精彩“8分鐘”背后的精彩
——走近北理工虛擬仿真團(tuán)隊
發(fā)布日期：2018-04-30 供稿：《科學(xué)新聞》雜志 唐琳 黨委宣傳部 王朝陽 王征 攝影：計算機學(xué)院
編輯：王朝陽 審核：藺偉 閱讀次數(shù)：
2018年2月25日晚，第23屆冬季奧林匹克運動會在韓國平昌落下帷幕。按照慣例，奧運會閉幕式上會為下一屆奧運主辦城市預(yù)留出8分鐘的表演展示時間。
作為2022年冬奧會的主辦城市，北京此次帶來了一場名為“2022，相約北京”的視覺盛宴：不僅綜合運用了輪滑演員、地面投影、動態(tài)視頻和玩偶等表演元素，還首次使用了24個隱形機器人參與表演，以此展現(xiàn)出冰雪運動和中國文化的特點，完美地詮釋了2022年北京冬奧會的“人文奧運”和“科技奧運”精神。
人們?yōu)椤氨本?分鐘”的精彩絕倫拍手叫好，但卻不知道，這8分鐘的成功，是一群人努力的結(jié)果。其中，有一支來自北京理工大學(xué)的科技團(tuán)隊，他們憑借源于軍工品質(zhì)的過硬技術(shù)，推動學(xué)科深度交叉融合，用數(shù)不清的8分鐘攻堅克難、自主創(chuàng)新，最終成功為“北京8分鐘”保駕護(hù)航。他們就是北理工虛擬仿真團(tuán)隊。
“8分鐘”的背后
丁剛毅團(tuán)隊與總導(dǎo)演張藝謀合影
2017年6月，基于北理工多年來服務(wù)國家重大活動的經(jīng)驗和技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合表演任務(wù)的特點，北京冬奧組委會找到了北理工丁剛毅教授領(lǐng)銜的虛擬仿真團(tuán)隊，希望其能夠聯(lián)合北京電影學(xué)院，為北京在2018年冬奧會閉幕式上的表演提供技術(shù)支持與保障。
這次表演任務(wù)的意義可謂深遠(yuǎn)而重大：它既是向世人展示無與倫比的新時代中國風(fēng)采，又代表著北京正式發(fā)出相約2022年的邀請函，標(biāo)志著冬奧會進(jìn)入北京周期。
因此，接到任務(wù)后的北理工團(tuán)隊不敢有絲毫懈怠，認(rèn)真準(zhǔn)備，在半年時間內(nèi)不斷細(xì)化預(yù)演系統(tǒng)的功能需求，力求完美演繹總導(dǎo)演及其團(tuán)隊的作品創(chuàng)意。尤其是自去年12月以來，技術(shù)團(tuán)隊更是克服嚴(yán)寒困難，連續(xù)2個多月堅持在室外低溫作業(yè)，協(xié)助導(dǎo)演組完成排演訓(xùn)練方案設(shè)計與實施工作。
針對“北京8分鐘”參演要素多、創(chuàng)意過程復(fù)雜、排練關(guān)聯(lián)度高等特點，北理工虛擬仿真團(tuán)隊利用影視虛擬制作技術(shù)和數(shù)字表演與仿真技術(shù)，自主研發(fā)了兩套全新的系統(tǒng)：文藝表演預(yù)演系統(tǒng)以及訓(xùn)練彩排與數(shù)字驗證系統(tǒng)。
張藝謀總導(dǎo)演使用北理工研發(fā)的文藝表演預(yù)演系統(tǒng)進(jìn)行講解
“其中，文藝表演預(yù)演系統(tǒng)以可視化的界面和圖紙、視頻等多種數(shù)據(jù)輸出載體，將各種待選表演方案的真實效果進(jìn)行呈現(xiàn)，幫助導(dǎo)演把控、決策及完善表演方案，從而確定最終方案。”丁剛毅教授介紹說。
“北京8分鐘”的演員運用訓(xùn)練彩排與數(shù)字驗證系統(tǒng)學(xué)習(xí)滑行路線
而訓(xùn)練彩排與數(shù)字驗證系統(tǒng)則可將創(chuàng)意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為執(zhí)行數(shù)據(jù)，指導(dǎo)表演要素進(jìn)行排練，并保證數(shù)據(jù)在時間、空間上的一致性與準(zhǔn)確性。同時，它還能將執(zhí)行中修改的執(zhí)行數(shù)據(jù)在表演要素中同步，幫助導(dǎo)演實時觀察演員和道具的隊形狀態(tài)以及演員的姿態(tài)，以便指導(dǎo)后續(xù)節(jié)目的編排；演員也能迅速直觀地了解自身與理想運動軌跡之間的偏差并及時糾正，得以實時、快速地熟悉表演方案。
