淺談特效影院升級改造
——以北京天文館4D劇場為例

萬米洋 李 淼 李艷濤

(北京天文館,北京 100044)

1 引言

北京天文館于1957年正式建成并對社會公眾開放,是我國首座大型專業天文館,作為國家一級博物館、全國4A 級旅游景區,每年為數百萬觀眾提供內容豐富、形式多樣的天文科普教育服務。同時,北京天文館也是一所以劇場為核心展示內容的博物館,其涵蓋了4座不同類型的特效影院,包括天象廳、宇宙劇場、3D 和4D 劇場,其中4D 劇場作為備受觀眾喜愛的特效影院之一,年均開放270 天、播放科普節目1300 余場、服務觀眾達17 萬人次,還曾多次承接北京市科學技術協會、中國自然科學博物館協會等舉辦的國際電影節展映活動,是北京天文館重要的科普陣地。通過對4D 劇場進行升級改造,將有助于提升觀眾科普體驗效果,豐富充實教育活動內容,滿足觀眾多樣化的科普需求,從而更好地發揮科普教育功能。

2 現狀分析

北京天文館4D 劇場于2004年建成開放,2011年進行了數字化升級改造,在擔負著科普傳播重要使命的同時,出現了放映設備老化、音響性能減弱、特效系統故障等問題。

2.1 放映設備老化

目前4D 劇場的放映設備使用的是6 臺SONY T110投影機,亮度為11000流明,對比度為2500:1,以每天8小時高負荷運行10 年有余,光路老化嚴重,經過偏振片后,亮度降低50%,再加上銀幕陳舊、涂層脫落等原因,導致暗場環境下的畫面亮度較低。同時,劇場畫面是由2組3通道融合拼接形成的3D 畫面,總共由6 臺投影機投射畫面,因受投影機老化衰減程度不同影響,其自身的實際投射亮度、色彩均會存在差別,造成了拼接效果欠佳,導致整體畫面亮度及色彩不均,直接影響觀影效果。

2.2 音響性能減弱

4D 劇場現有的音頻系統所采用的是5.1環繞聲系統,由于播放節目的音源聲壓級較大,長期大功率高負荷使用,導致低音及中置音箱音盆存在一定損壞,造成音響性能減弱、節目音質下降。

2.3 特效系統故障

4D 劇場的特效設備由于長期使用各類液體,出現了管路腐蝕、生銹的情況,導致特效設備不靈敏,系統故障率頻發。此外,劇場內的200個特效座椅,在日常開放中是主要的設施耗材,隨著接待觀眾數量逐年遞增,座椅出現了皮面損壞、回彈故障、連接桿斷裂等不同程度的損壞,影響觀眾的觀影體驗。

3 改造工作

由于以上問題已影響到北京天文館的天文科普效果和科普傳播質量,因此4D 劇場的升級改造工作就顯得尤為迫切。通過前期市場調研,多種改造方案對比及技術方案匹配,計劃將此次改造工作分為三個模塊,即放映系統、音頻系統、特效系統,系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 4D劇場升級改造系統拓撲圖

3.1 放映系統

放映系統主要包括投影機和銀幕。投影機方面,按照DCI(Digital Cinema Initiatives)數字電影放映標準,亮度的參數要求是3D 銀幕亮度達到7±2f L。根據亮度計算公式:f L=投影機亮度÷投影面積×鏡頭衰減×偏振設備光效×銀幕增益×0.0929(1Lux=0.0929f L)(投影面積22×6平方米,鏡頭衰減按90%計算,3D 偏振鏡的光效為16%),因此要達到7f L,投影機的亮度應不低于30000lm。同時,考慮到激光光源可以有效降低圖像閃爍和氙燈耗材的運維成本,已經逐漸取代了氙燈光源,本次升級改造計劃采用3臺RGB三色激光投影機,光源壽命2萬小時以上,光通量大于30000lm,運行亮度衰減不超過20%,能夠保證長時間運行畫面依舊清晰亮麗。同時,根據日常場館開放情況及光源壽命,每年將節省18萬元燈泡耗材費用,從而解決目前使用的DLP投影機穩定性差、亮度衰減快、使用維護成本高等問題。此外,新的激光投影機將采用主動式3D 技術,配備單光路被動式3D 設備,將主動3D 信號轉為被動式圓偏振3D 畫面,可以配戴使用常規的圓偏振3D 眼鏡,技術圖如圖2 所示。其優勢是不僅提升了播放畫面整體亮度,且比現常規雙機被動方案節省3臺投影機,降低改造和后期維護成本。

