新技術在上海天文館球幕影院中的應用

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)自由貿易試驗區臨港新片區滴水湖畔，2016年11月8 日開工建設，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設施，其占地面積約5.86萬平米，建筑面積3.8萬平米，為世界規模最大的天文館。全館以 “連接人和宇宙”為展示主題，設置“家園” “宇宙” “征程”三大主題展區、“中華問天”“好奇星球” “航向火星”三個特色展區、一個多功能球幕影院及教育活動區。館內藏有約70件隕石樣本與超過120件/套文物藏品，配有四大專業級天文觀測及天象演示設備，共計展品300余件。

眾所周知，球幕影院是天文館建設的標配項目，它在整個天文館展示架構中發揮極其重要的作用，是傳播科學知識的重要場地之一。上海天文館建設團隊前期充分參考國內外科普場館球幕影院建設案例，依據國際行業組織發布的球幕技術標準，綜合分析并判斷球幕技術的發展趨勢，結合上海天文館球幕影院世界一流建設定位和多功能演繹需求，最終設計出一套集成數字影片播放、3D 音響、激光秀及現場舞臺表演等多功能沉浸式超8K 數字球幕系統，為觀眾展現最遠的星系、最新發現的系外行星和驚人的天文發現，演示星光燦爛的夜空，創作出清晰而生動的沉浸式體驗節目。整套系統運用了多項新技術來實現我們所要呈現給觀眾的視覺效果，以下將主要分享超8K 球幕技術、3D 音響技術、激光秀技術的應用和實際效果。

2 超8K 球幕技術

分辨率是衡量圖像質量好壞的一個關鍵技術指標，超高的分辨率帶來更清晰的畫面感。對于天文館球幕影院而言，由于影院以放映天文節目為主，必然對分辨率的要求更高。那什么是球幕影院的分辨率? 到目前為止，大家公認的一種方法就是計算經過球心的經線上像素數量，這個數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，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，所投影的內容和解碼方式也會影響實際分辨率，只有通過優越的轉換器件轉換后才可以得到令人滿意的高分辨率。世界上少數高端球幕影院經線像素點能夠達到8000個像素點，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星空場景，上海天文館建設團隊接受挑戰，聯合供應商一起設計開發出一套超8K 球幕技術，讓觀眾盡可能獲得最佳視覺體驗。

圖1 球幕示意圖

2.1 球幕放映方式

進入數字時代，球幕影院放映方式有三類:投影拼接、LED 球幕和IMAX 數字球幕。其中，投影拼接是采用多臺投影機拼接融合技術產生完整球幕影像，此類方式應用時間較長、技術成熟、用戶數最多；LED 球幕是近幾年開發的一種新技術，運用自發光元件模組組合成球型銀幕實現主動投影，其各項技術指標領先，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 數字球幕采用單臺激光放映，其研發主要用于原有IMAX 膠片機的數字化改造，在電影放映方面有優勢，但沒有天文演示等相關數據，功能相對單一。綜合考慮三種放映方式，設計方案最終選定采用投影拼接方式實現球幕影片的放映。

2.2 球幕技術標準

行業技術標準是我們選擇技術參數的重要依據。球幕影院建筑結構特殊、放映方式特別，它屬于特種影院范疇，普通影院的聲畫質量標準不適用于這類影院。目前，國內已建成的大中型球幕影院 (銀幕直徑18米以上)30多座，小型和流動型球幕影院更是不計其數，而國內關于球幕影院聲畫質量的標準和規范尚屬空白。2018年1月，國際大銀幕影院協會 (GSCA)修訂和完善了沉浸式數字大銀幕技術規范DIGSS2.0，其中對于球幕影院數字圖像、音頻格式和影院設計方面提出了具體的技術要求和參考值，包括畫面的分辨率、對比度、亮度、幀率、色彩空間等，我們選取其中幾個重要技術指標，以表格形式羅列出有關數據，如表1所示。

表1 DIGSS2.0球幕影院技術指標匯總表

通過表1 不難看出，建設一座高端球幕影院，需要滿足高分辨率 (4K/8K)、高幀率 (HFR)、廣色域(WCG)等技術指標。

2.3 技術方案

天文館球幕影院主要以放映天文節目為主，我們參考國際大銀幕協會 (GSCA)發布的技術標準，借鑒同行如美國休斯敦自然博物館、美國新澤西科學中心等球幕案例，權衡三個關鍵技術指標 (對比度、亮度、分辨率)，最后實現超8K 球幕技術方案。

(1)對比度:要求放映畫面黑白對比層次感強，適合天文節目的放映，能很好表現星空特點，所以需要選定對比度高的工程機。經過比對多家工程機廠商如SONY、CHRISTIE、JVC、NEC 的不同機型后，決定選用SONY VPL-GTZ280這款設備，其采用的LCOS技術對比度能達到20000∶1，滿足選型需求。

