朱 瀾

(上海天文館，上海 201306)

1 引言

上海天文館(上?？萍拣^分館)，位于中國(上海)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)滴水湖畔，2016年11月8 日開工建設(shè)，2021 年7 月17 日正式開館，是上海市政府投資興建的集教育、研究、收藏、展示、交互功能為一體的科普基礎(chǔ)設(shè)施，其占地面積約5.86萬平米，建筑面積3.8萬平米，為世界規(guī)模最大的天文館。全館以 “連接人和宇宙”為展示主題，設(shè)置“家園” “宇宙” “征程”三大主題展區(qū)、“中華問天”“好奇星球” “航向火星”三個(gè)特色展區(qū)、一個(gè)多功能球幕影院及教育活動(dòng)區(qū)。館內(nèi)藏有約70件隕石樣本與超過120件/套文物藏品，配有四大專業(yè)級(jí)天文觀測(cè)及天象演示設(shè)備，共計(jì)展品300余件。

眾所周知，球幕影院是天文館建設(shè)的標(biāo)配項(xiàng)目，它在整個(gè)天文館展示架構(gòu)中發(fā)揮極其重要的作用，是傳播科學(xué)知識(shí)的重要場(chǎng)地之一。上海天文館建設(shè)團(tuán)隊(duì)前期充分參考國內(nèi)外科普?qǐng)鲳^球幕影院建設(shè)案例，依據(jù)國際行業(yè)組織發(fā)布的球幕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析并判斷球幕技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合上海天文館球幕影院世界一流建設(shè)定位和多功能演繹需求，最終設(shè)計(jì)出一套集成數(shù)字影片播放、3D 音響、激光秀及現(xiàn)場(chǎng)舞臺(tái)表演等多功能沉浸式超8K 數(shù)字球幕系統(tǒng)，為觀眾展現(xiàn)最遠(yuǎn)的星系、最新發(fā)現(xiàn)的系外行星和驚人的天文發(fā)現(xiàn)，演示星光燦爛的夜空，創(chuàng)作出清晰而生動(dòng)的沉浸式體驗(yàn)節(jié)目。整套系統(tǒng)運(yùn)用了多項(xiàng)新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)我們所要呈現(xiàn)給觀眾的視覺效果，以下將主要分享超8K 球幕技術(shù)、3D 音響技術(shù)、激光秀技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)際效果。

2 超8K 球幕技術(shù)

分辨率是衡量圖像質(zhì)量好壞的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，超高的分辨率帶來更清晰的畫面感。對(duì)于天文館球幕影院而言，由于影院以放映天文節(jié)目為主，必然對(duì)分辨率的要求更高。那什么是球幕影院的分辨率? 到目前為止，大家公認(rèn)的一種方法就是計(jì)算經(jīng)過球心的經(jīng)線上像素?cái)?shù)量，這個(gè)數(shù)值大小決定球幕的分辨率(圖1)。像素的核算方法 (總值與凈值)還與其它因素相關(guān)，比如:邊緣融合，水平以下裁剪，由某種銀幕高寬比帶來的邊緣冗余，變形像素等，所投影的內(nèi)容和解碼方式也會(huì)影響實(shí)際分辨率，只有通過優(yōu)越的轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換后才可以得到令人滿意的高分辨率。世界上少數(shù)高端球幕影院經(jīng)線像素點(diǎn)能夠達(dá)到8000個(gè)像素點(diǎn)，也就意味著滿足播放8K 影片的功能要求。為了能更好地還原真實(shí)星空?qǐng)鼍?，上海天文館建設(shè)團(tuán)隊(duì)接受挑戰(zhàn)，聯(lián)合供應(yīng)商一起設(shè)計(jì)開發(fā)出一套超8K 球幕技術(shù)，讓觀眾盡可能獲得最佳視覺體驗(yàn)。