圖2 主動式3D技術圖

銀幕方面,目前在國內市場中較為主流的品牌有江蘇紅葉、蕪湖影星等,進口銀幕則以英國的哈克尼斯為主。按照銀幕的類型又可分為金屬銀幕和普通白幕,金屬銀幕因其亮度系數較高,且偏振性能良好,可以提高畫面亮度,放映立體電影時,偏振光還原性好,比較適用于立體影片的放映。此外,增益系數、透聲孔密度等也是銀幕的重要參數,目前,國內銀幕的技術水平已較為成熟,能夠較好地滿足日常播放需求,本次升級改造在銀幕方面以GB/T 32200-2015《放映銀幕特性參數和測定方法》為參考標準,計劃采用高增益微孔金屬銀幕,增益系數β為2.4,有效散射角2α大于45°,解像力80線對/mm 以上,偏振比大于200:1,均勻性超過國標值,孔徑規格為φ0.6,銀幕穿孔率達4.03%,聲衰減8k Hz＜3dB、12.5k Hz＜6dB,確保產品符合《放映銀幕特性參數和測定方法》。同時,為了保證最佳的觀影效果,結合4D劇場的實際情況,其場地空間直徑為20.6m,寬度13.65m,天花板離地層高7.35m,計劃將銀幕規格設計為21.6×5.7m,銀幕離地高度(下視點)為1200mm,保證最近視距為5.2m,水平視角大于180°;最遠視距為16.1m,水平視角為108°。如圖3所示。

圖3 銀幕規格示意圖

3.2 音頻系統

目前影院市場中的音頻系統除了傳統的5.1、7.1多聲道環繞聲系統,還出現了沉浸式音頻系統,諸如杜比全景聲、DTS:X 臨境音系統、雷歐尼斯的HoloSound、巴可的Auro Max 等都在市場中占有一定的份額,各家公司打造的沉浸式音頻技術突破了原有5.1以及7.1聲道的概念,通過在影廳相應的位置部署更多的揚聲器來支持聲音的動態位移,為觀眾創造出包圍感極強的觀影體驗,實現全方位的三維立體聲場效果,場景帶入感更加明顯。但目前由于片源供應和制作問題,影院影片若沒有全景聲片源,則無法發揮其效果,造成改造成本的浪費。目前4D 劇場在映影片受限于現有音頻系統,并未采用沉浸式音頻格式,考慮到影院建筑面積和設備使用維護成本,性價比較高、技術較為成熟的7.1環繞聲(Surround 7.1)音頻系統已能夠完全滿足此次影院改造需要。7.1環繞聲的其中一項創新是在影院中形成四個獨特的環繞區,改善電影音頻的空間維度,并增強電影音軌的總體音頻清晰度,使觀眾更清晰、更真切地聽到各種音效。

音頻設備上計劃采用一臺影院音頻處理器與視頻服務器完美兼容,它可以從多種數字音頻源接收音頻信號并進行處理,通過網絡進行更新、控制和監測。揚聲器選用國際知名品牌,主揚聲器采用5只,支架安裝于透聲銀幕后,中高頻單元高度位于銀幕高度2/3處;2只次低頻揚聲器,安裝在地面透聲銀幕后,還原影片低頻聲道聲音;左右側墻共4只環繞揚聲器、后墻4只環繞揚聲器,還原影片環繞聲道聲音,揚聲器點位如圖4所示。同時,選用雙通道功率放大器,根據揚聲器額定阻抗及功率進行配置,并提供影院系統足夠的功率冗余,提高影院還音系統的安全可靠性。

圖4 揚聲器點位圖

3.3 特效系統

此次特效系統的升級改造主要是針對特效設備及座椅進行更新升級。特效設備包括頻閃燈、雪花機、泡泡機等,根據目前4D 劇場在影片內容,如《小強的故事》《撞擊與生命》《穿越寒武紀》等影片,其故事情節多伴隨閃電、下雪、海洋、煙霧等,因此在紛繁的特效設備選型上,不能一味地求多,要結合影院實際情況進行挑選,在達到觀影時最好效果的同時,降低改造和后期維護成本,設備選型如表1所示。所有特效設備均具有工業級全光電隔離、抗強電磁干擾、閉環精確控制、穩定可靠的特征。同時支持包括開關量、模擬量、DMX512等多種控制協議,以及自定義RS-485 控制編碼協議,使燈光、雪花、泡泡等多種模擬仿真特效設備可以協同工作,同步模擬出與電影畫面一致的場景,真實還原影片中的情節和效果。

