是五台六自由度电动模拟体育训练系统。我们将航空的模拟训练理念引入体育领域，然后通过六自由度平台的技术，包括虚拟现实技术、体育项目的数字仿真技术为运动员提供和赛道一样逼真的训练环境。”顺着北京体育大学二七国家冰雪运动训练科研基地、六自由度团队负责人宋小东手指的方向看去，钢架雪山训练系统、越野滑雪训练系统、雪山训练系统、高山回转训练系统，以及多功能训练系统赫然出现在眼前。

其中，钢架雪山训练系统由一架雪车与前方三块呈环形围绕的高清大屏组成，能够1:1还原国家雪车雪橇中心的赛道模型。据宋小东介绍，该训练系统能够帮助运动员呈几何级倍数地增加训练次数，对赛道形成肌肉记忆。教练员也可以根据模拟器监控数据对运动员发力的时间、大小进行评判，从而制定更具针对性的训练方案。

位于张家口的冬奥赛场上有一款身高只有30厘米的小机器人正在忙碌着。它是由东北大学机械学院王宏教授团队研发，能够精准捕捉雪场环境数据，通过虚拟现实系统实时模拟赛场环境，让运动员或者体验者能够在不同环境下进行训练。据了解，这款滑雪道多模态环境要素和滑行速度测量机器人自去年7月份开始就在辅助中国自由式滑雪空中技巧队进行夏训和冬训了。

东北大学力学系攻关小组研发的“旱雪魔毯”也是世界首创，于去年夏季投入使用。据说站在“魔毯”上的滑行感觉、落地应力与在真雪上的相似度高达90%以上，不仅解决了此前非雪季无法进行着陆训练的难题，还大大提高了训练效率和质量。

中国工业合作协会仿真技术产业分会会长、北京航空航天大学教授张霖在接受《中国电子报》记者采访时表示：“基于这些虚拟仿真应用，可以更好地了解运动员的生理、心理特点，提高训练效率和水平；更全面地了解对手的技术特点，并通过虚拟对抗训练，提高运动员或运动队的实战和应变能力；提前体验比赛场馆和赛场气氛，快速适应比赛环境。”

“虚”技术点燃“真”热情

步入北京冬奥村占地1000平方米的娱乐中心，VR体验区总是不缺到访者。在这里，可以坐进4D载人深海模拟器或者太空模拟舱，沉浸式体验上天入地的快感；也可以站上3D模拟滑雪机，来一场让肾上腺素飙升的雪上竞赛；还可以带上VR装备，开启激情四射的模拟实战。实际上不止是这里，各大商场、影院附近的线下VR游戏体验区也是颇受欢迎。

图为游戏场景中的“滑雪大跳台”

各大游戏厂商闻风而动，争相推出VR冬奥系列IP，《和平精英》《奇幻滑雪》等爆款游戏纷纷增加了与滑雪项目相关的内容，引来大量关注。VR技术与游戏场景的结合，正吸引着更多的人来了解冰雪文化、感受冬奥魅力。

“中国队夺金了！”在举国上下为中国队在冬奥会上的精彩表现欢呼雀跃之时，插画师石珊珊正在埋头作画，只不过她手中的画笔是VR手柄。其为定格中国队摘得首金瞬间制作的VR绘画作品在网络上走红。她说：“我想通过VR作画的形式，向每一位拼搏在赛场的奥运健儿致敬，也祝愿他们都能取得满意的成绩。”

此外，在咪咕演播室闪亮登场的谷爱凌、徐梦桃、隋文静等一众冬奥运动员的“数字分身”，首位数字人奥林匹克公益宣传大使热爱REAI，“相约北京”奥林匹克文化节开幕式上中国虚拟歌手洛天依，播报冬奥会新闻的虚拟人航天员、记者小诤，在淘宝直播带货的冬奥“宣推官”数字人冬冬……冬奥会的场内、场外遍布前来“打工”的虚拟人。这些虚拟人成为近两年虚拟现实技术在国内快速落地的一个缩影，悄然掀开了元宇宙的序幕。

张霖指出，虚拟仿真技术还有极大的发展空间。“未来，在视觉感知方面最终需要摆脱眼镜和头盔，在视觉之外更需进一步发展物理建模仿真技术，最终构造内外真实的虚拟物体、虚拟环境、虚拟人、虚拟社会、虚拟世界、虚拟宇宙，并建立人、真实世界和虚拟世界之间的无缝融合和自由交互。”