2月4日晚，第二十四届冬季奥林匹克运动会开幕式在北京国家体育场举行，开幕式上绚烂多彩的地面光影、冰立方“雕刻”成的冰五环、璀璨闪耀的雪花形主火炬台、“迎客松”等烟花闪耀...再次成为世界“焦点”。
这些炫酷、新奇有创意的效果，是如何实现的？一起来看冬奥会开幕式上都有哪些“黑科技”？
“虚拟鸟巢”上演开幕式“元宇宙”
在北京冬奥会开幕式惊艳世界之前，它已经在北京理工大学数字表演与仿真技术北京市重点实验室研发的平台上，排演了无数遍。
在“虚拟开幕式”的“演出”中，观众席、灯带、主舞台和震撼人心的超大型LED屏幕，每一个要素都尽收眼底。
可以说，它是一个有关冬奥会开幕的投射，能实现表演全要素、全流程、全业务的集成与融合。它集成活动策划与智能创意系统、训练彩排方案生成系统、表演预演系统、装备协同控制系统和仿真转播关键技术，形成了新一代表演全流程技术解决方案。其实，先进的仿真技术，也是现在大热的“元宇宙”概念中的关键技术。
“虚拟开幕式”仿真图
在开场节目《立春》中，393名表演者手持绿色荧光长杆轻步入场，在场馆中央汇成同心圆，音乐变换，长杆律动，与地面大屏特效融为一体。由于涉及演员众多，站位、动作、挥杆角度皆不相同，长达9.5米的发光软杆不能有丝毫碰撞，使之成为开幕上最具难度的表演环节之一。北理工团队成员对每一位演员的动作效果逐一进行了仿真，为每一位表演者提供了“定制”表演手册，将节目细节一一标注清晰，对节目效果进行了上万次修改，协助导演决策及完善表演方案，确定最终方案。
此外，在本次冬奥开幕式上一块近一万平方米的“大地屏”惊艳世界。这块分辨率达到16K的地屏铺满了整个国家体育场中心区域，地屏与立屏联结一体配合开幕式演出呈现震撼的视觉效果，在地屏绚丽变化的背后却是“海量”的数据计算。对于高帧率16K的计算机图形动画生成任务必须采用高性能GPU和CPU服务器集群，仅三分钟的素材便50G左右。
北京理工大学和中央电视台自主研发了渲染集群管理软件，可以实现任务自动分配、结果自动通知上传等功能，集群渲染速度提高了30倍以上，该软件为节目修改的突发情况提供了应急保障。
冬奥会开幕式仿真系统以可视化的界面和图纸、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，让地屏的震撼展现到“极致”。
北京冬奥会开幕式仿真系统界面
世界最大的LED三维立体舞台
“数字科技+美学创新”是北京冬奥开幕式的视觉标签，11000㎡地面显示屏、1200㎡冰瀑布、600㎡冰立方、1000㎡鸟巢两侧看台屏组成了世界最大的LED三维立体舞台，用一场无与伦比的视听盛宴向世界大声讲出最浪漫的中国故事。
2022北京冬奥会开幕式地屏提供方、利亚德集团冬奥会开幕式项目经理王定芳介绍，此次，LED地屏显示面板加装抗眩光、抗摩尔纹、防滑雾化面罩，显示画面柔和，为摄像转播提供全焦段无杂波、无干扰的纯净视频显示画面。南北看台屏也达到了实时显示OBS的12G SDI 4K分辨率, 同时还能显示4K宣传短片，实时回传给OBS，与地屏等其他显示装置的信号做到了整体的完美配合。
开幕式鸟巢LED屏幕分布（利亚德设计绘制）
“会发光的舞台”
据了解，此次开幕式的舞台地面是目前全球最大的8K超高清地面显示系统，整体面积达10393平方米，采用多个8K+级分辨率的画面融合技术，超大规模的光学校正算法可对每个显示画面进行像素点级的光学校正，可呈现出100000:1超高对比度，3840Hz超高刷新率，以及29900x15096超高分辨率的超高清绚丽画面。
