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春晚除了劉謙的數學魔術，居然還有這么多科技元素？！

2024-02-12 22:21:41 來源：中國科學院物理所微信公眾號

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除夕當夜，相信許多人都和小編一樣，被劉謙表演的魔術深深吸引。劉謙和尼格買提·熱合曼眉飛色舞的神貌依然令人記憶猶新。

啊？我聽到你在問小編三天前在干什么？

話不多說，就讓我們來正式地看一看魔術的內容吧~

首先，我們需要拿出四張打亂順序的撲克牌：

沒錯，就像這樣

隨后，需要將它們對折并撕開（手動心疼）

為了說明其中的原理，我們不妨將四張撲克牌分別記為A, B, C, D. 我們將撕開后得到的八張牌分別記作A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2. 于是，由八張撲克牌形成的排列可以寫作：

以下是魔術進行的步驟：

·將牌堆頂的1張牌放在牌堆底，重復次數是名字的長度（尼格買提·熱合曼需要重復7次，但是讓我們假設名字只有三個漢字）

·將牌堆頂的3張牌插放在牌堆中的任意位置

·將牌堆頂的1張牌暫時移出※

·將牌堆頂的1~3張牌插放在牌堆中的任意位置（取決于個人的南北認知——南方人：1張；北方人：2張；不確定：3張）我們以北方人為例：

直到這一步驟為止，目標牌C1和C2依然分別處于牌堆的兩側。

·將牌堆頂的1~2張牌移出（男生移出1張，女生移出2張）我們又以男生為例：

·將牌堆頂的1張牌放在牌堆底，重復7次

·將牌堆頂的1張牌放在牌堆底，隨后移出1張牌堆頂牌。重復這一步驟直到手中只剩下最后一張牌，這張牌與第三步中移出的牌能夠完美配對。

不難看出，每進行一次操作，牌堆的所有元素（白色區域）都會向前方移動兩次，同時牌堆的大小-1. 概括地講，每一次的“好運留下來”都會使所有元素移動一個單位，而“煩惱丟出去”會讓元素在移動的同時減少1個單位的牌堆大小。事實上，被移出的牌永遠都是每一次得到的新數組的第二個元素。

如果你是女生，你會得到這樣的操作流程：

基于上述思路，可以迭代地求出撲克牌數不同時對應的其他移動方法。

春晚的關注點當然不止有精彩的魔術，讓我們再來一探舞臺之上究竟還有哪些炫酷潮流的科技元素~

XR+VP助力創意交融

今年的春晚大量運用了XR（擴展現實）+VP（虛擬制作）技術，實現了虛實交融且震撼人心的藝術效果。在陜西分會場的節目《山河詩長安》中，我們便宛如看到了縱情飄逸的詩仙李白重游故里，對酒當歌。

在《健康到到令》中，女明星花花也以數字形象登上了舞臺，一同表演八段錦的招式。

節目《年錦》將中華傳統紋樣和演員的動作相呼應，詮釋出獨屬于中國傳統紋樣的空靈之美。

擴展現實（Extended reality, XR）涵蓋了增強現實（AR)、混合現實（MR）和虛擬現實（VR）技術，其中的X指代任意字母，甚至也可以是未來才會出現的技術。XR通過混合虛擬和現實這兩者，給觀眾帶來沉浸式的交互體驗。

在虛擬現實中，用戶需要完全沉浸在數字化的世界中；增強現實需要用戶借助數字屏幕等工具將虛擬的客體疊加在現實世界之上。混合現實是前兩者的結合，現實對象和數字對象能夠共存，并且可以實時交互。

保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）曾經提出了現實-虛擬連續統（Milgram's Reality-Virtuality Continuum）的概念，將真實世界和虛擬世界定義為坐標軸的兩端，并根據真實元素或者虛擬元素的多少重新定義了增強現實、混合現實和增強虛擬（Augmented virtuality）的概念。

虛擬制作（Virtual production, VP）是擴展現實、動作捕捉、電腦產生圖像（CGI）、面部識別等多種技術的結合。最常見的方式是使用LED屏幕作為布景，基于3D引擎在大屏幕上實時渲染，并與攝像機進行同步，可以帶來在視覺上以假亂真的動態特效。

