基于數字天象演示系統的球幕天象節目制作探索

趙然子 唐劍波 吳 丹 宋 楠

中國科學技術館，北京 100012

球幕影院及天文館（天象廳）是科技館在天文科普方面的重要宣傳陣地，其實現途徑主要有兩種：一是基于天象演示系統的實時演示講解；二是回放式天象節目，也就是天文類球幕電影的播放。

基于天象演示系統的實時演示講解因其良好的互動性等優勢廣泛受到觀眾的喜愛，但其缺點是對講解教師的能力要求較高[1]，規模性推廣和復制能力不足。回放式天象節目有效避免了上述缺陷，不需要影院配備具有天文知識和演講能力的教師，因此具備容易復制和進行規模性推廣的特性，可以普惠更多需要天文知識的公眾，是現階段國內球幕影院天文科普所采取的重要手段。

球幕影院可以營造一個沉浸式的虛擬環境，可以令數百名觀眾同時擁有沉浸式的視覺體驗。精心設計的沉浸式內容能很好地傳達知識，令觀眾產生更大的學習興趣，在傳達科學概念方面比電影銀幕或電視更有效[2]。在2020 年9 月11 日的科學家座談會上，習近平總書記多次提到“好奇心”，他指出：“科學研究特別是基礎研究的出發點往往是科學家探究自然奧秘的好奇心。”“好奇心是人的天性，對科學興趣的引導和培養要從娃娃抓起，使他們更多了解科學知識，掌握科學方法，形成一大批具備科學家潛質的青少年群體。”而且已有實驗證明，在沉浸式的學習環境中，可以達到很好的教育效果[3]。

回放式天象節目可以歸為天文題材類的球幕電影，眾所周知，球幕影片的制作無論實拍或是CG 動畫，成本都十分高昂，且相對于一般商業影片，因其格式特殊、市場容量小的特點，無法攤平高昂的制作成本，所以租賃價格不菲[4]，也導致部分場館因經費原因無法保持較為合理的節目更新頻率。

隨著計算機技術的飛速發展，數字天象演示設備不僅在科學可視化和三維動畫模型上愈加精細和逼真，更具備了視頻采集的功能，為科普場館自主開發回放式天象節目提供了硬件基礎，在天文演示視頻素材的獲取上，再次投入的成本相對于傳統的實拍和CG 動畫制作幾乎為零。

綜上所述，為了探索這一道路的可行性，中國科學技術館立項《基于數字天象演示系統的球幕天象節目開發研究》課題，該課題已于2023 年2 月結題，成果包含完全自主制作的21 分鐘4K 分辨率30FPS球幕天象節目《群星閃耀的夜空》一部（圖1），并歸納總結了球幕天象節目一般表現形式與開發流程等內容。

圖1 《群星閃耀的夜空》畫面截圖

1 國內球幕影院及天文館（天象廳）天象節目現狀

1.1 回放式天象節目占比大

2015 年，中國自然科學博物館學會科普場館特效影院專業委員會擁有48 家科普場館會員，共計91座特效影院，其中球幕影院（天象廳）共35 座，但這35 家球幕影院在2015 年全年僅開展20 余次實時類的天文相關教育活動，回放式影片占總播放類型的96%[4]。在課題組的調研中，截至2020 年，填寫調查問卷的94 個會員單位中，共有球幕影院（天象廳）53座，其中有31座具備開展天文教育活動的能力，但通過與這些場館溝通，其開展活動的總量仍遠小于播放天文影片的數量。

以中國科學技術館為例，2021 年全年球幕影院共放映回放式天象節目903 場，開展每期1 小時左右的實時天文講解類活動“球幕特色天文課”12 場，每期5 分鐘的“映前天文課”370 場。不難看出，在現階段，回放式天象節目在每年的播放場次、時長和服務觀眾數量上都占有絕對數量優勢，是國內球幕影院（天象廳）在天文科普方面所采用的主要手段。