通过搭载京东方自主研发的超大规模显示模组控制与同步系统，还可实时捕捉演员行进轨迹，实现画面与演员的无缝互动。同时，在长达5个月的高强度排演及冬季零下30摄氏度的极端低温雨雪天气，地面显示系统依然能实现稳定运行，在开幕式当天向世界完美呈现梦幻逼真的科技之美。
行云流水般的舞台“转场”
只见飞流直下的“银河”瞬间凝结成巨大的冰立方；一朵朵雪花被置于“冰面”上，即刻又悄然幻化为奥林匹克五环冉冉升起.....令观众的感官如同穿梭起伏在水、冰、雪之间不断交融的奇幻场景之中。能够如此收放自如，其背后是来自航天科技的加持，保障冬奥会开幕式上的中国舞台像发射火箭一样安全、精准。
据了解，中国运载火箭技术研究院，作为中国航天科技集团有限公司冬奥专项工程的抓总单位，承担了冬奥会和冬残奥会开闭幕式舞台、空中设施、地面显示系统等多个项目的技术保障任务。来自北京经济技术开发区的创新企业北京长征天民高科技有限公司（简称“长征天民”），是火箭院所属北京航天发射技术研究所的全资公司。其总承的地面舞台系统要完成相关展示、视频播放等最重要的仪式性表演，满足不同场景使用需求。
据介绍，在鸟巢舞台上所呈现的从“银河”瞬间凝结成通体冰莹的冰立方，总重量约400吨，升降重量达180吨，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。长征天民研制团队在场地受限的情况下，通过精确控制电机驱动16条链条、16条钢丝绳组成的4套同步传动单元，让这块巨大的冰立方升降定位精度控制在±1mm。
当“冰面”上一朵朵的雪花即刻悄然幻化为奥林匹克五环冉冉升起，这行云流水般的转场，来源于地面中央升降台所采用的“先下沉、再平移、最后上升”的“小开合”方式。长征天民采取这种创新方式，能够减少大幅度动作所带来的突兀感，为艺术表演与流程仪式提供了流畅而平稳的舞台，配合整体演出塑造出宁静的唯美意境。
据了解，舞台机械控制系统的设计，加入了航天系统产品研发中采用的数字化仿真软硬件设备，开展控制算法的优化设计，并全面进行半实物仿真测试试验，把冬奥项目与航天人熟悉的质量管理体系进行创造性结合，从而在设计阶段识别并规避重大失误，提高整个系统的可靠性和安全性。相对一般火箭飞行试验前需要进行近百项地面试验，冬奥会舞台系统则进行了近千项地面测试。通过各种分系统与综合性试验，排除一切不可靠因素，做到现场表演“零失误”。
三大创新缔造“独一无二”的主火炬
北京冬奥会主火炬技术负责人、航天科技集团六院11所（京）事业部总工程师刘悦介绍，北京冬奥会主火炬的设计研发，最大的创新之处是微火设计、视频显示以及由复杂的姿态控制系统构成鸟巢上空的完整结构，这在百年奥运史上是独一无二的。
北京冬奥会将绿色能源——氢气作为燃料，微火设计可实现氢气消耗量每小时小于2立方米。
“从技术角度来说，微火的实现并不容易。”刘悦说，北京冬奥会主火炬须长时间燃烧，对环境适应性、稳燃性以及抗低温、火焰显色等方面均提出很高要求。而且，氢气的供给需要达到安全、稳定，刘悦团队将氢气供给系统设计为撬装结构，使储存、减压、输送、控制集成起来。“由于特定的使用场景突破了氢气使用规范的现有要求，最终，我们的撬装结构作为航天专有产品提供给了北京冬奥组委。”
火焰本身太小，如何使之壮观？创意团队给出设计，采用 “微火+视频显示”技术方案。刘悦表示，视频显示技术成熟，但是用在火炬的核心装置内，复杂的造型就需要大量采用“异形屏”技术，从设计到制造再到保证系统的可靠性都存在诸多挑战。“我们将结构高度集成并实现轻量化，结构变得不显眼，屏显做到轻薄，让大家只关注到唯美的火炬，感受主火炬晶莹剔透的效果。”
