科技猎从冬奥看中国科技（一）：全民感谢的高速摄像机，有何玄机？
从冬奥看中国科技（一）：全民感谢的高速摄像机，有何玄机？
脑极体
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体育竞技背后，是一场同样激烈而精彩的全方位科技竞技。
文 | 脑极体
2022北京冬奥会上，被全民感谢的，除了开幕式总导演“张emo”，就是4K高清摄像系统“猎豹”了。
尤其是在中国短道速滑运动员任子威赢得男子1000米金牌后，架设在国家速滑馆“冰丝带”内的“猎豹”，被认为是让犯规行为无所遁形的大功臣。不过，打造了猎豹系统的央视很快出来辟谣了：
1.“猎豹”不是裁判系统，而是专门用于冬奥会速度滑冰赛事的转播工作，也就是说专门给咱们广大观众服务的。
2. 被网友调侃的“韩见愁”摄像机，捕捉到2月7日短道速滑男子1000米决赛中犯规动作的，其实是位于首都体育馆的“飞猫”系统，由40台4K超高清摄影机阵列加上3台8K VR摄像头组成，除了用于转播，还能辅助判罚。
3.真正为比赛判罚服务的裁判系统，是一套独立架设在关键拍摄地点的专用摄像机，用以捕捉运动员的动作，这套系统的画面并不是我们在电视上看到的直播画面。
被全民感谢的“猎豹”，虽然无关判罚结果，却凭借高速灵活的身姿，实时捕捉到精彩画面，助力北京冬奥会成为历史上收视最高的一届冬奥会。
前不久举办的北京冬奥会每日例行新闻发布会上，OBS首席执行官伊阿尼斯·埃克萨科斯透露，2022北京冬奥会，是第一次在冬奥会上使用UHD和HDR技术，也就是超高清和高动态范围的4K技术来进行转播和制作。在开赛第四天就已经有了6000多小时的内容，包括比赛本身，以及每场比赛后的运动员采访，不同平台的媒体报道等等，在冬奥会的转播史上创造了新纪录。
从这个角度来说，无论是“猎豹”，还是“飞猫”，都是非常值得感谢的。
不过，正如高速摄像机能捕捉到那些肉眼都看不见的事物，高度还原比赛瞬间的高速摄像系统，其实是一个大型综合科技工程，背后也存在着大量鲜为人知的技术创新，今天我们就来聊聊，那些同样值得感谢的幕后科技英雄。
高速摄像机下的冬奥之最
早在2021年，“猎豹“系统就已经开始落地应用，并获得国际奥委会奥林匹克广播服务公司（OBS）的认可。这届冬奥会能够在转播时长、内容制作方式上书写新纪录，高速摄像机显然功不可没。
作为一种能够以小于1/1000秒的曝光或超过每秒250帧的帧率捕获运动图像的设备，高速摄像机（High Speed Camera）因为成帧速率高，所以录制后，存储在介质上的图像以常规速度放映时，可以提供“超慢动作”的观看体验。
（高速摄像机拍摄的战斗机打破音障的画面）
一经问世，其就得到广泛关注，而且它其实在日常中并不罕见，比如在高速公路上负责测速，汽车制造中负责观察撞击测试，拍摄动画特效等等……
既然应用广泛，为什么偏偏在此次冬奥中，高速摄像机如此引人注目呢？
比如冬奥会速滑比赛中，顶尖运动员速度能达到每秒近19.5米，如果用平时的手机或者微单拍到呼啸而过的画面，最后很可能只有一大团模糊的色块。而高速摄像机则可以在很短的时间内对快速移动的目标进行多次采样，让观众可以实时、清晰地看到肉眼都难以捕捉的精彩画面。
“猎豹”系统则让高速摄像头在360米长的U型轨道上，以每秒25米的速度奔跑，实时跟拍冰雪运动，带来更好的观赛体验。
有一说一，第一届现代奥运会以来的100多年里，摄影技术就和体育赛事紧密联系在一起。1900年巴黎奥运会上，就使用了一种计时摄影的新技术，可以拍摄几帧的画面，从而分析运动员的动作。到了1952年，田径赛事计时系统使用的狭缝相机，分辨率则达到了1/100秒。