1.2 球幕影片成本高、片租高

球幕影院（天象廳）相比同座位數的常規影院銀幕面積更大，相應的分辨率和幀率等畫面要求也更高。數字球幕影像畫幅比通常為1:1，為保證在球幕中良好的畫面質感，對于常規的球幕影院來說，4K(4096×4096)[5]分辨率和30FPS 是較為基礎的要求，要達到更優秀的效果，8K(8192×8192)[6]分辨率和60FPS是現在新安裝和改造的球幕影院所普遍支持的規格，這遠高于常規數字電影2K（2048×1080）[7]分辨率24FPS 或48FPS 和4K（4096×2160）[7]分辨率24FPS 或48FPS 的影片格式（圖2），因此無論實拍、CG 動畫制作、后期剪輯等成本都會以指數級增加。

圖2 8K 分辨率球幕畫面、4K 分辨率電影畫面對比[8]

1.3 地方場館經費有限、影片更新頻率低

由于球幕影院屬于特種影院，基本只在科技館、天文館等科普場所內建設，銀幕數量遠小于傳統商業影院，因此無法通過規模效應去攤平制作成本，制片商為了保證利潤，只能抬高其租賃價格，一個較大規模的球幕影院的影片租賃費用通常可以達到數萬美元。對于經費有限的場館，這是一個不菲的數字，這也導致國內許多場館無法保持合理的影片更新率。

課題組對52 個地方科技館球幕影院進行了調研，截至2021 年2 月，年采購影片數量為0 的場館數量高達22 個，占42.3%；每年采購1 部的場館數量為20 個，占38.5%；每年采購2 部及以上的場館有10個，占19.2%。這將導致一些無法保持影片更換率的影院吸引力下降，相對于球幕影院高昂的建設成本，也一定程度上造成了資源的浪費。這些接受調研的場館也紛紛表示希望能夠獲得優秀的科普科幻影片資源。

2 基于數字天象演示系統的球幕天象節目開發基礎

2.1 球幕影院天象演示設備資源優勢

中國科學技術館球幕影院在2018 年改造后，使用的是美國益世公司Digistar 6 數字天象演示系統，該系統具有內容豐富、數據龐大、還原精準、分辨率高等優勢，此外系統還具有將畫面逐幀采集為圖片的功能，可以支持8K 分辨率60FPS 幀率的無損畫面采集。市面主流的數字天象演示系統基本都具有相近的天文內容數據庫和演示功能，以及一定的畫面采集能力，可以為天象節目的制作提供充足和準確的素材內容。

課題組對系統功能進行了梳理，結合教育活動開發所積累的經驗，梳理出系統的主要內容如下：

（1）Digistar 6 系統的數字星空數據庫包含了從太陽系到恒星及整個銀河系，再到河外天體的多個星表和天體的數據庫；

（2）太陽系天體、人造天體、星云星系等三維模型，高分辨率行星、衛星表面數據及3D 地形、模型的導入功能；

（3）可切換中英文國際標準星座名、星座線，中國古代星空的星區劃分、星座名、星座連線、星座圖等；

（4）能夠演示太陽系各天體的基本運動，演示日食、月食、彗星、流星雨等天文現象的歷史重現及未來預演；

（5）恒星的視差，以公元2000 年為基準±100 萬年的歲差及恒星自行演示；

（6）演示宇宙飛行到地球及其他太陽系天體表面近距離觀看天體，在宇宙中穿梭至指定目的地或手動飛行演示；

（7）天文坐標系統如黃道圈、赤道圈、銀道圈、地平圈、子午線、歲差圈等演示。

2.2 球幕沉浸式畫面的特點與表達

天象節目屬于球幕電影的一個細分領域，它所表現的內容、呈現的形式以及表達的手法等方面與球幕電影觸類旁通，因此對于球幕沉浸式畫面的研究具有十分重要的意義。

球幕電影來源于傳統電影，但因為其包裹觀眾的超大畫面視角與傳統電影的矩形畫面有著本質區別，因此球幕電影的表現形式與傳統電影在許多方面都有著較大的區別。

（1）連續的第一視角

球幕電影的沉浸式最大的特點即是讓觀眾從傳統電影的畫框之外走進畫面之中，觀眾在觀影過程中，始終是以第一視角來“參與”而非“觀看”影片，因此球幕影片的畫面表達必須注重內容的連貫性。