圖1 球幕示意圖

2.1 球幕放映方式

進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，球幕影院放映方式有三類:投影拼接、LED 球幕和IMAX 數(shù)字球幕。其中，投影拼接是采用多臺(tái)投影機(jī)拼接融合技術(shù)產(chǎn)生完整球幕影像，此類方式應(yīng)用時(shí)間較長、技術(shù)成熟、用戶數(shù)最多；LED 球幕是近幾年開發(fā)的一種新技術(shù)，運(yùn)用自發(fā)光元件模組組合成球型銀幕實(shí)現(xiàn)主動(dòng)投影，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)領(lǐng)先，但是資金投入巨大，透聲等多方面問題有待完善，案例稀少；IMAX 數(shù)字球幕采用單臺(tái)激光放映，其研發(fā)主要用于原有IMAX 膠片機(jī)的數(shù)字化改造，在電影放映方面有優(yōu)勢(shì)，但沒有天文演示等相關(guān)數(shù)據(jù)，功能相對(duì)單一。綜合考慮三種放映方式，設(shè)計(jì)方案最終選定采用投影拼接方式實(shí)現(xiàn)球幕影片的放映。

2.2 球幕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是我們選擇技術(shù)參數(shù)的重要依據(jù)。球幕影院建筑結(jié)構(gòu)特殊、放映方式特別，它屬于特種影院范疇，普通影院的聲畫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不適用于這類影院。目前，國內(nèi)已建成的大中型球幕影院 (銀幕直徑18米以上)30多座，小型和流動(dòng)型球幕影院更是不計(jì)其數(shù)，而國內(nèi)關(guān)于球幕影院聲畫質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚屬空白。2018年1月，國際大銀幕影院協(xié)會(huì) (GSCA)修訂和完善了沉浸式數(shù)字大銀幕技術(shù)規(guī)范DIGSS2.0，其中對(duì)于球幕影院數(shù)字圖像、音頻格式和影院設(shè)計(jì)方面提出了具體的技術(shù)要求和參考值，包括畫面的分辨率、對(duì)比度、亮度、幀率、色彩空間等，我們選取其中幾個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，以表格形式羅列出有關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 DIGSS2.0球幕影院技術(shù)指標(biāo)匯總表

通過表1 不難看出，建設(shè)一座高端球幕影院，需要滿足高分辨率 (4K/8K)、高幀率 (HFR)、廣色域(WCG)等技術(shù)指標(biāo)。

2.3 技術(shù)方案

天文館球幕影院主要以放映天文節(jié)目為主，我們參考國際大銀幕協(xié)會(huì) (GSCA)發(fā)布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒同行如美國休斯敦自然博物館、美國新澤西科學(xué)中心等球幕案例，權(quán)衡三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo) (對(duì)比度、亮度、分辨率)，最后實(shí)現(xiàn)超8K 球幕技術(shù)方案。

(1)對(duì)比度:要求放映畫面黑白對(duì)比層次感強(qiáng)，適合天文節(jié)目的放映，能很好表現(xiàn)星空特點(diǎn)，所以需要選定對(duì)比度高的工程機(jī)。經(jīng)過比對(duì)多家工程機(jī)廠商如SONY、CHRISTIE、JVC、NEC 的不同機(jī)型后，決定選用SONY VPL-GTZ280這款設(shè)備，其采用的LCOS技術(shù)對(duì)比度能達(dá)到20000∶1，滿足選型需求。