由于這兩套系統(tǒng)能夠根據(jù)表演創(chuàng)意方案，將整場文藝表演的過程全部仿真，較好地保證了前期創(chuàng)意設(shè)計與現(xiàn)場排練工作的順利進(jìn)行，因而得到了導(dǎo)演組和參演團(tuán)隊的一致好評。
從觀眾的角度而言，在此次“北京8分鐘”的表演中，最讓人印象深刻的還要數(shù)兩只萌萌的“大熊貓”了。事實上，它們的背后同樣有這支全能團(tuán)隊的技術(shù)支持。
虛擬仿真團(tuán)隊以北理工自主研發(fā)的雙目增強現(xiàn)實智能眼鏡為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地對此次表演中的大熊貓道具進(jìn)行了“視覺改造”：為大熊貓道具的外掛攝像頭加裝云臺，并將其與內(nèi)部演員的智能眼鏡相結(jié)合，從而使演員在道具內(nèi)部也能無差別地觀測到外部環(huán)境。
排演現(xiàn)場的倒計時小程序
北理工團(tuán)隊還承擔(dān)了整個表演的數(shù)秒倒計時任務(wù)，確保排練過程中各項設(shè)備的時間統(tǒng)一；同時，團(tuán)隊還“略施小計”，開發(fā)了赴平昌倒計時專用小工具，以此鼓勵整個表演團(tuán)隊，并營造一個積極向上的排練氛圍。值得一提的是，這個小程序還設(shè)置了“每日之星”功能——系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)研判，可自動提取前一天表現(xiàn)最佳的演員予以展示。
8分鐘，從2008走來
“數(shù)字表演仿真技術(shù)其實是由北京奧運會帶動起來的。” 團(tuán)隊成員李鵬老師介紹道。
2006年，當(dāng)北京奧運會開閉幕式籌備工作全面啟動之際，導(dǎo)演組便找到了丁剛毅，希望北理工能夠發(fā)揮科研優(yōu)勢，為奧運輔助編排工作進(jìn)行技術(shù)上的準(zhǔn)備。能得到這份信任,丁剛毅非常自豪，但他也清楚地認(rèn)識到當(dāng)時研發(fā)團(tuán)隊的不足：“那時我們的原型系統(tǒng)只能勉強滿足奧運表演需求的30％，萬人級別的人群渲染還不成熟。”
面向劇場和十運會的幾十人、幾百人的動態(tài)模擬系統(tǒng)在北京奧運會導(dǎo)演團(tuán)隊千人、萬人級別的宏大藝術(shù)構(gòu)想下顯得有些捉襟見肘，“這意味著模擬仿真系統(tǒng)需要大規(guī)模的升級，這在當(dāng)時無疑是非常艱巨的任務(wù)。”為了在技術(shù)上盡快達(dá)標(biāo)，他們升級了系統(tǒng)引擎和硬件系統(tǒng)，彌補原始大型仿真系統(tǒng)在大規(guī)模人群渲染上的不足。除此之外，他們還與導(dǎo)演組一起，讓仿真系統(tǒng)在奧運會的排演設(shè)計中“唱主角”。在往屆奧運會中，由于場面相對簡單，多采用動畫手段進(jìn)行模擬處理，還原現(xiàn)實場景，仿真編排往往是處于一個輔助的地位，而北京奧運會“要滿足萬人級別的人群動態(tài)模擬，必須借助數(shù)字模擬仿真系統(tǒng)”。擺在丁剛毅面前的難題又多了一個——技術(shù)和操作上往屆奧運會并沒有可循之道，“等于是在摸著石頭過河”。
除了技術(shù)上需要盡快實現(xiàn)突破，讓丁剛毅感到壓力的還有業(yè)內(nèi)的競爭，“在人群仿真領(lǐng)域，國內(nèi)還有五、六家單位擁有自己獨立的系統(tǒng)，他們也在為奧運做技術(shù)上的準(zhǔn)備。”這些潛在的競爭對手讓北理工團(tuán)隊的擔(dān)子又重了一些。
2007年4月，一些已經(jīng)確定下來的開幕式節(jié)目在北京周邊開始封閉式訓(xùn)練，丁剛毅帶領(lǐng)團(tuán)隊隨行提供技術(shù)支持。隨著訓(xùn)練的逐步深入，一些排演中的實際問題也漸漸暴露出來。“當(dāng)時導(dǎo)演團(tuán)隊分為高臺導(dǎo)演和現(xiàn)場導(dǎo)演，高臺導(dǎo)演總攬全局，負(fù)責(zé)整體上的指揮，現(xiàn)場導(dǎo)演則分插到演員中間，進(jìn)行細(xì)節(jié)上的指導(dǎo)。現(xiàn)場導(dǎo)演由于置身于人群之中，缺乏整體感，無法準(zhǔn)確地理解高臺導(dǎo)演的意圖，排練效率不高。”團(tuán)隊成員張龍飛老師介紹道。