(2)亮度:SONY VPL-GTZ280在對比度上效果相當出眾，但是亮度只能達到5000 流明，采用10臺拼接投影，雖然球幕整體分辨率能達到8K，但是亮度指標遠不能達到球幕標準值要求。為此，我們與多家供應商進行了溝通，尋找最佳方案。經過模擬計算，使用20臺SONY VPL-GTZ280進行投影拼接，理論上可以達到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，系統拼接融合效率為0.93左右，金屬銀幕增益值設定為0.55，系統實際有效亮度:100000/8936×56.13%×0.55×0.93＝3.2FL (此亮度值為系統平均亮度)。

(3)分辨率:球幕影院的分辨率是由球幕上每條經過穹頂中心的經線的像素個數來決定的。20臺SONY VPL-GTZ280 4K 投影機決定了經線上的像素點超過8000個，理論上能達到10000個以上，也就是說最終球幕的分辨率實現為超8K 效果。投影機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，分三層投射實現拼接融合，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 應用效果

上海天文館原創了一部8K 球幕科普影片 《蒼穹》(圖3)。通過使用超8K 球幕技術完成播放，實際效果出色。無論是星空斑斕，還是影片細節，超8K 的高清晰度的確帶給人們更細膩的視覺享受。當然在實際運行中，由于負責影片播放的工程機數量較多，畫面同步和穩定性需要進一步加強。另外影院馬道空間不大，造成工程機日常維護困難，需要做好前期影院空間設計和施工準備工作，便于后續設備安裝、調試和檢修。

圖3 球幕科普影片 《蒼穹》

3 3D音響技術

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

國內科普場館球幕影院都采用5.1或7.1的還音技術。一般認為，球幕構造獨特，已經自然產生沉浸聽覺效果，同時播放節目聲道數也局限在7個聲道里。而國外如美國或歐洲等地不少場館已經在球幕影院中應用3D 音響技術，突破球幕傳統還音技術。為了實現更多聲音表現，創造出來沉浸式音景，讓觀眾在情緒上以及理智上都認為自己遨游到了一個新的不同空間，劇場還音效果是重點考慮的一個方面，上海天文館球幕影院在設計之初就對標世界最好球幕影院的建設要求，最后選擇采用3D音響技術應用于球幕上。

3.1 3D音響系統介紹

我們把球幕音響設計想法與多家供應商溝通，最后采用了Meyer Sound 的技術方案，Spacemap三維效果聲系統與我們現行所說的5.1、7.1是有根本區別的。Spacemap系統中所能允許的最大輸出量為512路，所以通過這個系統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聲器中任意地移動。Meyer Sound Spacemap是基于對象的音頻控制技術，使用恒定功率分配的先進聲像定位方式。通過在多只揚聲器之間制造幅度差來對聲源進行定位，對于給定的聽音范圍，這種定位方式能夠提供最為聚焦的聲像。通過空間中三點構成平面的想法，將三維的空間通過若干個三角形展開成一個平面的模式，Spacemap通過揚聲器、虛擬和靜音三種節點，根據不同的需求來構筑“聲學三角形”，從而提供一個直觀的控制界面，音效設計師和錄音工程師可以很清楚地看到聲音移動的情況，同時，也可以很方便地調整移動軌跡，以達到令人滿意的音效。

Meyer Sound D-Mitri數字音頻平臺采用AVB音頻協議，最大可構成288 通道輸入、288 通道母線、288 通道輸出的大型矩陣音頻系統，結合CueStation軟件可以實現豐富的演出自動化功能。此外，平臺還包含Spacemap空間聲像控制技術以及VRAS可變房間聲學技術，能夠為藝術家、音頻工程師、演出場館等提供全方位的沉浸式音頻技術。上海天文館球幕影院使用D-Mitri系統具有64軌硬盤播放機以及額外的8通道音頻輸入，共同組成72軌音源，通過Spacemap技術將這些音軌分配輸出至36通道的揚聲器系統中，為每一軌音源提供精確的聲像，并能夠隨著節目的內容，使聲像在整個三維空間內移動。其中主聲道和環繞聲道為32只，次低頻為4個，舞臺返聽為4個，總共40只揚聲器，這些揚聲器共同組成了音響矩陣，形成3D 環繞立體音響系統。

3.2 球幕影院音響系統揚聲器布局

系統采用40只揚聲器構成的3D 立體環繞聲系統，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只低頻揚聲器和16只全頻揚聲器，第二層安裝8只揚聲器，第三層安裝8只揚聲器，如圖4。

圖4 UPJ-1P為全頻揚聲器型號900-LFC為低頻揚聲器型號

3.3 音響系統擴聲

球幕影院不是單一功能的專業場所，在滿足電影視頻播放前提下，還應兼顧多功能要求，即具有較高的適應性，如小型演出、報告、會議、演講等功能，發揮最大使用功能。Meyer Sound 這套音響系統能夠切換不同混響模式，包括影片播放、音樂會、演講報告等不同表演形式都可以支持。由于不同的使用場景對音效效果要求不同，我們根據不同的輸入通道，通過YAMAHA 數字調音臺設置不同使用場景，使用調音臺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活動，豐富了系統使用場景。通過調音臺本地接口和配備接口箱，系統具有豐富的接口配置，使得系統具有廣泛的擴展性和兼容性，可外接各種外部設備，能夠兼容各種外部音源及主流影片音軌標準。

