從冬奧看中國科技（一）：全民感謝的高速攝像機(jī)，有何玄機(jī)？

原標(biāo)題：從冬奧看中國科技（一）：全民感謝的高速攝像機(jī)，有何玄機(jī)？

2022北京冬奧會(huì)上，被全民感謝的，除了開幕式總導(dǎo)演“張emo”，就是4K高清攝像系統(tǒng)“獵豹”了。

尤其是在中國短道速滑運(yùn)動(dòng)員任子威贏得男子1000米金牌后，架設(shè)在國家速滑館“冰絲帶”內(nèi)的“獵豹”，被認(rèn)為是讓犯規(guī)行為無所遁形的大功臣。不過，打造了獵豹系統(tǒng)的央視很快出來辟謠了：

1.“獵豹”不是裁判系統(tǒng)，而是專門用于冬奧會(huì)速度滑冰賽事的轉(zhuǎn)播工作，也就是說專門給咱們廣大觀眾服務(wù)的。

2. 被網(wǎng)友調(diào)侃的“韓見愁”攝像機(jī)，捕捉到2月7日短道速滑男子1000米決賽中犯規(guī)動(dòng)作的，其實(shí)是位于首都體育館的“飛貓”系統(tǒng)，由40臺(tái)4K超高清攝影機(jī)陣列加上3臺(tái)8K VR攝像頭組成，除了用于轉(zhuǎn)播，還能輔助判罰。

3.真正為比賽判罰服務(wù)的裁判系統(tǒng)，是一套獨(dú)立架設(shè)在關(guān)鍵拍攝地點(diǎn)的專用攝像機(jī)，用以捕捉運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作，這套系統(tǒng)的畫面并不是我們在電視上看到的直播畫面。

被全民感謝的“獵豹”，雖然無關(guān)判罰結(jié)果，卻憑借高速靈活的身姿，實(shí)時(shí)捕捉到精彩畫面，助力北京冬奧會(huì)成為歷史上收視最高的一屆冬奧會(huì)。

前不久舉辦的北京冬奧會(huì)每日例行新聞發(fā)布會(huì)上，OBS首席執(zhí)行官伊阿尼斯·?？怂_科斯透露，2022北京冬奧會(huì)，是第一次在冬奧會(huì)上使用UHD和HDR技術(shù)，也就是超高清和高動(dòng)態(tài)范圍的4K技術(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)播和制作。在開賽第四天就已經(jīng)有了6000多小時(shí)的內(nèi)容，包括比賽本身，以及每場比賽后的運(yùn)動(dòng)員采訪，不同平臺(tái)的媒體報(bào)道等等，在冬奧會(huì)的轉(zhuǎn)播史上創(chuàng)造了新紀(jì)錄。

從這個(gè)角度來說，無論是“獵豹”，還是“飛貓”，都是非常值得感謝的。

不過，正如高速攝像機(jī)能捕捉到那些肉眼都看不見的事物，高度還原比賽瞬間的高速攝像系統(tǒng)，其實(shí)是一個(gè)大型綜合科技工程，背后也存在著大量鮮為人知的技術(shù)創(chuàng)新，今天我們就來聊聊，那些同樣值得感謝的幕后科技英雄。

高速攝像機(jī)下的冬奧之最

早在2021年，“獵豹“系統(tǒng)就已經(jīng)開始落地應(yīng)用，并獲得國際奧委會(huì)奧林匹克廣播服務(wù)公司（OBS）的認(rèn)可。這屆冬奧會(huì)能夠在轉(zhuǎn)播時(shí)長、內(nèi)容制作方式上書寫新紀(jì)錄，高速攝像機(jī)顯然功不可沒。

作為一種能夠以小于1/1000秒的曝光或超過每秒250幀的幀率捕獲運(yùn)動(dòng)圖像的設(shè)備，高速攝像機(jī)（High Speed Camera）因?yàn)槌蓭俾矢?，所以錄制后，存?chǔ)在介質(zhì)上的圖像以常規(guī)速度放映時(shí)，可以提供“超慢動(dòng)作”的觀看體驗(yàn)。

（高速攝像機(jī)拍攝的戰(zhàn)斗機(jī)打破音障的畫面）

一經(jīng)問世，其就得到廣泛關(guān)注，而且它其實(shí)在日常中并不罕見，比如在高速公路上負(fù)責(zé)測速，汽車制造中負(fù)責(zé)觀察撞擊測試，拍攝動(dòng)畫特效等等……

