丁刚毅 李鹏 黄天羽 陈宇婷

摘  要：针对北京2022冬奥会、冬残奥会开闭幕式筹备需求，在国家重点研发计划“科技冬奥”专项项目研发计划等资助下，北京理工大学数字表演与仿真技术团队突破了大规模活动组织管控系统的仿真难题，完成了北京2022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等关键技术攻关，为在世界舞台上的精彩表演提供了高效可靠的技术支撑。

关键词：仿真技术;大规模活动;集群渲染

中图分类号：G86;TP-9 文献标识码：A DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2022.05.03

大规模活动的组织举行既是传播中华文明、展示中国形象的主要平台，也是展现国家综合国力的重要窗口。据统计，我国万人级大规模活动每年600～800次，活动的组织、人力、指挥、保障等是世界各国都存在的难题。大规模活动组织实施一般要经历策划创意、编排实施、彩排演练、正式运行4个阶段，该过程简称为“创编排演”。经调研发现，近20年来全世界奥运开幕式创编排演的制作成本为2亿～8亿人民币，耗时2～3年，参加人员5万～10万，大多都采用传统工作方式。传统创编排演流程存在着成本高、效率低、风险大、安全差的问题，技术手段面临着“创意实施拙、过程认知盲、核心平台缺”三大痛点。

北京理工大学数字表演与仿真技术团队在“科技冬奥”专项项目研发计划的支持下，研发了“北京2022冬奥会、冬残奥会开闭幕式仿真系统”，搭建了基于国产硬件的“超大分辨率、超高帧率应急渲染集群”，提高了创编排演4个阶段的高效性和智能性，在服务北京冬奥会的同时有力推动了大规模活动仿真技术体系的发展。

一、数字化训练彩排方案生成系统

数字化训练彩排方案生成系统能根据导演创意自动生成排练方案（参见图1），输出排练点位图、动态推演、演员排练手册、合练手册等，生成大型表演训练彩排方案。在大型表演设计过程中构建基于平行仿真的表演创意与编排协同实施框架。整个创编排融合过程，遵循基于模型的系统工程经典“V”字形模型。基于平行仿真的表演创意与编排协同实施框架，构建训练彩排方案生成系统。该系统可以将创意文案、效果图、视频等创意素材拆解、细化、提取为创意数据。通过表演要素快速建模与系统计算，对创意数据进行评估校验。大规模群组行为编排技术可以将创意数据转化为群组路线规划与调度方案，智能化分解提炼形成个体化排练手册（参见图2），指导演员、仿生设备、道具等表演要素訓练，保证各要素在空间、时间上的一致性和准确性。

数字化训练彩排方案生成系统全面服务于北京2022冬奥会开闭幕式训练彩排。针对开幕式重要表演环节，优化生成表演和排练方案百余个，其中《立春》120个、《构建一朵雪花》19个、《雪花》42个（参见图3）、《致敬人民》25个以及其他表演及排练方案20个。针对闭幕式重要表演环节，生成演员排练素材3588份，优化生成表演方案《点亮》24个、《运动员入场》87个、《缅怀》33个、《熄火》15个（参见图4）以及其他表演方案14个。针对冬残奥会的开闭幕式主要仪式环节，测算国旗和会旗入场、运动员入场式、领导致辞等环节的备场、退场时间，规划人员场内运行流线，解决包括残疾人运动员入场与落座最优化方案仿真测算。系统使得排练效果更加真实，表演数据更加准确，演员排练更加高效。

图1 《雪花》导演在仿真系统上研讨创排方案（鸟巢）

图2  国家体育场根据动态点位图排练《折柳送别》表演

图3  开幕式《雪花》表演预演可视化

图4  闭幕式《熄火》表演预演可视化

二、基于虚拟现实/增强现实/混合现实的表演预演系统

基于虚拟现实/增强现实/混合现实的表演预演系统，以数据驱动方式对表演预演过程实施仿真推演和三维呈现，实现对表演环境和要素进行物理和行为建模;对表演内容进行可视化编排，并融合交互式预演技术，实现多窗口多机位同步渲染，同时支持多机位转播仿真。表演预演系统为导演、演员和转播团队提供了全新交互式表演预演方法，保证了从表演创意到现场演出的系统转化与有效实施。

