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【电脑报】独家揭秘60周年国庆庆典群众游行数字仿真训练与指挥系统
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        原文链接:http://www.shudoo.com/09/0927/14/13253132.html     摘编:党委宣传部

      

国庆游行数字仿真训练与指挥系统团队核心成员集体照  

  2009918日,国庆60周年群众游行进行第三次预演也是最后一次预演,上午10点,10bet体育大学软件学院院长丁刚毅作为国庆60周年群众游行仿真训练指挥系统项目负责人,带着他的团队中10名精兵强将和设备进入天安门广场,经过安检后开始架设设备。丁刚毅和10名队员各就各位,4个人在中心指挥室和东小台指挥点,一个人在发令台维护设备,6个数据采集员到指定地点,静候阅兵和游行的最后一次预演。

  然而让所有人兴奋不已的是,在演练结束后,领导给丁刚毅团队打出了95分的高分,让这一废寝忘食工作的团队获得了最有价值的认可。

   现场

  国庆游行最后一次预演

  晚上10点,阅兵开始。威武的步兵方阵喊着响亮的口号,迈着整齐的步伐,经过94米的检阅台,伴随着响彻长安街的轰隆声,几十个机械化武器方阵展示的新型武器装备依次亮相,虽然不是第一次看到阅兵,丁刚毅还是要平抚心里的强烈震撼,和同伴们开始群众游行的辅助指挥准备。



国庆游行筹备期间到处可见北理人的身影——仿真系统的团队成员组装指挥设备

  舒缓的音乐响起,盛大的10万人群众游行拉开序幕。指挥中心的电脑上显示各个方阵的状态,并向发令台传出指令,每一个方阵经过,不同的音乐和背景图案在预定的时刻改变,时间精确到秒,现场的所有指挥都心里有数,游行方阵经过检阅台的时间和队容视频在电脑上和仿真系统叠加在一起,看起来没有多少差别,一切按照流程进行。每一个方阵经过检阅台,指挥中心马上就会打印出两张A4表格,有数据有图,一张是时间行进控制结果,一张是队容队形情况汇总,可以让指挥员清楚了解游行全貌。

  群众游行由60辆彩车组成35个方阵。分别是奋斗创业、改革开放、世纪跨越、科学发展、辉煌成就、锦绣中华和美好未来等七大部分。各部分间穿插行进式文艺表演与合唱团演唱,行进式文艺表演,主要有安塞腰鼓队、大型集体舞、大型群舞、水袖舞、民族团结舞、七色光鼓号队等六组表演。当16号方阵到达发令台时,在发令台的一台电脑显示屏上会出现这样的信息:

  方阵序号:16 
  方阵名称:农业发展方阵
  出发倒计时:16
  预计误差:00
  行程时间:00****

  另一台电脑上用黄路蓝三色圆点标记各方阵通过检阅台状态,黄色表示马上通过东检阅线,绿色表示队首通过,蓝色表示队尾通过,35个方阵行进的实时进程通过一个表格一览无遗。

  在系统中数据采集部分,有一个在东检阅线的数据采集点,这个采集点有自动和人工两种方式。人工采集部分需要一个学生坐在检阅线手持通讯设备和点击器,当队伍第一排到达的时候按一下点击器,最后一排通过时再按一次,并用通讯器材语音报告。这个岗位是不是大家很羡慕?如此近距离看到游行队伍”“没有,其实很辛苦。每个人都在忙着自己手里的活,哪里有心思去欣赏。丁院长和团队核心成员在天安门城楼下101指挥室同样无暇观看游行的壮观场景,他们眼里看到的不是鲜艳的色彩和欢乐的人群,他们看到的是一组组数据,几时几分预定方阵到达,几时几分该方阵完美队形顺利通过,零误差,零误差,。。。。还是零误差,这是他们最想在电脑上看到的结果。

  当最后一个游行方阵,由少年儿童组成的队伍到达检阅台前,放飞气球、涌向天安门城楼时,指挥中心里,丁刚毅和团队研发成员紧张的心情终于放松下来,几分钟后,天安门城楼上领导的评价结果也传达下来,领导给我们系统打95丁刚毅难掩兴奋之情,19日凌晨3点半回到家还无法入睡,躺在床上一个小时还在翻来覆去想着国庆那天还有哪些细节要留意。
 