傳統的畫面剪輯在球幕中非但無法取得更佳的觀看效果，反而會令觀眾感到不適。而在同一場景中對不同主畫面的切換，如在表現對話時，通常在電影中會通過對講話者進行鏡頭的切換，也同樣無法在球幕中使用。在球幕的畫面表達中，要時刻牢記“鏡頭”就是觀眾的“眼睛”，一方面使用長鏡頭，減少畫面的切換，另一方面對于相同場景內的主畫面變化則需要通過讓鏡頭在巧妙的路線移動設計中，完成內容表達的切換，從而營造出觀眾在某一場景下連續以第一視角觀測，而在不同場景的切換中也需要盡量營造出連續的感覺，減少直接的畫面切換，以保持持續的沉浸感不被破壞。

（2）慢節奏的球幕電影

球幕電影通常節奏都會比傳統電影要慢，其原因主要有以下三點：

第一，由于上述連續第一視角的鏡頭語言表達，為了保證沉浸感的持續，影片的場景切換相比于傳統影片少得多，而且在場景進行切換之后，通常還會給觀眾一段時間熟悉和適應新的場景，從而導致球幕影片的畫面節奏相對緩和。

第二，由于觀眾沉浸于畫面之中，缺乏現實中的參照物，因此可以營造出隨著鏡頭移動的觀感，這也是許多觀眾觀看球幕時會懷疑座椅在旋轉的原因。但由于人的平衡系統是由前庭系統和視覺系統協調而生的，當畫面的移動給觀眾帶來運動感的同時，與前庭系統產生了沖突，就會導致“暈車”感覺的產生。因此在畫面設置時需要放慢畫面移動的速度，從而減少前庭系統與視覺系統的差異，從數量和程度上減少觀眾出現“暈車”的現象。

第三，由于球幕畫面視角非常廣闊，過快的移動速度會使得畫面在銀幕上出現不連續的現象，這也是球幕電影的幀率最低要求為30FPS，高于傳統電影的24FPS 的原因。通常為了保持畫面的連續性，需要使畫面移動的速度保持在每秒1弧度之內，或通過增加運動模糊來平滑畫面。

（3）導演即導游

綜合球幕影片上述兩個特點，當觀眾坐在影院之中，以第一視角體驗影片的時候，緩慢的節奏讓觀眾有足夠的時間悠閑地欣賞整個畫面，這既是球幕影院沉浸式帶來的美好體驗，也導致觀眾注意力被逐漸分散，觀眾有可能在不經意間被周邊的信息所吸引，而丟失推動情節的關鍵畫面信息。作為一部合格的球幕影片，需要在影片中通過各種手段，不時地將觀眾的注意力吸引到故事之中，為情節的發展提供推動力和適當的理由。

觀眾的注意力往往會不自覺地趨向于中心畫面，當整個畫面沒有特別吸引人的地方時，觀眾會試圖在中心畫面處尋找信息，除此之外，觀眾的視線與注意力往往會被運動的物體、清晰的面孔、變化的亮度、逐漸變大的體積、焦點的景深虛實、畫面構圖所形成的空間框架、適當的剪輯、色彩的變化以及鏡頭的運動等所吸引[9]。球幕影片的導演需要像一名旅游景點的導游帶領一群活潑好動、對周邊一切信息都充滿好奇的旅游團一樣，不斷引導觀眾的視線，完成整個影片的游覽。