表演预演系统全面服务于北京2022冬奥会开闭幕式筹备，针对仪式环节，对领导入场、致辞、会旗入场、传递国旗、宣誓、火炬传递、运动员入场等环节测算入场时间，系统规划人员流线，优化流程方案。集成灯光、机械、道具、舞美、音乐、视频、服装、演员、烟花、转播机位等要素，实现从热场到火炬传递全流程、全要素、全方位的内容可视化仿真（参见图5）。开幕式仿真系统迭代41版，制作美术资源11231个，粒子特效20种;闭幕式仿真系统迭代21版仿真要素10581个，实现特效12种;冬残奥开幕式仿真系统迭代14版，冬残奥闭幕式仿真系统迭代7版。表演预演系统使得排练效果更加真实，方案调整更加快速。

图5  冬残奥开幕式运动员入场仿真预演

三、集群渲染与视频映射关键技术

面向2022北京冬奥会闭幕式入场联排时间紧、任务重的需求，团队搭建了16K应急渲染集群，应用基于国产芯片架构的渲染流水线、协同集群计算、快速视频裁切等技术，自主研发渲染集群协同，解决50帧超高分辨率视频渲染难题，应急渲染集群包含管理节点1台、存储节点1台、GPU节点15台（60个图形节点）、国产CPU节点20台，支撑视频渲染效率达到5倍以上。2022年1月10日，应急渲染集群在北京国家体育场搭建完成并上线运行。

截至2022年3月13日冬残奥会闭幕式结束，应急渲染集群运行时间1512小时，共完成渲染任务105项，共计渲染16K超高分辨率素材472428帧。其中，包含3DMAX任务33项，MAYA任务11项，AE任务56项，Houdini任务5项，各项任务中最长用时19小时9分钟，最短用时13分钟，平均用时2小时53分钟。

针对非标准分辨率、空间结构、运动轨迹的LED屏幕视频映射问题，团队引入了帧内-帧间映射的视频播放映射技术。团队为鸟巢国家体育场地面LED屏幕16K高帧率视频制作技术规范、撰写《视频播控技术手册》，服务近百名视觉设计和视频制作师。针对异形结构视频映射问题，团队突破了非标准空间视频映射和播控问题，研发计算系统和视频制作手册，解决了开幕式发光五环异形视频映射问题。针对16K超大分辨率50帧率视频的播放问题，团队研发了基于H265编码的快速视频裁切渲染系统，使得单机视频裁切上屏效率提升了10倍以上，为冬奥会、冬残奥會意大利米兰8分钟表演视频上屏提供了高效的技术服务。

四、转播仿真关键技术

转播仿真关键技术对全型号摄像机进行物理建模，可在仿真系统上设定机位方案、转播方案，以预演为视觉内容，输出多套转播方案和预案，为国际奥林匹克转播公司提供拍摄和转播技术方案。

针对冬残奥会开闭幕式的转播需求，团队模拟转播机位23个，辅助《会徽展示》等环节转播方案构建，团队反复验证转播效果，辅助优化转播方案，为演练、演出的高效、准确、精彩转播提供技术支撑。

五、表演机器人控制技术

根据2022北京冬残奥会开闭幕式表演创意要求，团队定制研发了表演机器人和运行轨迹控制技术。该机器人可模拟特殊装置运行轨迹，精准控制路线、速度、跨越障碍物等。为解决国家体育场内LED地屏缝隙大、表面较光滑、高低差明显、电磁干扰大等问题，团队对表演冰壶机器人进行软硬件一体化系统架构设计，集成研发履带式小型机器人，并对其行进、控制、通信及外观设计等进行技术攻关，突破了基于计算机视觉的冰壶运动轨迹检测算法、多频段可靠通信技术、实现了冰壶机器人在冬残奥开幕式彩排开场倒计时环节及冬奥会闭幕式熄火部分表演的准确轨迹及变速旋转姿态行进表演。

基于以上5个方面，团队实现了从组织策划到应用实施的全流程技术支持，为仪式活动提供了创意质量、速度、数量、可行性的保障，为排演视频文件提供了制作及时、优化完善的保障，为2022冬奥会、冬残奥会开闭幕式视频画面精彩呈现提供了技术支撑。北京理工大学数字表演与仿真技术团队自主研制的大型表演智能化仿真体系及一体化平台，开创了我国大型活动的一体化、智能化、服务化应用创新，填补了国际上相关技术空白，使我国大规模活动仿真技术达到国际领先水平。