  历程

  奥运会的成功让我们走进国庆庆典

  
在结束最后一次预演后,记者采访到10bet体育大学软件学院丁刚毅院长和仿真模拟系统的核心成员。

  “
这事干大了!丁刚毅还有些不相信他们做到的一切。这是继去年奥运会开幕式仿真模拟系统成功运行后,丁刚毅和他的团队再一次参与国家重大活动的辅助训练和指挥。奥运会开幕式、闭幕式涉及到的模拟人员只有15千人,这次60年国庆群众游行要调用20万人参演,10万人的游行队伍,8万多人的背景变化,还有近2万人的乐队及其他参演人员需要安排调度。在50周年国庆游行时,因为没有计算机辅助,仅背景部分的群众排位,10年前的坐标图完全靠人工绘制,十几个人花了3个多月才完成。还有游行方阵的排练、指挥,游行时队伍的集结,游行结束人群的疏散,焰火晚会的设计排练,如果能将奥运会上立功的计算机仿真模拟辅助系统用上,可以解决好多问题。

  
去年12月,因张艺谋导演的推荐,国庆焰火晚会的导演组找到丁刚毅,希望能在奥运会开闭幕式仿真系统基础上对60周年国庆焰火晚会进行辅助设计、训练,实现创意构想。软件学院全景式智能仿真编排系统项目组在奥运会后,综合文艺演出的实际需求,整合相关学科专业已成功申请、建设北京市重点交叉学科---“数字表演与仿真技术。国庆晚会的需求正好是这个研究方向的再次实践。

  由黄老师和李鹏老师牵头15个师生组成的晚会小组开始半年的紧张工作。焰火晚会的光立方有4000人参与演出,持续一百多分钟,从天安门的角度看演出,导演不清楚从这里14米高度俯视广场,每一点的发光树升降、推拉,加上空中焰火会是怎样的视觉效果,于是在计算机上模拟仿真整个演出过程,导演提出要求,再不断修改,直到今年4月才将方案定下来。

  创意通过后,仿真模拟组将计算机上的分解图和动作要求整个印成一本《首都国庆60周年联欢晚会演员表演手册》,导演组及每个演员人手一册,每本手册上对每一个动作、配合的音乐节拍、形成的效果都有详细说明。导演和演员得到这套手册如获至宝,简直是形影不离。北10bet体育的老师们培训了600名小教员,再由这些小教员去培训其余的3400人,以前没有这样的手册,可能要排练一小时的动作,现在30秒就可完成。原来一个篇章需要10天时间排练,现在使用电脑仿真系统只要2天半。628日开始排练,一个月的时间就看到效果。

  晚会加上序,有五个部分,分成三个导演组指导排练,每个导演组67个人,传统做法是三个导演组一起扎到每一篇章排练现场,先把这部分排练好,再一起到第二组导演负责的场景排练,采用计算机辅助系统分解和精确演练,到第二组导演负责的篇章时,第一组导演和第三组导演都不用参加了,随着排练时间的推移,一组导演也只需一个导演在台上指挥,两个导演场下观察,其他导演轮流休息。

  比如其中一个篇章中构成国庆这两个发光大字,需要2269人完成,每人手上一颗发光树升树时间、降树时间、烟火的时间,口令表,音乐节拍全有精确到秒的描述,每个演员都带有无线耳麦,广场上播放的音乐在他们耳中全转化成节拍,保证每个演员都清楚自己所起的作用。如果站在后排的某个演员想偷懒,动作不到位,以为导演看不到,仿真系统的数据反馈会将这个演员的缺陷一目了然,高清摄像头会将捕获到的图像与模拟图对比,迅速标出哪一块区域演员不到位,把这一区域图像勾出并推送到指挥电脑的屏幕上。

  李老师说晚会的亮点之一是黄河之水天上来,天空的焰火、加上中间层、地面的光亮,构成一幅美妙的立体影像,算是这次数字模拟表演的一个集中体现。

  揭秘

  计算机仿真模拟系统确保游行万无一失

  有了晚会组的优秀表现,国庆游行指挥部最终将游行仿真辅助设计、训练、指挥系统的研发交给了丁刚毅所负责的北10bet体育软件学院。丁刚毅拿出珍藏的任务书给记者看,我把奥运会的任务书和这次60周年国庆群众游行仿真模拟辅助训练、指挥的任务书锁在办公室保险柜里,这是我们的荣幸!

  按照任务书的要求,系统的功能分为三个阶段实施,第一阶段是游行队伍仿真设计与模拟功能,第二阶段是游行队伍辅助训练功能,第三阶段是对游行队伍的辅助指挥。



电脑中科技方阵经过检阅台的模拟画面

  仿真阶段,通过对游行队伍各方阵队容、队形进行智能化编排设计,对每名人员进行数字定位;通过对方阵长度、前后间距及方阵间隔的调整,整个游行时间进行准确控制;通过整合彩车、服装、道具、行进表演、动作、音乐、口号、合唱、背景图案、天安门地区实景等游行要素,进行实景环境下系统的模拟仿真,为整体效果的体现和方案的优化提供参考依据。