3 球幕天象節目的一般表現形式與開發流程

課題組在理論研究和案例分析的基礎上，結合天文學、教育學、傳播學、電影藝術等理論，分析總結球幕天象節目的內容和表現形式特點，歸納總結出天象節目從內容選擇、劇本創作、素材采集、后期合成等的流程概況。該流程經實際操作，在制作球幕天象節目《群星閃耀的夜空》過程中，進行了實踐與修正，對于其他科普場館利用已有的數字天象演示系統開發球幕天象節目具有一定的參考性。

3.1 球幕天象節目的一般表現形式

3.1.1 內容形式

球幕天象節目是利用球幕特有的沉浸式體驗所呈現出的天文類科普電影，由于是基于數字天象演示系統內置的演示內容進行開發，在低成本的同時也具有一定的局限性，在表現的內容上大致可以分為星空模擬、宇宙飛躍和坐標系統三大部分，除此之外還需要外部引用資料作為補充。

（1）星空模擬

星空模擬是天象節目主要的表現形式，利用球幕的先天優勢，可以逼真地模擬再現星空場景、天體視運動和星座等（圖3），并可以模擬特殊天象等內容。

圖3 《群星閃耀的夜空》演示北斗七星在中西方不同文化下所代表的不同涵義

（2）宇宙飛躍

宇宙飛躍是天象系統脫離光學天象儀，全面數字化后的重要組成部分，可以帶領觀眾在時間上和空間上進行宇宙的穿梭與飛躍，讓觀眾直觀了解宇宙中的各個天體以及體會宇宙的三維結構。此外，在時間上也可以進行穿梭，以演示宇宙天體在數百萬年里的變化。

（3）坐標系統

坐標系統作為星空模擬與宇宙飛躍的輔助，可以幫助觀眾更好地理解天文內容，同樣是不可或缺的部分。

（4）外部引用資料

以上三大部分構成了基于數字天象演示系統的球幕天象節目中絕大部分的內容，但作為一個完整的節目，仍需要從外部引用一些圖片、視頻等內容，這些內容需要借助天象演示系統進行球幕化變形轉換（圖4）。

圖4 《群星閃耀的夜空》外部引用資料畫面

3.1.2 節目時長

節目的時長根據類型一般可分為映前秀類和常規天象節目類，其中映前秀類一般在5 分鐘左右，最長不超過8分鐘。

面對大眾的常規天象節目一般在20～25 分鐘左右較為合適，但若專門針對低幼兒童制作的節目，需要考慮這一年齡段的注意力持續時間，一般在15 分鐘左右。

3.2 開發流程

天象節目的開發流程主要由前期準備、畫面采集和后期制作三大部分組成。

3.2.1 前期準備

前期準備主要在技術層面、內容選擇上確定明確的目標，并有針對性地進行劇本和分鏡頭腳本的創作。

（1）確定技術需求

基于數字天象演示系統的球幕天象節目制作需要同時考慮開發端與使用端的設備性能、支持格式以及最佳技術參數等多重因素。建議開發端即數字天象演示系統和后期剪輯系統采用其可輸出和支持的具有性價比的最高內容質量；使用端即天象節目成片播放的場館需采用不低于其可以接受的最低標準。

具體參數可以參考表1，結合各個場館實際情況，確定所制作天象節目的各項技術參數。

表1 天象節目技術參數

（2）確定內容選題

天象節目的內容選題應在充分了解天象演示系統內容優勢和球幕沉浸式優勢的前提下，選擇符合黨和國家方針政策、符合各場館科普教育理念與定位，并充分結合觀眾需求與社會熱點，以確定節目的內容選題和時長。