除了像素的不断进步，摄影设备的功能也变得更加多元化，比如为了让观众们看到水上运动的信息，电影摄影师加勒特·布朗发明了“第一个垂直下降的摄像机系统”，可以拍摄水下53英尺的画面，并在1996年奥运会上首次亮相。2008年和2012年的奥运会，则使用了鹰眼Hawk-Eye系统，来跟踪球的轨迹，让裁判快速准确地判断球是在场内还是场外。2018年平昌冬奥会和2021年东京奥运会，英特尔则为田径比赛引入新的计算机跟踪系统，还通过8K清晰度的True VR摄像头提供几项赛事的VR观看。
可以说，奥运会本身也是摄影技术的赛场。而北京冬奥会期间，高速摄像机之所以能够让大众为之自豪，正在与其展现出的技术创新能力：
1.更清晰。
以往高速摄像机的使用场景，比如高速公路、科学实验等，往往应用的是低分辨率的照相机快照，而非高清晰度摄像，回放画面难免有点模糊。而此次北京冬奥会的转播画面大多都是4K超高清画质。
“猎豹”全称就是“超高速4K轨道摄像机系统”， 技术标准是每秒25米的速度，相当于90公里的时速，在360米长的U型轨道上奔跑，密切跟踪运动员，清晰地拍摄下运动员的一举一动，高清画质让转播效果更具冲击力和沉浸感。这也是历史上首次对奥运会进行全4K的信号制作与直播。
除此之外，8K作为一项属于未来的电视转播标准，也在北京冬奥会上的部分重要比赛中引入。
2.更实时。
“来，让我们看看韩国队是怎么摔的？”2月5日，北京冬奥会短道速滑混合团体接力决赛已经结束，解说员王濛刚刚说完这句话，下一秒电视上就出现了赛事画面中的高清回放。
更即时的观赛体验，也是此次北京冬奥会的特别体验。
去年东京奥运会上，日本埼玉超级竞技场的常规篮球赛，也使用了高速摄像机拍摄的子弹时间技术系统，通过38个摄像头来提供360度视角和旋转视角。但这一技术仅限于重播，还不能用于实时直播。
而此次北京冬奥会上，得益于摄像系统的稳定，以及5G技术的支持，可以实时处理并输出海量高清视频数据，从而实时把360度视角的画面带给观众。
3.更智能。
作为迄今为止技术最先进的冬季奥运会，2022北京奥运会也通过更智能的摄像系统，帮助运动员、裁判等降低作业难度。
在赏心悦目的花样滑冰赛事中，因为动作复杂，外行观众往往很难完全理解发生了什么，也十分考验解说员的专业能力。我们看到在花样滑冰赛场上，冰面周围部署着运动传感器和摄像头网络，可以提供跳跃的高度、距离和复杂性的详细分析，除了帮助运动员们更好地分析竞技策略、优化动作，也可以为观众提供更全面的信息，同时减轻裁判的压力。
在张家口分赛区，北京冬奥会也吸取了平昌冬奥会在高山滑雪拍摄的难题，由北京理工大学开发的“高速运动目标跟踪拍摄系统”，可以通过高速摄像头，记录下时速高达170公里的高山滑雪进程；而自动跟踪系统，则快速锁定滑行中的运动员，降低人工拍摄的难度；通过多台摄像机组成的矩阵，能够将动员自山顶滑下的全过程都拍到，即使是人迹罕至、拍摄环境恶劣的运动，也能够被精彩地呈现到观众面前。
摄影技术的不断创新，改变了我们欣赏冬季冰雪运动的内容、方式和效果，自然让2022北京冬奥会格外引人注目。
相机背后的技术链条
当然，新技术总会伴随着新挑战。因此，高速摄像机系统以及其他摄像技术能够成功且精彩地发挥作用，改变奥运会的舞台，需要强大的团队作战。
一套完整的高速成像体系，是一条由技术串连而成的链条：
1.终端设备。
高速摄像机要捕捉人类肉眼看不清晰的瞬间动态过程，跟上快速且不可预测的物体，并且在复杂的室外光照环境下都能够稳定发挥作用，对光学设备的要求很高。分辨率、感光度、元器件尺寸等，都对性能有着较大的影响。
虽然高速摄像机不像光刻机那样“卡脖子”，但对生产环境、生产线设备精度等都有一定的要求。欧美日国家起步更早、技术积累更高，目前，全球领先的高速摄像机企业主要集中在美国、日本以及欧洲。《2021年全球及中国高速摄像机产业深度研究报告》显示，头部企业包括美国的Vision Research、Integrated Design Tools、Monitoring Technology，日本Photron、NAC，德国PCO AG、Mikrotron GmbH以及瑞士AOS Technologies等。