(2)亮度:SONY VPL-GTZ280在對(duì)比度上效果相當(dāng)出眾，但是亮度只能達(dá)到5000 流明，采用10臺(tái)拼接投影，雖然球幕整體分辨率能達(dá)到8K，但是亮度指標(biāo)遠(yuǎn)不能達(dá)到球幕標(biāo)準(zhǔn)值要求。為此，我們與多家供應(yīng)商進(jìn)行了溝通，尋找最佳方案。經(jīng)過模擬計(jì)算，使用20臺(tái)SONY VPL-GTZ280進(jìn)行投影拼接，理論上可以達(dá)到3FL。23米直徑的球幕表面積大概在830.53 平方米，換算為平方英尺為8936.5平方英尺。20臺(tái)SONY VPL-GTZ280 總亮度為100000流明，一般而言投射的光效率為56%左右，系統(tǒng)拼接融合效率為0.93左右，金屬銀幕增益值設(shè)定為0.55，系統(tǒng)實(shí)際有效亮度:100000/8936×56.13%×0.55×0.93＝3.2FL (此亮度值為系統(tǒng)平均亮度)。

(3)分辨率:球幕影院的分辨率是由球幕上每條經(jīng)過穹頂中心的經(jīng)線的像素個(gè)數(shù)來決定的。20臺(tái)SONY VPL-GTZ280 4K 投影機(jī)決定了經(jīng)線上的像素點(diǎn)超過8000個(gè)，理論上能達(dá)到10000個(gè)以上，也就是說最終球幕的分辨率實(shí)現(xiàn)為超8K 效果。投影機(jī)投射畫面采用分層布局方式，即7＋6＋5＋2的方式，從銀幕最底圈開始，分三層投射實(shí)現(xiàn)拼接融合，如圖2。最終拼接融合出超8K 的球幕畫面。

圖2 三層投射示意圖

2.4 應(yīng)用效果

上海天文館原創(chuàng)了一部8K 球幕科普影片 《蒼穹》(圖3)。通過使用超8K 球幕技術(shù)完成播放，實(shí)際效果出色。無論是星空斑斕，還是影片細(xì)節(jié)，超8K 的高清晰度的確帶給人們更細(xì)膩的視覺享受。當(dāng)然在實(shí)際運(yùn)行中，由于負(fù)責(zé)影片播放的工程機(jī)數(shù)量較多，畫面同步和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步加強(qiáng)。另外影院馬道空間不大，造成工程機(jī)日常維護(hù)困難，需要做好前期影院空間設(shè)計(jì)和施工準(zhǔn)備工作，便于后續(xù)設(shè)備安裝、調(diào)試和檢修。

圖3 球幕科普影片 《蒼穹》

3 3D音響技術(shù)

一次有效的天文館球幕影院體驗(yàn)，可以讓觀眾遨游到我們的知識(shí)和想象力所能達(dá)到的最遠(yuǎn)處，觸及空間的深處，而音響系統(tǒng)是用來支持這一體驗(yàn)的獨(dú)特裝備。從早期的單聲道到立體聲，再到環(huán)繞聲，后來發(fā)展為5.1、7.1聲道，到最新的基于對(duì)象的聲音突破傳統(tǒng)意義上的聲道概念，每一次的技術(shù)進(jìn)步都帶給人們更為真實(shí)、更具沉浸感的體驗(yàn)。

國內(nèi)科普?qǐng)鲳^球幕影院都采用5.1或7.1的還音技術(shù)。一般認(rèn)為，球幕構(gòu)造獨(dú)特，已經(jīng)自然產(chǎn)生沉浸聽覺效果，同時(shí)播放節(jié)目聲道數(shù)也局限在7個(gè)聲道里。而國外如美國或歐洲等地不少場(chǎng)館已經(jīng)在球幕影院中應(yīng)用3D 音響技術(shù)，突破球幕傳統(tǒng)還音技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)更多聲音表現(xiàn)，創(chuàng)造出來沉浸式音景，讓觀眾在情緒上以及理智上都認(rèn)為自己遨游到了一個(gè)新的不同空間，劇場(chǎng)還音效果是重點(diǎn)考慮的一個(gè)方面，上海天文館球幕影院在設(shè)計(jì)之初就對(duì)標(biāo)世界最好球幕影院的建設(shè)要求，最后選擇采用3D音響技術(shù)應(yīng)用于球幕上。