（3）撰寫節目劇本及分鏡頭腳本

節目劇本及分鏡頭腳本的創作同樣需要創作者非常熟悉天象演示系統的優勢和球幕沉浸式優勢，在內容的表達和鏡頭的表現上，充分發揮優勢，揚長避短，合理規避天象演示系統不擅長的內容，減少沉浸式體驗可能帶來的負面影響。此外還要重點考慮天象演示系統的各個場景在后期編程時的可實現性與畫面銜接性。

3.2.2 畫面采集

相比于傳統球幕天象節目制作中所采用的CG動畫制作或真實場景實拍等手段，基于數字天象演示系統的畫面采集是整個球幕天象節目畫面內容的最主要來源。

（1）收集組織素材

一部完整的天象節目除天象系統內置的三維空間模型、圖片和視頻等資料外，也需要引用外部資料，這些引用的資料需要事先進行收集和整理，并且注意這些內容版權使用的相關問題。

（2）編寫畫面程序

通過編寫程序腳本等方式，利用數字天象演示系統的天文、宇宙模擬演示功能，依次實現分鏡頭腳本中的各個畫面，并將各程序腳本獨立存儲，以便后期修改。

這一過程也包括將外引素材添加到球幕畫面中進行魚眼變形處理，而非在第三步剪輯時進行插入，否則將出現引用素材畫面不合理畸變的問題。

（3）畫面采集

對編程好的程序腳本依次運行并采集畫面，每一個場景獨立保存并采用有意義的名稱進行命名歸類，以便后期剪輯。

采集的畫面參數盡量使用開發端可承受的最高質量，以便成片可以滿足更多場館系統的最低播放標準。

3.2.3 后期制作

（1）配樂剪輯

將采集好的畫面導入非線性編輯軟件，按照分鏡頭腳本進行后期剪輯，選擇合適的音樂和特效音，尤其是多聲道空間音頻的運用與畫面的配合，可大幅提升天象節目整體效果。同時也要注意音樂與特效音的版權問題。

（2）配音與輸出

對完成配樂與剪輯的視頻進行對白配音，并與其他音頻進行多軌道混音。音頻與畫面確認無誤后，便可以根據天象節目播放場館系統要求進行畫面及音頻的輸出。

（3）審核修改

邀請專家、特定觀眾等對完成的作品初稿進行審核，并按照所提出的意見進行必要的修改。

4 結語

隨著數字天象演示系統科學可視化能力的不斷成熟，使得通過其直接作為畫面源進行天象類球幕電影的制作成為可能，天象演示系統內輸出的畫面在精細程度上不遜色于CG動畫，而且另一大優勢是所展現的內容具備系統性、科學性，在天文的框架下，可以使創作者專心于內容的設計。雖然一套高端成熟的天象系統價格不菲，但作為新建或改建的科普場館來說，這些成本已經包含在前期的建設之中，相比于傳統球幕電影實拍與CG動畫動輒百萬計的制作成本，幾乎可以視為零成本創作，因此，更多更充分地利用數字天象演示系統，便是對前期投資的最好回報。

基于天象演示系統的球幕天象節目開發目前在國內應用較少，是一項具有開創性的新嘗試。一個合格的球幕天象節目并非簡單的畫面與知識點的疊加，如何通過視覺、表演、敘事、音響效果甚至是靜默來充分利用球幕影院沉浸感的優勢，講好一個“故事”[10]，傳達一段天文科普知識，讓觀眾能夠在沉浸式的體驗下感受天文學的奇妙，激發觀眾對于宇宙的好奇心，最終自發地去探索科學，是一個值得長期探索與實踐的方向。

課題成果《群星閃耀的夜空》受到了評審專家和觀眾的廣泛好評，并且已經通過“2023 年全國科幻科普電影聯合巡映活動”向國內首批15 個地方科普場館進行分享，在豐富科普場館影片資源的同時，也希望能夠推動國內科普場館在利用數字天象演示系統自主開發制作球幕天象節目上做出更多有益嘗試，探索出一條能夠持續輸出內容，不斷為行業提供高質量球幕天文科普節目的全新道路。