既然應(yīng)用廣泛，為什么偏偏在此次冬奧中，高速攝像機(jī)如此引人注目呢？

比如冬奧會(huì)速滑比賽中，頂尖運(yùn)動(dòng)員速度能達(dá)到每秒近19.5米，如果用平時(shí)的手機(jī)或者微單拍到呼嘯而過的畫面，最后很可能只有一大團(tuán)模糊的色塊。而高速攝像機(jī)則可以在很短的時(shí)間內(nèi)對快速移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行多次采樣，讓觀眾可以實(shí)時(shí)、清晰地看到肉眼都難以捕捉的精彩畫面。

“獵豹”系統(tǒng)則讓高速攝像頭在360米長的U型軌道上，以每秒25米的速度奔跑，實(shí)時(shí)跟拍冰雪運(yùn)動(dòng)，帶來更好的觀賽體驗(yàn)。

有一說一，第一屆現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)以來的100多年里，攝影技術(shù)就和體育賽事緊密聯(lián)系在一起。1900年巴黎奧運(yùn)會(huì)上，就使用了一種計(jì)時(shí)攝影的新技術(shù)，可以拍攝幾幀的畫面，從而分析運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作。到了1952年，田徑賽事計(jì)時(shí)系統(tǒng)使用的狹縫相機(jī)，分辨率則達(dá)到了1/100秒。

除了像素的不斷進(jìn)步，攝影設(shè)備的功能也變得更加多元化，比如為了讓觀眾們看到水上運(yùn)動(dòng)的信息，電影攝影師加勒特·布朗發(fā)明了“第一個(gè)垂直下降的攝像機(jī)系統(tǒng)”，可以拍攝水下53英尺的畫面，并在1996年奧運(yùn)會(huì)上首次亮相。2008年和2012年的奧運(yùn)會(huì)，則使用了鷹眼Hawk-Eye系統(tǒng)，來跟蹤球的軌跡，讓裁判快速準(zhǔn)確地判斷球是在場內(nèi)還是場外。2018年平昌冬奧會(huì)和2021年東京奧運(yùn)會(huì)，英特爾則為田徑比賽引入新的計(jì)算機(jī)跟蹤系統(tǒng)，還通過8K清晰度的True VR攝像頭提供幾項(xiàng)賽事的VR觀看。

可以說，奧運(yùn)會(huì)本身也是攝影技術(shù)的賽場。而北京冬奧會(huì)期間，高速攝像機(jī)之所以能夠讓大眾為之自豪，正在與其展現(xiàn)出的技術(shù)創(chuàng)新能力：

1.更清晰。

以往高速攝像機(jī)的使用場景，比如高速公路、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等，往往應(yīng)用的是低分辨率的照相機(jī)快照，而非高清晰度攝像，回放畫面難免有點(diǎn)模糊。而此次北京冬奧會(huì)的轉(zhuǎn)播畫面大多都是4K超高清畫質(zhì)。

“獵豹”全稱就是“超高速4K軌道攝像機(jī)系統(tǒng)”， 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是每秒25米的速度，相當(dāng)于90公里的時(shí)速，在360米長的U型軌道上奔跑，密切跟蹤運(yùn)動(dòng)員，清晰地拍攝下運(yùn)動(dòng)員的一舉一動(dòng)，高清畫質(zhì)讓轉(zhuǎn)播效果更具沖擊力和沉浸感。這也是歷史上首次對奧運(yùn)會(huì)進(jìn)行全4K的信號制作與直播。

除此之外，8K作為一項(xiàng)屬于未來的電視轉(zhuǎn)播標(biāo)準(zhǔn)，也在北京冬奧會(huì)上的部分重要比賽中引入。

2.更實(shí)時(shí)。

“來，讓我們看看韓國隊(duì)是怎么摔的？”2月5日，北京冬奧會(huì)短道速滑混合團(tuán)體接力決賽已經(jīng)結(jié)束，解說員王濛剛剛說完這句話，下一秒電視上就出現(xiàn)了賽事畫面中的高清回放。

更即時(shí)的觀賽體驗(yàn)，也是此次北京冬奧會(huì)的特別體驗(yàn)。

去年東京奧運(yùn)會(huì)上，日本埼玉超級競技場的常規(guī)籃球賽，也使用了高速攝像機(jī)拍攝的子彈時(shí)間技術(shù)系統(tǒng)，通過38個(gè)攝像頭來提供360度視角和旋轉(zhuǎn)視角。但這一技術(shù)僅限于重播，還不能用于實(shí)時(shí)直播。

而此次北京冬奧會(huì)上，得益于攝像系統(tǒng)的穩(wěn)定，以及5G技術(shù)的支持，可以實(shí)時(shí)處理并輸出海量高清視頻數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)把360度視角的畫面帶給觀眾。

3.更智能。

作為迄今為止技術(shù)最先進(jìn)的冬季奧運(yùn)會(huì)，2022北京奧運(yùn)會(huì)也通過更智能的攝像系統(tǒng)，幫助運(yùn)動(dòng)員、裁判等降低作業(yè)難度。