此時，北理工的技術(shù)優(yōu)勢和軍工作風(fēng)顯露出來，團(tuán)隊結(jié)合排演中的實際問題，迅速研發(fā)了一套智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過組建無線局域網(wǎng)系統(tǒng)和監(jiān)控攝像系統(tǒng)的全角度拍攝，完成導(dǎo)演們的同步交互指揮。現(xiàn)場導(dǎo)演們通過平板電腦，直接接收來自高臺的全景圖，并可以對地圖的任意一點進(jìn)行實時縮放、拉伸，“如此一來，現(xiàn)場導(dǎo)演有了全局概念，更容易貫徹高臺導(dǎo)演的指令。”正是這個看似不起眼，但卻很實用的監(jiān)控攝像系統(tǒng)，讓團(tuán)隊得到了導(dǎo)演組的初步認(rèn)可，獲得了一個不錯的印象分。
2007年8月24日，北京理工大學(xué)組織技術(shù)項目的匯報與研討，為了驗證這套系統(tǒng)的精確性與實用性，團(tuán)隊特意對雅典奧運會的開幕式進(jìn)行了模擬仿真，用數(shù)字模型還原雅典現(xiàn)場。“當(dāng)時開閉幕式工作部張和平部長、張藝謀總導(dǎo)演、陳維亞副總導(dǎo)演、張繼鋼副總導(dǎo)演聽取了報告。沒想到會如此順利，我們演示了30分鐘，匯報了10分鐘，導(dǎo)演組便一致通過了，9月18日奧組委便下達(dá)了任務(wù)書。”從此，北理工團(tuán)隊正式擔(dān)負(fù)起了奧運開閉幕式仿真模擬工作的重任。
2008年北京奧運會開幕式上，“文字”“太極”“星光”和人體“鳥巢”等亮點節(jié)目成功的背后，都有北理工團(tuán)隊的努力與汗水。正是以北京奧運會為起點，從2008到2018，丁剛毅帶著最初用于軍事戰(zhàn)場仿真的“黑科技”，走向國家重大活動，走向國際化，在更加寬廣的舞臺上，演繹款款精彩。
8年聚力 錘煉硬功
一場完美演出的背后，一定有一支杰出的導(dǎo)演及技術(shù)團(tuán)隊的默默付出；而一支優(yōu)秀技術(shù)團(tuán)隊的身后，也一定有自己不同凡響的故事。
正所謂“臺上8分鐘，臺下8年功”。2010年，北京市教育委員會聯(lián)合北京市科學(xué)技術(shù)委員會，聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于增補北京地區(qū)普通高等學(xué)校北京市重點實驗室的通知》，數(shù)字表演與仿真技術(shù)北京市重點實驗室獲批立項，這對團(tuán)隊來說是一座發(fā)展建設(shè)史上的里程碑。
提到數(shù)字表演與仿真技術(shù)，很多人依舊感到陌生。這項技術(shù)是軟件工程、光學(xué)工程、計算機科學(xué)等工程科學(xué)和藝術(shù)學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)等人文學(xué)科的交匯點，可謂是一個發(fā)展中的全新交叉學(xué)科。
“近年來，國家格外重視發(fā)展文化產(chǎn)業(yè)和科技產(chǎn)業(yè)，學(xué)校也高度重視推動新型學(xué)科交叉發(fā)展，我們積累的技術(shù)和經(jīng)驗大有可為。”丁剛毅帶領(lǐng)實驗室以數(shù)字表演與仿真技術(shù)為主要研究方向，以面向未來文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的重要科學(xué)問題為牽引，針對數(shù)字表演與仿真交叉學(xué)科方向自身特點，瞄準(zhǔn)國際發(fā)展前沿，探索數(shù)字表演、智能創(chuàng)意的新概念、新理論、新方法和新技術(shù)，廣泛開展國際學(xué)術(shù)交流，加強交叉學(xué)科建設(shè)，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，構(gòu)建一流學(xué)術(shù)隊伍，致力于為北京社會經(jīng)濟發(fā)展和文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)建設(shè)作出更多突出貢獻(xiàn)。