虛擬制作的最大特征是將以往需要后期合成的特效實時地添加到了現場畫面中，提升了導演對于視覺效果的把控水平，降低了后期處理的成本。

科技“芯”元素

除了炫酷的AI視覺渲染，遼寧分會場《冬日暖陽》的舞臺上，芯片元素的設計風格也令人印象深刻，接下來請大家跟隨小編，近距離了解一下芯片的魅力。

當我們談論芯片時，我們通常是在談論集成電路芯片。要理解集成電路之前，我們先來了解電路的基本知識。

電路中的基本元件包括電阻、電容和電感。電阻限制電流的流動，提供阻尼；電容存儲電荷，將能量儲存在電場中，而電感則存儲磁場能量。

此外，現代電子學中的另一個重要組成部分是晶體管。晶體管是一類用于放大電信號或用作電信號開關的半導體器件。晶體管通常有三個引腳，人們可以用施加在第三個引腳上的電流或電勢控制流經另外兩個引腳的電流，因此它具有了放大和電路開關的功能。

這些基本單元可以組合成電路，用于執行特定的功能，例如放大信號、過濾噪聲或執行邏輯運算。

為了提高可靠性和降低體積，人們將電路元件利用半導體加工工藝互連集成在一塊半導體單晶片上，這就是集成電路，也就是人們常說的芯片。

芯片制造的過程非常復雜。為了提高可靠性，降低芯片中缺陷的含量，加工過程必須在超凈環境中進行。單晶襯底要經過復雜的清洗處理，以確保表面光潔度和純度。此外還有光刻、刻蝕、離子注入、金屬沉積等步驟，用于在單晶上形成精確的電路結構。

總的來說，芯片是現代電子技術的基石，它們的發明和應用推動了信息社會的發展，并在各個領域都發揮著關鍵作用。

無人機表演

我們將目光轉移到舞臺之外，夜空中閃閃發光的無人機編隊為我們帶來了飛行表演。它們隨著歌詞時而排列成祝融、嫦娥探測器、時而排列成雪花形狀。

當讀者朋友們看到精彩的無人機表演時，小編相信大家會有這樣的困惑：無人機是怎樣在空中排列成人們想要的圖案的？

為了解答這個困惑，我們先回答第一個問題，如何高效控制無人機編隊飛行，使每一個無人機準確到達指定位置，而彼此不發生碰撞？

我們需要知道，自動控制要比人工控制更準確、更安全。為每一架無人機配備一名駕駛員是不現實的，相反，在少數幾名人類操作員的監視下，無人機編隊在計算機系統的控制下自主飛行自主導航才是更好的控制方式。

那么問題來了，無人機怎么知道它們自己的位置呢？不用擔心，我們有全球定位系統GPS，對于在遠離建筑物的空曠區域進行的無人機表演，GPS就基本夠用啦。如果是需要在建筑物附近或者室內進行表演，那么就需要引入專門的室內定位系統。

無人機編隊的造型圖案和行進軌跡要事先編程設計。設計師通常需要預先確定無人機的數量，并構思不同的設計方案；然后為無人機編隊的各個無人機指定隊形轉換時的飛行軌跡，最后模擬驗證。指定飛行軌跡是其中最關鍵的一步，要求隊形轉換時每一架無人機有且僅有一個終點，且所有無人機飛行軌跡之和越小越好。

用于完成這樣的設計的一種常見算法稱為匈牙利算法。匈牙利算法羅列出給定無人機數量情況下，所有起點和終點的可能組合，并計算出各個起點-終點組合下的無人機飛行總路程。這樣無人機路徑設計的問題就成了特定限制條件下的優化問題。

此外，還需要確保無人機之間不發生碰撞。考慮到無人機的外形特點和GPS定位誤差，設計師人為地引入一個最小距離δmn，如果某種隊形下出現了兩無人機距離小于這個最小距離的情況，則去除這種隊形設計。

以這些算法思想為指導，經驗豐富的設計師可以設計出安全高效的隊形轉換方案，為大家呈現精彩的無人機燈光表演。

每年的除夕都象征著團圓和睦，而除夕夜的春晚早已成為了幾代人對于新年時刻的共同記憶。新潮的主題、酷炫的科技元素都賦予了春晚生生不息的青春活力。

值此新年，小編恭祝大家龍行龘龘、前程朤朤、生活??、事業燚燚！

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