在賞心悅目的花樣滑冰賽事中，因?yàn)閯?dòng)作復(fù)雜，外行觀眾往往很難完全理解發(fā)生了什么，也十分考驗(yàn)解說員的專業(yè)能力。我們看到在花樣滑冰賽場上，冰面周圍部署著運(yùn)動(dòng)傳感器和攝像頭網(wǎng)絡(luò)，可以提供跳躍的高度、距離和復(fù)雜性的詳細(xì)分析，除了幫助運(yùn)動(dòng)員們更好地分析競技策略、優(yōu)化動(dòng)作，也可以為觀眾提供更全面的信息，同時(shí)減輕裁判的壓力。

在張家口分賽區(qū)，北京冬奧會(huì)也吸取了平昌冬奧會(huì)在高山滑雪拍攝的難題，由北京理工大學(xué)開發(fā)的“高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤拍攝系統(tǒng)”，可以通過高速攝像頭，記錄下時(shí)速高達(dá)170公里的高山滑雪進(jìn)程；而自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，則快速鎖定滑行中的運(yùn)動(dòng)員，降低人工拍攝的難度；通過多臺(tái)攝像機(jī)組成的矩陣，能夠?qū)?dòng)員自山頂滑下的全過程都拍到，即使是人跡罕至、拍攝環(huán)境惡劣的運(yùn)動(dòng)，也能夠被精彩地呈現(xiàn)到觀眾面前。

攝影技術(shù)的不斷創(chuàng)新，改變了我們欣賞冬季冰雪運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容、方式和效果，自然讓2022北京冬奧會(huì)格外引人注目。

相機(jī)背后的技術(shù)鏈條

當(dāng)然，新技術(shù)總會(huì)伴隨著新挑戰(zhàn)。因此，高速攝像機(jī)系統(tǒng)以及其他攝像技術(shù)能夠成功且精彩地發(fā)揮作用，改變奧運(yùn)會(huì)的舞臺(tái)，需要強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)。

一套完整的高速成像體系，是一條由技術(shù)串連而成的鏈條：

1.終端設(shè)備。

高速攝像機(jī)要捕捉人類肉眼看不清晰的瞬間動(dòng)態(tài)過程，跟上快速且不可預(yù)測的物體，并且在復(fù)雜的室外光照環(huán)境下都能夠穩(wěn)定發(fā)揮作用，對光學(xué)設(shè)備的要求很高。分辨率、感光度、元器件尺寸等，都對性能有著較大的影響。

雖然高速攝像機(jī)不像光刻機(jī)那樣“卡脖子”，但對生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)線設(shè)備精度等都有一定的要求。歐美日國家起步更早、技術(shù)積累更高，目前，全球領(lǐng)先的高速攝像機(jī)企業(yè)主要集中在美國、日本以及歐洲。《2021年全球及中國高速攝像機(jī)產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告》顯示，頭部企業(yè)包括美國的Vision Research、Integrated Design Tools、Monitoring Technology，日本Photron、NAC，德國PCO AG、Mikrotron GmbH以及瑞士AOS Technologies等。

央視自主研發(fā)的“獵豹”走紅，隨著日常應(yīng)用的規(guī)模擴(kuò)大，或?qū)?dòng)中國高速攝像機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷升級。

（美國職業(yè)棒球大聯(lián)盟體育場，工作人員正在為高速攝像機(jī)安裝防風(fēng)雨外殼）

2.存儲(chǔ)系統(tǒng)。

超高清高速攝像機(jī)，意味著高分辨率的圖像不斷生成，產(chǎn)生的文件更大，所以數(shù)據(jù)量也是驚人的。尤其是奧運(yùn)場館還遍布多個(gè)賽區(qū)，需要實(shí)時(shí)傳輸異地?cái)?shù)據(jù)。

北京冬奧會(huì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)合作伙伴目前不得而知，在東京奧運(yùn)會(huì)使用的則是戴爾Dell EMC PowerScale系列，將日本的兩個(gè) NBC制作場地所產(chǎn)生的PB級數(shù)據(jù)，統(tǒng)一遠(yuǎn)程存儲(chǔ)在位于美國的文件系統(tǒng)上。

3.實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播。

獵豹在運(yùn)行時(shí)，會(huì)根據(jù)隨比賽節(jié)奏隨時(shí)啟停、加速、減速，產(chǎn)生的電力負(fù)荷也會(huì)實(shí)時(shí)波動(dòng)，不能因?yàn)殡娏o缺而罷工。所以此次冬奧會(huì)期間，為了保證“獵豹”以最大能力工作，電力保障團(tuán)隊(duì)還專門為它加裝了專用變壓器，能夠適應(yīng)用電負(fù)荷的突然變化，同時(shí)配備了備用電源，確保高可靠供電。