3.4 應用效果

2021年7月17日，上海天文館正式建成開館，當日在球幕影院舉行了一場獨特的星空音樂會。音樂會集古典演奏樂曲、演唱曲目以及天文館原創音樂于一體，共呈現八首音樂作品，包含電音、鋼琴獨奏、三重奏、阿卡貝拉等多種表現形式。音樂會樂曲與天文館展覽內容相契合，利用球幕呈現天體、銀河、星云等星空元素，結合音樂展現天文之美，連接人與宇宙。風格多樣的音樂表演形式，打造360度感官體驗，讓觀眾沉醉在廣袤星空下的音樂盛宴之中(圖5)。

圖5 音樂會現場照

4 激光秀

激光秀以表演藝術為基礎，以彩色激光為載體，配合獨特的創意構思，融入交互動作，從多元化空間表現出夢幻的激光影像和絢爛奪目的光影效果，其廣泛應用于如水幕、舞臺表演、戶外燈光秀等，而在球幕應用激光秀的案例不多。目前國內還未有使用先例，國外一些科普場館已有涉足。激光秀不僅能拓展球幕影院除觀影之外的功能，同時也增加節目娛樂性，從而吸引更多觀眾參觀。上海天文館建設團隊首次把球幕激光秀項目引入國內，希望能讓國內觀眾欣賞到球幕激光帶來的與眾不同的體驗。

4.1 整體設計思路

(1)最佳的掃描和激光光束質量覆蓋觀眾主視角，實現閃爍和高清畫質的激光表演。

(2)激光不但能產生靜態效果還有光柵效果，激光系統能在5分鐘的表演時間內發射出一系列水平和垂直的光束和激光投影。

(3)用高質量的激光投影和光束效果覆蓋球幕270°～300°范圍。

(4)常規的空中激光效果，結合最少的人工煙霧，實現最佳的可見度。

(5)激光系統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)實現激光秀自主制作需要有強大的編輯功能。

需要說明一點，我們將投影范圍限制為270°～300°是因為肉眼無法及時跟隨360°投影區域，從而有效節約設備成本。

4.2 系統設備集成

(1)激光器技術參數。二極管光源激光光斑直徑小于4mm，全角發散角小于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。本系統由10臺tarm 5、2臺tarm HD、12個DSP 激光控制器、12個ILDA 信號發送器、2臺Martin JEM Hazer Pro、1個急停按鈕、2個交換機和若干線材、1臺圖形工作站、2臺Me1霧機、網線、ILDA 信號線、保險繩組成等，見圖6。

圖6 激光表演系統示意圖

(3)軟件。1套Lasergraph DSP Playback 軟件，用來對DSP 激光燈控制器進行連接和操作，可管理所有連接在Mark2控制器和PC上的外部設備。1套Lasergraph DSP Mark 2軟件支持融合拼接等復雜配置下的激光節目編程，可以將使用3DS創建的動畫輕松使用此插件導出為激光節目程序的專用文件格式或序列素材庫，內含10000個以上涵蓋各種場合的精彩的動畫和圖片素材。定制1部激光表演節目，時間≤5分鐘。

4.3 應用效果

激光秀項目在硬件采購和設備安裝方面國內都有專業團隊負責，但是在激光秀節目的制作方面有所欠缺，所以天文館球幕激光秀的藝術創作環節我們專門邀請了德國的工程師進行節目藝術加工。整個激光秀節目利用聲、光、電等物理、化學的多種科學原理，用奇特的藝術構思，形成種種離奇巧妙的表演形象，結合球幕影院結構特點，完美呈現天文元素與藝術創作的融合。節目通過幕前秀的方式展現給觀眾，深受觀眾喜愛。另外，在我館原創電影《蒼穹》中，我們也嘗試根據電影情節變化同步增加激光藝術效果，在觀影沉浸過程中增加一道獨特的視覺體驗，見圖7。

圖7 激光秀表演

5 結束語

超8K 球幕技術、3D 音響技術、激光秀技術在天文館球幕影院成功應用，取得良好效果，吸引大量觀眾參觀，實現團隊預期目標。與此同時，我們也看到硬件方面實現世界頂級，而軟件層面還有欠缺，想要真正發揮出這些先進技術的功效，需要有強大的內容制作團隊作為支撐?？破請鲳^特效影院如何高質量發展，吸引更多的游客走進特效影院，發揮好影視科普陣地作用，需要我們大力推進內容制作、跨界融合發展，共同探究特效影院內容建設方面的想法、思路。