在8年的發(fā)展過程中，實驗室可謂碩果累累：擁有完整的數(shù)字表演理論體系與先進(jìn)的技術(shù)支撐平臺，在數(shù)字媒體、演藝科技、人群仿真等領(lǐng)域特色優(yōu)勢顯著；取得了包括論文、專利、獎勵等多項成果，培養(yǎng)了大批新型復(fù)合型人才；成立了與中央電視臺、中央歌劇院的協(xié)同創(chuàng)新實驗室，對我國文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的支撐促進(jìn)作用。
正是有了重點實驗室平臺的支持，虛擬仿真團(tuán)隊厚積薄發(fā)，技術(shù)實力不斷增長，陸續(xù)承擔(dān)了多項國家大型活動的數(shù)字仿真系統(tǒng)的研發(fā)，用北理工人扎實的技術(shù)實力為國家盛典保駕護(hù)航。
北京奧運會后，團(tuán)隊承擔(dān)了包括“國慶60周年群眾游行仿真設(shè)計、訓(xùn)練與指揮系統(tǒng)”“國慶60周年聯(lián)歡晚會數(shù)字仿真系統(tǒng)”“國家科技支撐計劃——舞美設(shè)計與布景彩排關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)”“抗戰(zhàn)70周年紀(jì)念大會觀禮人員服務(wù)管理系統(tǒng)研發(fā)和服務(wù)”以及“抗戰(zhàn)70周年紀(jì)念大會氣球施放設(shè)計和控制仿真系統(tǒng)”等在內(nèi)的一系列重大項目和任務(wù)，并連續(xù)9年科技助力春晚。
北理工為抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵活動提供技術(shù)保障
這其中，讓團(tuán)隊記憶猶新的一場“硬仗”，當(dāng)屬2015年為抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵活動提供技術(shù)保障，團(tuán)隊成員李立杰把它比喻成“一場速度與智力的比拼”。此次閱兵活動中，由于觀禮人群規(guī)模較大，如何使人群安全有序的集結(jié)與疏散，是影響閱兵活動成敗的關(guān)鍵因素之一。因此，團(tuán)隊要開發(fā)出一套全新的觀眾人員信息管理和坐席安排分配系統(tǒng)，實現(xiàn)對觀禮人群的科學(xué)合理布局。但是，前所未有的挑戰(zhàn)也擺在了團(tuán)隊面前，由于保密要求，留給團(tuán)隊4名師生的開發(fā)時間僅有1個月，并且要進(jìn)行無網(wǎng)化封閉式開發(fā)，這意味著代碼要從“0字符”寫起，北理工人的“硬功夫”，經(jīng)受住了考驗。
“我們每天都會熬夜，通宵也成了工作的常態(tài)。原來的工作模式是各部委用近一個月的時間碰頭，把人員進(jìn)行上報、篩查、歸檔直至確認(rèn)，我們的系統(tǒng)試運行后，僅用1天時間就完成了對4萬觀禮人員信息的去重和坐席分配，極大節(jié)約了時間和人力成本。”李立杰回憶起當(dāng)時的情景，感慨而自豪。經(jīng)此一戰(zhàn)，北理工團(tuán)隊的高效和水平，獲得了各方認(rèn)可，“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗”也成為了北理工人閃亮的標(biāo)簽。
2022年，北京將舉行冬奧會，北京也將成為歷史上第一個既舉辦夏奧會又舉辦冬奧會的城市，北理工將接續(xù)奮進(jìn)，瞄準(zhǔn)世界科技前沿、服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，書寫“奧運有我”的輝煌。在新時代，北理工人將把初心和使命，化作頻傳的捷報，成為建設(shè)中國特色世界一流大學(xué)最堅實的基石。
（本文素材來源于《科學(xué)新聞》雜志、人民日報、光明日報、電腦報等，由黨委宣傳部整理、補充采訪而成。）