3.1 3D音響系統(tǒng)介紹

我們把球幕音響設(shè)計(jì)想法與多家供應(yīng)商溝通，最后采用了Meyer Sound 的技術(shù)方案，Spacemap三維效果聲系統(tǒng)與我們現(xiàn)行所說的5.1、7.1是有根本區(qū)別的。Spacemap系統(tǒng)中所能允許的最大輸出量為512路，所以通過這個(gè)系統(tǒng)可以簡單快捷地做出511.1聲道，或者510.2聲道等。而且可以讓音效在這幾百只揚(yáng)聲器中任意地移動(dòng)。Meyer Sound Spacemap是基于對(duì)象的音頻控制技術(shù)，使用恒定功率分配的先進(jìn)聲像定位方式。通過在多只揚(yáng)聲器之間制造幅度差來對(duì)聲源進(jìn)行定位，對(duì)于給定的聽音范圍，這種定位方式能夠提供最為聚焦的聲像。通過空間中三點(diǎn)構(gòu)成平面的想法，將三維的空間通過若干個(gè)三角形展開成一個(gè)平面的模式，Spacemap通過揚(yáng)聲器、虛擬和靜音三種節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同的需求來構(gòu)筑“聲學(xué)三角形”，從而提供一個(gè)直觀的控制界面，音效設(shè)計(jì)師和錄音工程師可以很清楚地看到聲音移動(dòng)的情況，同時(shí)，也可以很方便地調(diào)整移動(dòng)軌跡，以達(dá)到令人滿意的音效。

Meyer Sound D-Mitri數(shù)字音頻平臺(tái)采用AVB音頻協(xié)議，最大可構(gòu)成288 通道輸入、288 通道母線、288 通道輸出的大型矩陣音頻系統(tǒng)，結(jié)合CueStation軟件可以實(shí)現(xiàn)豐富的演出自動(dòng)化功能。此外，平臺(tái)還包含Spacemap空間聲像控制技術(shù)以及VRAS可變房間聲學(xué)技術(shù)，能夠?yàn)樗囆g(shù)家、音頻工程師、演出場(chǎng)館等提供全方位的沉浸式音頻技術(shù)。上海天文館球幕影院使用D-Mitri系統(tǒng)具有64軌硬盤播放機(jī)以及額外的8通道音頻輸入，共同組成72軌音源，通過Spacemap技術(shù)將這些音軌分配輸出至36通道的揚(yáng)聲器系統(tǒng)中，為每一軌音源提供精確的聲像，并能夠隨著節(jié)目的內(nèi)容，使聲像在整個(gè)三維空間內(nèi)移動(dòng)。其中主聲道和環(huán)繞聲道為32只，次低頻為4個(gè)，舞臺(tái)返聽為4個(gè)，總共40只揚(yáng)聲器，這些揚(yáng)聲器共同組成了音響矩陣，形成3D 環(huán)繞立體音響系統(tǒng)。

3.2 球幕影院音響系統(tǒng)揚(yáng)聲器布局

系統(tǒng)采用40只揚(yáng)聲器構(gòu)成的3D 立體環(huán)繞聲系統(tǒng)，分為3層安裝，沿著金屬球幕分別布置在銀幕的龍骨上。第一層安裝4只低頻揚(yáng)聲器和16只全頻揚(yáng)聲器，第二層安裝8只揚(yáng)聲器，第三層安裝8只揚(yáng)聲器，如圖4。

圖4 UPJ-1P為全頻揚(yáng)聲器型號(hào)900-LFC為低頻揚(yáng)聲器型號(hào)