  每个方阵500米长,队员的行进、服装、道具都要进入仿真系统模拟,负责仿真模拟的李红松博士带领30人团队首先用电脑排出游行方阵二维图,打印出一本给指挥中心,二维图上标明彩车长宽高,方阵最外边两排标兵的位置有特别标志,每个方阵四角有定位系统,彩车中心也有定位设备。二维图通过后,三维动态演示需要大量的建模、渲染,这也是整个系统最大的难点。

  原来的电脑性能不够高,跑不动了,换上双核的图形工作站,虽然有奥运会运动员入场式作为基础,但是大量的渲染还是花费很多时间。

  由全市270所中小学学生等组成的背景图案表演团队,要翻出41种背景图案,也由电脑设计完成。电脑上用鼠标点击每一个代表学生的点,会看到这个学生来自哪所学校哪个班,姓名,表演的图型动作等相关信息。

  对这样渲染量大的系统,李博士说采用了几何体实例化和借用游戏中常用的多边形总数预算办法利用软件技术充分发挥硬件能力,他们也测试了很多平台、渲染引擎,最后找到最佳组合。

  游行指挥部通常白天工作,晚上开会,仿真组的成员就晚上汇报、演示,配合指挥部工作日程,工作到11点,第二天照常上班。

  仿真模拟部分至少帮助指挥部了解了起码的视觉效果,总指挥与分指挥之间的交流就省事多了,降低了排练风险,争取做到后期不用大改。李博士说。

  仿真模拟系统在国庆游行活动中,是一个多面手。除了游行方阵的仿真模拟,还协助指挥部对20万人的人群集结和疏散起到一定作用。

  游行群众疏散是一个二维系统,10万人要求尽快走出去,怕堵在疏散线上,疏散指挥部有2000人指挥疏散,最初的疏散方案拿到仿真系统上跑一次,以时间为核心,就发现一些问题,比如一些方阵会在分散后的下一个路口因为速度的原因而交叉,修改后碰撞的场面就不会出现。有些方阵10人一排无法通过7米宽的胡同,仿真系统发现哪些地方会拥堵就提前预警。

  游行群众的集结调整原来是要求从下车到集结状态每批次是2万人,要求20分钟内集合。有人认为这个方案不可行,在仿真系统上跑的结果,一万人不可能在20分钟内完成集结,需要23分钟,实际验证的结果也如此,指挥部因此把集结时间改为30分钟。

  辅助训练实时调整是关键

  据张老师介绍,采用这一套系统进入游行队伍辅助训练阶段,通过群众游行队伍的全程仿真模拟演示,对参与人员和管理人员进行游行整体状况的培训;在方阵训练、分指合练、整体合练和彩排预演过程中,利用激光、视频等技术手段,通过对实际训练状况的数据和图像采集,与系统进行对比,查找训练过程中存在的问题,进行智能化的调控,辅助调整训练的步幅、步速和队形,提高训练效率,确保游行队伍行进时间的准确无误。

  在这个阶段,实时数据采集后,有多种介质的配合和实时调整是整个系统另一个难点。


游行预演时各方阵行进情况实时统计

在游行进行时指挥台电脑将显示相应的行进细节

  系统的数据采集方式不仅有线触发行程监测系统,还有无线监测一套,激光检测仪检测队伍整体形状,队容监测还用到定位系统,将数据发到三维地图上,比如行进队伍速度不够,就要提醒他们加速前进,如果前一个方阵延迟了时间,后一个方阵就要缩短间隔。

  训练时,控制中心会看到音乐指挥台、背景指挥台、出发指令台的数据,进行时间统一后,控制中心分别向这些指挥台电脑发出指令。

  队容监测组利用高清晰摄像传回电脑进行视觉自动检测,对整体外形,电脑屏幕上将每个方阵划成9个区域,量化评估,形成表格;对每排的检测会每排分析,方阵有65排就会有65份数据,汇总后是整体数据分析;对每个标兵框监测,可以合成方阵训练的参考信息。每一个方阵训练一遍,会得到两张表,一张是时间控制进程表,

  一张是队容队形考核表,表格通常在方阵通过时打印出来,交到指挥手上,等到所有的方阵走过指挥台,打印结果都是厚厚一叠。

  指挥台上的秘密



三维地图上的检阅台前游行方阵信息
  依托激光定位、图像采集、模型仿真等技术手段,建立当天游行队伍(含彩车)集结、行进、疏散各个环节时间的实时对比系统,通过为指挥人员的现场指挥提供真实可靠数据,给出行进指令的时间调整建议,确保游行队伍的准时、安全通过。这是计算机辅助指挥的功能简述。具体来说,在总指挥室,指挥人员不仅掌控控制主机,还可看到状态图、三维地图、仿真系统、监控系统,包括音频、视频,通过网络传送指令到发令台,随时看到全局。张老师介绍道。 

  
参与项目的研究生童心为记者演示了三维地图的模拟使用。为方便指挥员使用,系统还有随时停止截屏功能,显示每个方阵相关信息。

  20 万人游行的数字仿真系统举世无双

  专访国庆 60 周年群众游行训练与指挥仿真系统项目负责人 丁刚毅

  电脑报: 丁院长,数字仿真系统参与这次国庆庆典的游行对你,对你的团队有怎样的影响?

