本届冬奥会已经接近尾声。赛场之上,运动员留下了鲜明的印记,荣耀或是遗憾,拼过即为最美;赛场内外,为保障本届冬奥会顺利举行而特设的众多科技产品,也引起了中外媒体、网民的广泛热议。
客观来说,相较于夏季奥运会,冬奥会对科技的要求更加严苛。因为所有项目都在冰雪之上进行,如果使用天然雪道,不光雪量无法保证,而且一旦突降大雪,反而会阻碍运动员视线,影响赛事;天然冰面也一样,难以保证冰面平整度。
升起的奥运五环。/央视
这就需要人工造雪和制冰,这个过程中涉及一系列科研攻关,而整个冬奥涉及的科技突破,远远不只造雪和制冰。冬奥会这场体育盛会,见证了中国科技力量的崛起。
从“黄河之水”,
看屏幕技术的质变
北京冬奥会开幕式上,最让人印象深刻的场景,想必是“黄河之水天上来,冰立方上雕五环”。这当然不是真的用激光雕刻出了五环,而是用超高清LED屏营造出裸眼3D视效。
黄河之水天上来。/央视
只不过,五环和冰立方是不同的LED屏,在看台上的激光投射到冰立方时,五环开始逐渐上升,而冰立方一边下降一边播放出冰渣四溅的情景,营造了“五环从冰立方中雕刻而出”的震撼效果。
开幕式上LED屏的应用不只这个场景。还记得那朵直径14.89米的巨型“雪花”吗?这是本届冬奥会的主火炬台,也是目前行业内发光面最窄的单像素可控异形显示产品。
它采用双面镂空设计,55万多颗LED灯珠,每一颗灯珠都由驱动芯片的单一信道独立控制,充分呈现了雪花的线条感和细腻的画面效果。
打造出这朵雪花的企业,曾在2019年国庆70周年庆典上,利用3290块光影屏呈现“大国崛起”历程,还曾深度参与里约奥运会、东京奥运会,将中国科技力量延伸到国境之外。
北京冬奥会开幕式上,既有中国科技力量的展示,也有中外科技合作的结晶。那面整体面积为10393平方米的超级地屏,显示精度达到8K级别,这是中国智造。
当演员和地屏中的艺术形象进行互动时,运用到了英特尔的技术。英特尔使用 AI 算法开发出人体检测AI模型,上百名演员都可被精准识别到;然后使用多相机标定结果,对他们的真实位置信息,进行实时输出。
总导演张艺谋对开幕式上的黑科技大加赞赏:“我不想把科技定义成艺术的辅助者,它越来越多地成为了艺术的重要组成部分。就像冬奥会开幕式中的人与‘湖面’‘雪花’的互动,这种流畅的效果不是仅靠反复排练就能达到的,创新技术帮我们实现了创意,它让艺术发挥更大魅力。”
二氧化碳居然能制冰,
你的确没听错
本届冬奥会作为人类历史上的第一届“零碳冬奥会”,这其中很大程度要归功于“二氧化碳跨临界直冷制冰技术”。这种技术在国家速滑馆“冰丝带”得到了全球范围内的首次应用。
上一届冬奥会,也就是2018平昌冬奥会,使用的制冰剂是R-404A,但这种制冰剂中含有氟,泄漏到大气中会直接破坏臭氧层。而且,它让全球变暖的潜能值是二氧化碳的4000倍,换句话说,相对于二氧化碳,它的温室加速效应能力强多了。
对于北京冬奥使用二氧化碳制冰,国际奥委会制冰工程顾问亚瑟·苏瑟兰德给与了高度肯定。他说:“相较于传统制冰剂,二氧化碳是一个非常高效率的热转换制冰剂,它本身无毒无害。同时,二氧化碳制冰剂的热恢复能力潜质非常大,可以将整个冰场的热从一个地方传导到另外一个地方,从而使得整个冰场各个区域温度平均,(能高效保证冰面平整度)也有利于运动员的发挥。”
据了解,北京冬奥会的15块冰场中,有7块采用低碳的二氧化碳跨临界直冷制冰技术,相当于减少了近3900辆汽车的二氧化碳年排放量。
本届冬奥不仅在制冰技术上有重大突破,在造雪领域也有突出进步。按照国际冰雪运动惯例,高山滑雪赛道必须为“冰状雪”。所谓冰状雪,是指滑雪场的雪质形态,其表面有一层薄的硬冰壳,用于减小赛道表面对于滑雪板的摩擦力。