央视自主研发的“猎豹”走红，随着日常应用的规模扩大，或将带动中国高速摄像机产业链的不断升级。
（美国职业棒球大联盟体育场，工作人员正在为高速摄像机安装防风雨外壳）
2.存储系统。
超高清高速摄像机，意味着高分辨率的图像不断生成，产生的文件更大，所以数据量也是惊人的。尤其是奥运场馆还遍布多个赛区，需要实时传输异地数据。
北京冬奥会的存储系统合作伙伴目前不得而知，在东京奥运会使用的则是戴尔Dell EMC PowerScale系列，将日本的两个 NBC制作场地所产生的PB级数据，统一远程存储在位于美国的文件系统上。
3.实时转播。
猎豹在运行时，会根据随比赛节奏随时启停、加速、减速，产生的电力负荷也会实时波动，不能因为电力紧缺而罢工。所以此次冬奥会期间，为了保证“猎豹”以最大能力工作，电力保障团队还专门为它加装了专用变压器，能够适应用电负荷的突然变化，同时配备了备用电源，确保高可靠供电。
而“猎豹”拍下的画面，也得益于5G网络的广泛覆盖，实现了海内外的超低延时直播、连线。据北京冬奥会的合作伙伴中国联通团队分享，此次冬奥场馆在传统5G网络的基础上，还引入了200M载波聚合、超级上行、网络切片等新功能特性，提供更优的5G网络体验。
在冬奥会每日例行新闻发布会上，奥林匹克转播公司OBS首席执行官伊阿尼斯·埃克萨科斯，也将此次冬奥会转播的破纪录成绩，归功于中国领先的5G技术。
同时，作为奥运史上首次实现全面上云的一届，北京冬奥会也让一档依赖大量制作的体育娱乐节目，演变成了可以在云上轻松制作的无数个简短、多元的节目，由人们随时随地自由观看。
通过云端远程制作内容，并及时传输，很多记者不需要到赛事举办地就可以制作并产出赛事相关内容，适配不同平台的用户喜好。这也使得很多海外观众通过YouTube和Tik Tok、脸书、Instagram等平台，及时收看到赛事精彩内容。缅因大学媒体历史学家迈克尔·索科洛（Michael Socolow）认为，考虑到数字平台的数亿浏览量，北京冬奥会最终将成为美国历史上观看次数最多的视频赛事之一。加上对中国的广泛兴趣，北京奥运会可能成为世界历史上观看次数最多的视频节目。
4.软件分析。
除了实时赛事转播之外，通过高速摄像机捕获的大多数视频，都要上传到服务器上，运用特定的软件进行分析处理，服务于各种不同的应用场景。
在比赛期间，以往判罚主要基于裁判人为的主观意识，出现纰漏/错看等情况，通过智能动作视觉跟踪评估系统，可以为裁判提供必要的动作捕捉、评估和标准，从而判断动作是否符合竞赛规则。此次冬奥会期间，立方场馆内就部署多路高清摄像头，引入“冰壶运动轨迹捕捉”技术，对冰壶轨迹进行实时监测与捕捉，并通过渲染投射到场内大屏上。
在日常训练中，这些赛事视频大数据也可以被用于不断改进运动员训练，提高比赛成绩。目前常见的运动分析系统之一，就是基于多个半自动高清摄像机的视频系统（VID），记录下运动员在训练中难以察觉的动作细节，再通过智能图像处理技术辅助分析。
冬奥会期间，就使用了“3D+AI”技术，对首钢大跳台进行在1∶1的三维重建与虚拟还原，同时通过AI对视频进行摘要、动作抽取等处理，快速进行归纳整理，让观众轻松且沉浸地看懂比赛。
以前，大家感知高速摄像机的方式，更多可能是在超速交罚单的时候。这次冬奥会，或许是高速摄像机在娱乐媒体、体育等领域，距离大众更近的一次。从产业应用走向大众视野，高速摄像机带来的更公平、更安心、更精彩的观赛体验，何尝不是中国科技产业举重若轻的一个缩影。
从硬件设备、传输管道，再到软件系统，每一个环节的技术突破，每一个相关产业的奋勇争先，共同支撑起了不一样、高标准的奥运会。
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