3.3 音響系統(tǒng)擴(kuò)聲

球幕影院不是單一功能的專業(yè)場(chǎng)所，在滿足電影視頻播放前提下，還應(yīng)兼顧多功能要求，即具有較高的適應(yīng)性，如小型演出、報(bào)告、會(huì)議、演講等功能，發(fā)揮最大使用功能。Meyer Sound 這套音響系統(tǒng)能夠切換不同混響模式，包括影片播放、音樂會(huì)、演講報(bào)告等不同表演形式都可以支持。由于不同的使用場(chǎng)景對(duì)音效效果要求不同，我們根據(jù)不同的輸入通道，通過YAMAHA 數(shù)字調(diào)音臺(tái)設(shè)置不同使用場(chǎng)景，使用調(diào)音臺(tái)自帶的混響器切換混響效果，能夠滿足影片播放、小型演講及舉辦小型音樂會(huì)活動(dòng)，豐富了系統(tǒng)使用場(chǎng)景。通過調(diào)音臺(tái)本地接口和配備接口箱，系統(tǒng)具有豐富的接口配置，使得系統(tǒng)具有廣泛的擴(kuò)展性和兼容性，可外接各種外部設(shè)備，能夠兼容各種外部音源及主流影片音軌標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 應(yīng)用效果

2021年7月17日，上海天文館正式建成開館，當(dāng)日在球幕影院舉行了一場(chǎng)獨(dú)特的星空音樂會(huì)。音樂會(huì)集古典演奏樂曲、演唱曲目以及天文館原創(chuàng)音樂于一體，共呈現(xiàn)八首音樂作品，包含電音、鋼琴獨(dú)奏、三重奏、阿卡貝拉等多種表現(xiàn)形式。音樂會(huì)樂曲與天文館展覽內(nèi)容相契合，利用球幕呈現(xiàn)天體、銀河、星云等星空元素，結(jié)合音樂展現(xiàn)天文之美，連接人與宇宙。風(fēng)格多樣的音樂表演形式，打造360度感官體驗(yàn)，讓觀眾沉醉在廣袤星空下的音樂盛宴之中(圖5)。

圖5 音樂會(huì)現(xiàn)場(chǎng)照

4 激光秀

激光秀以表演藝術(shù)為基礎(chǔ)，以彩色激光為載體，配合獨(dú)特的創(chuàng)意構(gòu)思，融入交互動(dòng)作，從多元化空間表現(xiàn)出夢(mèng)幻的激光影像和絢爛奪目的光影效果，其廣泛應(yīng)用于如水幕、舞臺(tái)表演、戶外燈光秀等，而在球幕應(yīng)用激光秀的案例不多。目前國內(nèi)還未有使用先例，國外一些科普?qǐng)鲳^已有涉足。激光秀不僅能拓展球幕影院除觀影之外的功能，同時(shí)也增加節(jié)目娛樂性，從而吸引更多觀眾參觀。上海天文館建設(shè)團(tuán)隊(duì)首次把球幕激光秀項(xiàng)目引入國內(nèi)，希望能讓國內(nèi)觀眾欣賞到球幕激光帶來的與眾不同的體驗(yàn)。

4.1 整體設(shè)計(jì)思路

(1)最佳的掃描和激光光束質(zhì)量覆蓋觀眾主視角，實(shí)現(xiàn)閃爍和高清畫質(zhì)的激光表演。

(2)激光不但能產(chǎn)生靜態(tài)效果還有光柵效果，激光系統(tǒng)能在5分鐘的表演時(shí)間內(nèi)發(fā)射出一系列水平和垂直的光束和激光投影。

(3)用高質(zhì)量的激光投影和光束效果覆蓋球幕270°～300°范圍。

(4)常規(guī)的空中激光效果，結(jié)合最少的人工煙霧，實(shí)現(xiàn)最佳的可見度。

(5)激光系統(tǒng)安裝于球幕投影儀的上方或旁邊，而且考慮到檢修和安全放映要求，它們之間需要足夠空間。

(6)實(shí)現(xiàn)激光秀自主制作需要有強(qiáng)大的編輯功能。

需要說明一點(diǎn)，我們將投影范圍限制為270°～300°是因?yàn)槿庋蹮o法及時(shí)跟隨360°投影區(qū)域，從而有效節(jié)約設(shè)備成本。