一条合格的冰状雪道,要经历反复地铺雪、压实、注水结冰的步骤。整个造雪过程看似简单,只需要铺雪、注水就行,但不同的地区气候不同,铺多厚的雪、隔多久注水、注多少水等都无可参照的具体参数。为此,中国科研团队常常要在零下20摄氏度的环境中工作十几个小时来反复观测、试验。
造雪,只能靠自己。/央视网
经过4年时间的打磨,团队建立了北京延庆、张家口赛区制造冰状雪的属地参数,从机理上摸清了优质雪道的雪质要求,成功制造出适应大陆性季风气候特点的合格冰状雪。并且冰状雪赛道专业检测的设备——冰雪硬度测量仪和冰雪粒径测量仪等也实现了国产化。
良好的场地条件是运动员发挥出优异成绩的重要基础,谷爱凌的1620度转体、任子威代表中国首次拿下短道速滑男子1000米金牌,这些精彩的夺金时刻,都离不开科研团队的日夜攻关。
云转播给你想要的视角,
高速摄影定格每一帧精彩
我们能在屏幕前多角度直击冬奥会比赛现场,这离不开云转播技术。
这是奥运史上首届实现云转播的体育盛会,在过去,我们只能依赖卫星转播。传统的卫星转播带宽低,而云转播的带宽则能高出一个量级,从Mbps/s提高到Gbps/s,在某些极端的情况下能扩容到TB级别,这相当于在一秒内传输完500部高清电影。
云转播能实现4K乃至8K内容的即时传播,极大程度降低了时延,提高了清晰度。更重要的是,云转播能实现“高自由视角观赛”。当然这有一个基础,那就是现场需要布设几十台乃至上百台高清摄像设备。
自由观看视角。/央视
但光有足够的摄像头还不够,冰上运动往往速度很快,前一秒和后一秒的画面内容会有显著差异。比如谷爱凌的1620度转体,总共也就是一秒多钟的事情。如果在这个过程中切换镜头,势必会造成画面不连贯。
要想解决这个问题,得先把这些摄像机信号统一到同一个后台,接下来的信号处理过程中就要用到人工智能和机器学习。也就是说,在你切换视角(镜头)的过程中,算法需要自动“脑补”出因镜头切换而中断的镜头,使得画面内容更加连贯。
云转播还能还原出“子弹时间”,就如同《黑客帝国》中尼奥闪避子弹的360度镜头一样,这当然离不开高速摄影技术的应用。
本届冬奥会特别配备了“飞猫”系统和“猎豹”系统,飞猫系统由40台4K超高清摄影机阵列加上3台8KVR摄像头组成,能全视角追踪比赛画面,想要犯规,门都没有。
而“猎豹”系统的摄像头具有高速运动性,其配备了高速运动滑轨,时速可达90公里,能在追踪运动员实时位置的同时,精准捕捉其肢体动作和细微表情。
有了这些科技产品的见证,运动员的精彩瞬间就能传播到世界各地,那阵阵掌声就是对他们努力的最好回报。
你看到的速度与激情,
背后是航天级别的安全保障
冰雪运动的速度、场地的高落差、冰刀的锋利,这些都有可能对远动员造成潜在危险。因此,运动员的“战袍”和头盔必然需要特殊材质,才能对他们进行全方位的保护。
谷爱凌的头盔看似普通,但其重量只有700g,而且具有超高的抗冲击变形能力,这背后就用到了航天科技中的材料和设计技术。
谷爱凌的头盔,高强度材料制成。/央视
作为冬奥赛场上速度与激情的象征,短道速滑运动员的时速往往能达到50公里以上,顶尖运动员的时速能超过70公里。而冰刀锋利,一旦运动员发生碰撞,后果不堪设想。这就对运动员的服装提出了很高的防护要求。
设计中国短道速滑队战袍的团队表示:“在短道速滑比赛服上,我们要考虑肌肉压缩、服装减阻等功能,整体使用新型的高弹防切割面料,由单向防切割升级为双向,在保持弹性的基础上,防切割性能提高了20%-30%,给运动员提供了全方位的防护。”
在高山冰雪项目中,运动员的时速更高,能达到130公里以上,比高速公路上疾驰的汽车还快。在这种状态下,运动员还要穿越旗门、完成比赛规定动作,肩部、大腿、肋下的软组织极易受伤。