  丁刚毅: 这是一次非常珍贵的机会,作为个人,能参与这样历史性庆典非常让人兴奋,搞软件、搞仿真的能参加这样的社会活动,让我明白即使再好的技术,如果不能满足社会需求是不行的;作为软件学院的院长,带领师生参与如此充满创意的工作,也为软件学院的教学改革带来很大启发,按照传统的软件工程办法肯定不能完成任务,实践中获得的经验不仅会催生新的研究学科,也会让软件学院的毕业生更能适应社会的需要。

  电脑报: 这套系统仿真模拟的人群规模如此庞大,在世界上,还有比这更大规模的类似系统吗? 

  丁刚毅:
20余万人进行了数字建模,连每个人的服装和现场演奏的音乐都包含了进去。建模人数如此庞大的仿真系统,在全世界也属首次应用。指挥部也说了这是群众游行的历史上第一次利用仿真技术,从策划、训练到最后现场的控制,大大减少了策划中的失误,提高了训练的效率,提高了指挥精度。

  电脑报: 从学术的角度来看,这次自主研发的仿真系统有怎样的学术价值?

  丁刚毅: 可以从三个方面来看。其一,这次仿真模拟描述的主体对象巨大,大规模、全方位满足需求,这是一个突破;第二,大量综合的、系统的数据采集,你看,我们用到的数据采集器材,有线的、无线的,激光的,视频的,全用上了。实时特征的捕捉是管用的,让指挥人员在现场知道下一步如何做;第三是配合了游行的各个环节。以前的一些仿真系统可能只是单独解决一件事,我们这次从前期策划、建模开始,到训练环节与管理者指挥员配合,到后期演练、合练都参与其中,它的作用在延展、扩张。

  电脑报: 在辅助训练阶段,每天都工作多长时间?

  丁刚毅: 789这三个月确实比较紧张,体力活、脑力活都要干,每次训练要先装数据采集设备,架天线等,为了赶在每次训练之前安转好设备,经常要在凌晨两点动身前往训练场。安装设备这些活我已经干得很熟练,他们说我已经没有教师形象了。

  你看到这张照片就是半夜开始架设备。虽然很辛苦,同学们都感到很自豪。

  电脑报: 国庆节游行那天,你们还要参与吗?

  丁刚毅:
肯定啊,只是不会很多人去,
18号预演的参与人员都会在国庆节群众游行现场,我们的系统也还在随时根据指挥部意见修改。在游行过程中,摄像传回的视频要和仿真系统叠加,随时提醒指挥人员调整,保证让全国人民看到最精彩的画面。

  电脑报: 感谢您接受采访,期待国庆那天你们的精彩表现,祝你们成功。

  丁刚毅: 非常感谢,我们整个团队非常有信心,一定会成功的。

  花絮 

  1.
软件院长变 农民工头

  8月训练紧张阶段,时常要去训练基地,每次去,从北10bet体育拉上设备出发到完成训练拉上设备回来要15个小时,到训练现场,先是架设备,调机器,训练开始,更是时刻盯着电脑。丁刚毅说每次出发,十几个装设备的大箱子得装一大车。这群在学校里教书做学问的人在现场全部挽起袖子先干体力活,每个人都是搬运工、装卸工,开始的时候一个人拉一根架线的杆子到指定位置还费力,拉不动,一个月后丁院长都可以拎着杆子在场上跑,团市委的工作会上,指挥们笑称丁院长是训练场上的农民工头

  2.
丁院长的随身法宝 —— 无线上网卡

  采访快结束的时候,丁院长从上衣兜里拿出一个无线网卡展示给记者看,说这是他随身携带的宝贝,在训练现场,他们要及时解决问题,跑回学校来回一趟两三小时,肯定不行,多亏了有无线上网卡,及时上网查找下载一些工具或开源软件作修改,保证辅助训练不间断。

  承担项目初期,丁院长说他们想得很天真,以为可以安排一部分人在学校编程,一部分人到训练现场解决问题和辅助训练,但真正开始训练后,才发现这样的安排根本行不通,实际是全部人马都扑到现场,有问题就要现场解决。全体到现场后,开始老师和学生还有休息时间,后来忙起来可能一天只吃了一顿饭。这时候,有学生跟丁刚毅说,有一碗面条都是美味啊。


发布时间:2009-10-05
 
 
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