4.2 系統(tǒng)設(shè)備集成

(1)激光器技術(shù)參數(shù)。二極管光源激光光斑直徑小于4mm，全角發(fā)散角小于1.1毫弧度，最高掃描速度大于50K，最大掃描角度大于60°；OPSL相干光源激光器光斑直徑小于3mm；霧機(jī)霧化粒徑小于0.7微米，最大霧輸出大于100立方米。

(2)硬件。本系統(tǒng)由10臺(tái)tarm 5、2臺(tái)tarm HD、12個(gè)DSP 激光控制器、12個(gè)ILDA 信號(hào)發(fā)送器、2臺(tái)Martin JEM Hazer Pro、1個(gè)急停按鈕、2個(gè)交換機(jī)和若干線材、1臺(tái)圖形工作站、2臺(tái)Me1霧機(jī)、網(wǎng)線、ILDA 信號(hào)線、保險(xiǎn)繩組成等，見圖6。

圖6 激光表演系統(tǒng)示意圖

(3)軟件。1套Lasergraph DSP Playback 軟件，用來對(duì)DSP 激光燈控制器進(jìn)行連接和操作，可管理所有連接在Mark2控制器和PC上的外部設(shè)備。1套Lasergraph DSP Mark 2軟件支持融合拼接等復(fù)雜配置下的激光節(jié)目編程，可以將使用3DS創(chuàng)建的動(dòng)畫輕松使用此插件導(dǎo)出為激光節(jié)目程序的專用文件格式或序列素材庫，內(nèi)含10000個(gè)以上涵蓋各種場(chǎng)合的精彩的動(dòng)畫和圖片素材。定制1部激光表演節(jié)目，時(shí)間≤5分鐘。

4.3 應(yīng)用效果

激光秀項(xiàng)目在硬件采購和設(shè)備安裝方面國內(nèi)都有專業(yè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，但是在激光秀節(jié)目的制作方面有所欠缺，所以天文館球幕激光秀的藝術(shù)創(chuàng)作環(huán)節(jié)我們專門邀請(qǐng)了德國的工程師進(jìn)行節(jié)目藝術(shù)加工。整個(gè)激光秀節(jié)目利用聲、光、電等物理、化學(xué)的多種科學(xué)原理，用奇特的藝術(shù)構(gòu)思，形成種種離奇巧妙的表演形象，結(jié)合球幕影院結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完美呈現(xiàn)天文元素與藝術(shù)創(chuàng)作的融合。節(jié)目通過幕前秀的方式展現(xiàn)給觀眾，深受觀眾喜愛。另外，在我館原創(chuàng)電影《蒼穹》中，我們也嘗試根據(jù)電影情節(jié)變化同步增加激光藝術(shù)效果，在觀影沉浸過程中增加一道獨(dú)特的視覺體驗(yàn)，見圖7。

圖7 激光秀表演

5 結(jié)束語

超8K 球幕技術(shù)、3D 音響技術(shù)、激光秀技術(shù)在天文館球幕影院成功應(yīng)用，取得良好效果，吸引大量觀眾參觀，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)預(yù)期目標(biāo)。與此同時(shí)，我們也看到硬件方面實(shí)現(xiàn)世界頂級(jí)，而軟件層面還有欠缺，想要真正發(fā)揮出這些先進(jìn)技術(shù)的功效，需要有強(qiáng)大的內(nèi)容制作團(tuán)隊(duì)作為支撐。科普?qǐng)鲳^特效影院如何高質(zhì)量發(fā)展，吸引更多的游客走進(jìn)特效影院，發(fā)揮好影視科普陣地作用，需要我們大力推進(jìn)內(nèi)容制作、跨界融合發(fā)展，共同探究特效影院內(nèi)容建設(shè)方面的想法、思路。