因此,服装设计团队又针对性设计出了不同于短道速滑队的战袍,他们采用了新型柱状阵列式抗冲击结构和新型吸能缓震材料,研发出垫片、护片、背夹等护具,减少运动员穿越旗门时遭受的抽打伤害,以保护运动员。
设计团队表示:“10%的减阻性能,在高水平赛事中给运动员带来的帮助,或许就是决定性的。而为了实现这10%,需要付出的则是100%的心血。”
AI辅助+风洞训练,
金牌背后不只是汗水,还有智慧
台上三分钟,台下不止十年功,还有高科技手段的加持。
这其中最特别的就是风洞训练,以往风洞试验用于飞机试飞和导弹试射中。将这种方式用在冰雪运动上,可以让运动员实时知晓每个姿态下的精确阻力值,不断训练形成肌肉记忆。
航天科技集团十一院三所研究员、体育综合训练风洞专家团队成员李玉秋表示:“我们的目的就是给运动员找到最佳的运动姿态,产生最小的阻力,以提高他的速度。”
这次北京冬奥会运动员使用的体育风洞于2020年建成,风洞口径宽2.5米、高3米,测试段长度8米,设计风速151.2公里/小时,风速相当于14级的强台风。
当然,这个风洞也并不是光吹风就完事了,风洞周围布设了传感器,不断收集运动员的相关数据,还会在地屏上显示出这些参数,供运动员和教练参考,以不断调整到最优状态。
除了风洞训练之外,国家队还借助AI技术辅助训练。这套系统被称为“多模态生物力学快速反馈系统”。
该系统运用AI无干扰三维动作捕捉、超宽带精准定位测试、北斗导航、高速运动自动跟拍机器人、无人机摄影等多项技术,对运动员的助滑、起跳、飞行和落地的姿态进行系统分析,精确测算起跳高度等指标,为教练和运动员调整训练方案提供科学数据支撑。
努力和汗水,再加上科学的智慧,成为了运动员披荆斩棘的最优解。
赛场之外的后勤保障,
也充满了科技之光
本届冬奥在赛场之外的后勤支持上,也充满了科技的力量。
就连一个小小的胸牌,都科技感满满。志愿者佩戴的胸牌,内部搭载的人工智能算法,可对胸牌的图文内容组合编辑,不仅用户可以随心设置胸牌,数字胸牌还搭载了近距离无线通讯技术,从制卡到拿卡仅需要10秒,还能回收重复使用。
运动员睡的床,是一种智能床,美国雪橇运动员萨默·布里彻还专门拍了视频向粉丝分享。
她在视频中展示了智能床的“零重力模式”,非常舒服。这种模式可以将头部和脚抬高到合适角度,将身体压力均匀分散,有效减轻脊椎压力。
它不仅可以用遥控器调节高低角度,还能自动调节。如果运动员睡觉的时候姿势不对,出现打鼾,智能床可以自动调节床头高度,为运动员提供更舒适的睡眠体验。运动员还可以通过App设置闹钟,控制智能床的定时起降叫醒自己。
另外,本届冬奥的机器人餐厅也是社交媒体热议的焦点。炒菜、煮煲仔饭、煎牛排、做热狗,不论中餐西餐,机器人大厨都能搞定,而且做完还能通过滑轨吊篮送到你面前。
如果想来点饮品的话,智慧餐厅中还有大白机器人,4分钟就能做好一杯“手冲咖啡”。或者请智能调酒机器人为你调制鸡尾酒,时间只需3-5分钟,调出来的酒既好喝又好看。
本届冬奥会虽然接近尾声,但冬奥会带来的黑科技还将持续造福于我们。未来,“三亿人上冰雪”成为潮流,我们每个人都将有机会近距离感受这些科技带来的温度。
参考资料:
[1]谷爱凌的头盔、时空定格术,冬奥会竟暗藏这么多黑科技|智东西
[2]这届冬奥的「黑科技」,到底有多优秀|知乎日报
[3]冬奥背后那些「黑科技」公司,赚足了 VC/PE 的钱|极客公园
[4]张艺谋点赞冬奥开幕式“黑科技”:科技已不再是艺术的辅助者|DeepTech深科技
[5]防冰刀割伤!冬奥“战衣”用到哪些黑科技|科技日报
[6]一起来数冬奥“黑科技”|鲨鱼公园STEAM科学厦门中心
[7]从冬奥看中国科技(二):造雪突围进行时|钛媒体
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