而“獵豹”拍下的畫面，也得益于5G網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋，實(shí)現(xiàn)了海內(nèi)外的超低延時(shí)直播、連線。據(jù)北京冬奧會(huì)的合作伙伴中國聯(lián)通團(tuán)隊(duì)分享，此次冬奧場館在傳統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，還引入了200M載波聚合、超級上行、網(wǎng)絡(luò)切片等新功能特性，提供更優(yōu)的5G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

在冬奧會(huì)每日例行新聞發(fā)布會(huì)上，奧林匹克轉(zhuǎn)播公司OBS首席執(zhí)行官伊阿尼斯·?？怂_科斯，也將此次冬奧會(huì)轉(zhuǎn)播的破紀(jì)錄成績，歸功于中國領(lǐng)先的5G技術(shù)。

同時(shí)，作為奧運(yùn)史上首次實(shí)現(xiàn)全面上云的一屆，北京冬奧會(huì)也讓一檔依賴大量制作的體育娛樂節(jié)目，演變成了可以在云上輕松制作的無數(shù)個(gè)簡短、多元的節(jié)目，由人們隨時(shí)隨地自由觀看。

通過云端遠(yuǎn)程制作內(nèi)容，并及時(shí)傳輸，很多記者不需要到賽事舉辦地就可以制作并產(chǎn)出賽事相關(guān)內(nèi)容，適配不同平臺(tái)的用戶喜好。這也使得很多海外觀眾通過YouTube和Tik Tok、臉書、Instagram等平臺(tái)，及時(shí)收看到賽事精彩內(nèi)容。緬因大學(xué)媒體歷史學(xué)家邁克爾·索科洛（Michael Socolow）認(rèn)為，考慮到數(shù)字平臺(tái)的數(shù)億瀏覽量，北京冬奧會(huì)最終將成為美國歷史上觀看次數(shù)最多的視頻賽事之一。加上對中國的廣泛興趣，北京奧運(yùn)會(huì)可能成為世界歷史上觀看次數(shù)最多的視頻節(jié)目。

4.軟件分析。

除了實(shí)時(shí)賽事轉(zhuǎn)播之外，通過高速攝像機(jī)捕獲的大多數(shù)視頻，都要上傳到服務(wù)器上，運(yùn)用特定的軟件進(jìn)行分析處理，服務(wù)于各種不同的應(yīng)用場景。

在比賽期間，以往判罰主要基于裁判人為的主觀意識，出現(xiàn)紕漏/錯(cuò)看等情況，通過智能動(dòng)作視覺跟蹤評估系統(tǒng)，可以為裁判提供必要的動(dòng)作捕捉、評估和標(biāo)準(zhǔn)，從而判斷動(dòng)作是否符合競賽規(guī)則。此次冬奧會(huì)期間，立方場館內(nèi)就部署多路高清攝像頭，引入“冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉”技術(shù)，對冰壺軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與捕捉，并通過渲染投射到場內(nèi)大屏上。

在日常訓(xùn)練中，這些賽事視頻大數(shù)據(jù)也可以被用于不斷改進(jìn)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練，提高比賽成績。目前常見的運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)之一，就是基于多個(gè)半自動(dòng)高清攝像機(jī)的視頻系統(tǒng)（VID），記錄下運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中難以察覺的動(dòng)作細(xì)節(jié)，再通過智能圖像處理技術(shù)輔助分析。

冬奧會(huì)期間，就使用了“3D+AI”技術(shù)，對首鋼大跳臺(tái)進(jìn)行在1∶1的三維重建與虛擬還原，同時(shí)通過AI對視頻進(jìn)行摘要、動(dòng)作抽取等處理，快速進(jìn)行歸納整理，讓觀眾輕松且沉浸地看懂比賽。

以前，大家感知高速攝像機(jī)的方式，更多可能是在超速交罰單的時(shí)候。這次冬奧會(huì)，或許是高速攝像機(jī)在娛樂媒體、體育等領(lǐng)域，距離大眾更近的一次。從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用走向大眾視野，高速攝像機(jī)帶來的更公平、更安心、更精彩的觀賽體驗(yàn)，何嘗不是中國科技產(chǎn)業(yè)舉重若輕的一個(gè)縮影。

從硬件設(shè)備、傳輸管道，再到軟件系統(tǒng)，每一個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)突破，每一個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的奮勇爭先，共同支撐起了不一樣、高標(biāo)準(zhǔn)的奧運(yùn)會(huì)。

體育競技背后，是一場同樣激烈而精彩的全方位科技競技。

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