与以往火炬最大的不同还在于，北京冬奥会主火炬悬挂在鸟巢上空，宛如飘舞在空中的雪花托举着盛开的火焰，这对系统的高可靠性提出要求——保证各个环节万无一失！刘悦团队不光在结构的稳定性、承载力、空中姿态方面为主火炬找到最优方案，还在供电、信号、燃烧、机电、播控等方面都进行了冗余设计，确保主火炬在鸟巢上空美轮美奂地呈现。
“雪花”形主火炬台
开幕式上，最受瞩目的巨型“雪花”形主火炬台闪耀着晶莹剔透的光芒缓缓升空，伴随圣火点亮，将整个开幕式气氛推向高潮。
这一雪花形态主火炬台，其整体硬件支撑和软件系统，也都由京东方集团研发设计。
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，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。
烟花闪耀，璀璨夺目
2022冬奥会开幕式上，“立春spring”“迎客松”“冰立方”“漫天雪花”等烟花闪耀，璀璨夺目，惊艳世界。
据湖南的东信烟花集团烟花技术负责人刘勇章介绍，烟花原材料选用了业内最顶尖的焰火药剂，无重金属物质、低硫。烟花燃放的布点、角度、方位，则是根据多次科学测算、反复的燃放实验得出的最好方位数据来布置，才能产生大家看到的最终效果。
开幕式从10到1的烟花倒计时，为保证数字的完整和圆润度，每一发花束的位置，都由无数个点位组成。研究团队首先需要利用3D模拟等技术，根据以往的成功案例设计出初稿，再通过实验不断改进完善，确保烟花发射出去的分散程度、发射高度及发射偏斜度都达到最完美的状态。
迎客松的特效烟花则需要根据发射高度，编排设计好产品在空中爆炸的各个爆炸点，模拟出迎客松在空中完美成型的画面。再根据已编排好的精密数据，和画面在空中形成的样式，将产品在地面上摆放，不断试验精进，使产品燃放效果和电脑模拟效果达到1：1的程度。此外，迎客松特效烟花的布置点位，在鸟巢上的覆盖面达200米左右。但鸟巢顶上钢梁纵横交错，阻碍了其在地面燃放时的完整直线。针对这一难题，团队重新研发出了可转动、调节角度的卡具，使迎客松的在鸟巢钢梁上的布点形成基本的水平面，确保迎客松的完美成型。
“spring”的“春”，也来之不易。它的燃放效果总覆盖面达150-200米。发射装置的定型、药物效果的燃烧速度、发射垂直度以及亮珠新体效果结合熄灭整齐度，都会影响英文字母的最终呈现。据相关负责人介绍，每一管花束的高度、偏斜度，都要做到基本一致，亮珠要齐接火、齐收尾，发射垂直度要做到百分之九十九以上，才能减少北京冬天的大风和寒冷气候对燃放效果的影响。
冬奥服饰既时尚又保暖
开幕式上工作人员、志愿者和表演人员的服装既美观，其实也有保暖秘诀。
围绕北京2022年冬奥会的服装服饰所需，北京服装学院承担了“高性能多功能冬奥服装服饰研究开发”项目研发工作，其一就是为冬奥会的志愿者、工作人员研究开发轻质保暖舒适实用的高科技服装服饰产品原型。
为了寻找更好的又透气的保暖材料，科研人员不知比对了多少种材料，最终选出的材料，不仅保暖效果好，增强了微多孔结构，而且工艺更环保，成本也极大降低。
例如此次冬奥防寒被装，就运用了国内服装业的最新技术。
多功能服和防寒大衣的保暖絮片采用了蓄热保暖材料，保暖性能指标接近于羽绒，但更易打理，可以直接水洗，更适合制服行业应用。
而且多功能服和防寒大衣面料使用了微多孔高透膜，具有防水透湿，穿着体感舒适，无闷热感。
冬奥防寒靴的设计特点为防寒、防雪水、防滑。防寒体现在靴的衬里材料使用了絮片+绵羊毛皮组合结构，内垫使用了羊毛毛毡+绵羊毛皮组合结构，进一步提升保暖性能。