表1 特效設備選型表

表2 特效座椅功能

特效座椅是4D 影院最核心的特效組成部分,觀眾在觀看影片時,特效座椅能夠產生噴水、噴氣、掃腿、耳風、捅背等特效。這些座椅特效配合影院的環境特效(燈光、泡泡、煙霧等)、立體畫面、環繞音響與影片的劇情緊密結合,給觀眾帶來視覺、聽覺、觸覺等全方位沉浸式的感官體驗。座椅功能的選擇也同特效設備一樣,要根據影片內容進行仔細篩選,座椅特效通過UDP 通信協議控制,定制開發的特效控制器、工業級可編程邏輯控制器配合開關量和模擬量的信號采集構成閉環實時控制,同步指標控制在1幀以內,有效保證了特效系統控制的同步性和實時性,座椅選型如表2所示。

此外,由于4D 劇場位于北京天文館B 館的二層,在座椅選型上要特別考慮到新型特效座椅本身的自重、平均荷載等問題。因此,我們結合實際情況,從安全的角度出發,首先對原座椅荷載進行了初步負荷測量計算,如表3所示,再根據測算結果選擇合適的座椅,參數如表4所示。

表3 4D 劇場座椅荷載情況(按滿場最大重量初步核算)

表4 特效座椅參數

最后,此次升級改造也考慮到了觀眾觀影的舒適度,在目前劇場面積不變的基礎上,通過實地測量計算,計劃將排間距拓寬,由原來的1100mm 提升至1150mm,充分利用劇場建筑空間,在保證消防疏散標準的要求下,提升觀眾觀影的舒適度。由于排距的增加,座椅臺階的高度也要相應地重新進行設計,初步設計為150mm,以確保后排觀眾的視線不會被前排觀眾所遮擋,如圖5所示。

圖5 劇場立面圖

4 預期目標

通過對4D 劇場的升級改造,計劃達到以下預期目標:(1)整體目標:提高影院放映效果,完善天文科普陣地建設。放映系統為觀眾提供更佳的影片畫面效果;音頻系統保證觀眾擁有震撼的音效體驗;特效系統讓觀眾獲得視覺、聽覺、觸覺等全方位的沉浸式感受。(2)質量目標:整體系統故障率(故障率=因故障未開放天數/全年應開放天數×100%)≤5%。(3)社會效益目標:年正常運行時間≥1600小時,年放映≥1300場,年均接待人數≥17萬人次,同時可承接特效影片展映活動,提高社會影響力。(4)滿意度目標:試運行3個月,進行滿意度調查,觀眾滿意度≥90%。通過設定以上預期目標,計劃將4D 科普劇場打造成集立體科普節目放映、會議講座承辦、國內外電影節展映等功能于一體的多功能廳。預期效果如圖6所示。

圖6 4D劇場升級改造效果圖

5 總結

科普場館特效影院的升級改造,不是簡單的設備拼湊,需要通過各系統軟硬件的相互配合、協調形成整體合力,以發揮整體系統的最大功效。此外,從資金的角度來講,博物館、科技館等科普場館不同于商業影院,其改造資金主要來自市財政撥款,需要讓有限的資金發揮最大的公共社會效益,因此在改造過程中,一定要結合特效影院的特點,尤其是影片內容,有針對性地對設備進行選型,不能一味地求多、求新,造成改造成本的浪費,應結合實際情況,多方論證選出最佳的設備升級改造方案,以實現影院和科普效果最優化。

國家近期的“雙減政策”中也提出:應積極拓展學生課后服務渠道,充分利用社會資源,發揮好少年宮、青少年活動中心等校外活動場所在課后服務中的作用。北京天文館作為中小學生重要的科普教育教學陣地,將積極響應國家政策,以場館資源為依托,努力提升特效影院的效果和功能,為提升公民科學素養貢獻力量。