万米洋 李 淼 李艳涛

(北京天文馆,北京 100044)

1 引言

北京天文馆于1957年正式建成并对社会公众开放,是我国首座大型专业天文馆,作为国家一级博物馆、全国4A 级旅游景区,每年为数百万观众提供内容丰富、形式多样的天文科普教育服务。同时,北京天文馆也是一所以剧场为核心展示内容的博物馆,其涵盖了4座不同类型的特效影院,包括天象厅、宇宙剧场、3D 和4D 剧场,其中4D 剧场作为备受观众喜爱的特效影院之一,年均开放270 天、播放科普节目1300 余场、服务观众达17 万人次,还曾多次承接北京市科学技术协会、中国自然科学博物馆协会等举办的国际电影节展映活动,是北京天文馆重要的科普阵地。通过对4D 剧场进行升级改造,将有助于提升观众科普体验效果,丰富充实教育活动内容,满足观众多样化的科普需求,从而更好地发挥科普教育功能。

2 现状分析

北京天文馆4D 剧场于2004年建成开放,2011年进行了数字化升级改造,在担负着科普传播重要使命的同时,出现了放映设备老化、音响性能减弱、特效系统故障等问题。

2.1 放映设备老化

目前4D 剧场的放映设备使用的是6 台SONY T110投影机,亮度为11000流明,对比度为2500:1,以每天8小时高负荷运行10 年有余,光路老化严重,经过偏振片后,亮度降低50%,再加上银幕陈旧、涂层脱落等原因,导致暗场环境下的画面亮度较低。同时,剧场画面是由2组3通道融合拼接形成的3D 画面,总共由6 台投影机投射画面,因受投影机老化衰减程度不同影响,其自身的实际投射亮度、色彩均会存在差别,造成了拼接效果欠佳,导致整体画面亮度及色彩不均,直接影响观影效果。

2.2 音响性能减弱

4D 剧场现有的音频系统所采用的是5.1环绕声系统,由于播放节目的音源声压级较大,长期大功率高负荷使用,导致低音及中置音箱音盆存在一定损坏,造成音响性能减弱、节目音质下降。

2.3 特效系统故障

4D 剧场的特效设备由于长期使用各类液体,出现了管路腐蚀、生锈的情况,导致特效设备不灵敏,系统故障率频发。此外,剧场内的200个特效座椅,在日常开放中是主要的设施耗材,随着接待观众数量逐年递增,座椅出现了皮面损坏、回弹故障、连接杆断裂等不同程度的损坏,影响观众的观影体验。

3 改造工作

由于以上问题已影响到北京天文馆的天文科普效果和科普传播质量,因此4D 剧场的升级改造工作就显得尤为迫切。通过前期市场调研,多种改造方案对比及技术方案匹配,计划将此次改造工作分为三个模块,即放映系统、音频系统、特效系统,系统拓扑图如图1所示。

图1 4D剧场升级改造系统拓扑图

3.1 放映系统

放映系统主要包括投影机和银幕。投影机方面,按照DCI(Digital Cinema Initiatives)数字电影放映标准,亮度的参数要求是3D 银幕亮度达到7±2f L。根据亮度计算公式:f L=投影机亮度÷投影面积×镜头衰减×偏振设备光效×银幕增益×0.0929(1Lux=0.0929f L)(投影面积22×6平方米,镜头衰减按90%计算,3D 偏振镜的光效为16%),因此要达到7f L,投影机的亮度应不低于30000lm。同时,考虑到激光光源可以有效降低图像闪烁和氙灯耗材的运维成本,已经逐渐取代了氙灯光源,本次升级改造计划采用3台RGB三色激光投影机,光源寿命2万小时以上,光通量大于30000lm,运行亮度衰减不超过20%,能够保证长时间运行画面依旧清晰亮丽。同时,根据日常场馆开放情况及光源寿命,每年将节省18万元灯泡耗材费用,从而解决目前使用的DLP投影机稳定性差、亮度衰减快、使用维护成本高等问题。此外,新的激光投影机将采用主动式3D 技术,配备单光路被动式3D 设备,将主动3D 信号转为被动式圆偏振3D 画面,可以配戴使用常规的圆偏振3D 眼镜,技术图如图2 所示。其优势是不仅提升了播放画面整体亮度,且比现常规双机被动方案节省3台投影机,降低改造和后期维护成本。

图2 主动式3D技术图

银幕方面,目前在国内市场中较为主流的品牌有江苏红叶、芜湖影星等,进口银幕则以英国的哈克尼斯为主。按照银幕的类型又可分为金属银幕和普通白幕,金属银幕因其亮度系数较高,且偏振性能良好,可以提高画面亮度,放映立体电影时,偏振光还原性好,比较适用于立体影片的放映。此外,增益系数、透声孔密度等也是银幕的重要参数,目前,国内银幕的技术水平已较为成熟,能够较好地满足日常播放需求,本次升级改造在银幕方面以GB/T 32200-2015《放映银幕特性参数和测定方法》为参考标准,计划采用高增益微孔金属银幕,增益系数β为2.4,有效散射角2α大于45°,解像力80线对/mm 以上,偏振比大于200:1,均匀性超过国标值,孔径规格为φ0.6,银幕穿孔率达4.03%,声衰减8k Hz＜3dB、12.5k Hz＜6dB,确保产品符合《放映银幕特性参数和测定方法》。同时,为了保证最佳的观影效果,结合4D剧场的实际情况,其场地空间直径为20.6m,宽度13.65m,天花板离地层高7.35m,计划将银幕规格设计为21.6×5.7m,银幕离地高度(下视点)为1200mm,保证最近视距为5.2m,水平视角大于180°;最远视距为16.1m,水平视角为108°。如图3所示。

图3 银幕规格示意图

3.2 音频系统

目前影院市场中的音频系统除了传统的5.1、7.1多声道环绕声系统,还出现了沉浸式音频系统,诸如杜比全景声、DTS:X 临境音系统、雷欧尼斯的HoloSound、巴可的Auro Max 等都在市场中占有一定的份额,各家公司打造的沉浸式音频技术突破了原有5.1以及7.1声道的概念,通过在影厅相应的位置部署更多的扬声器来支持声音的动态位移,为观众创造出包围感极强的观影体验,实现全方位的三维立体声场效果,场景带入感更加明显。但目前由于片源供应和制作问题,影院影片若没有全景声片源,则无法发挥其效果,造成改造成本的浪费。目前4D 剧场在映影片受限于现有音频系统,并未采用沉浸式音频格式,考虑到影院建筑面积和设备使用维护成本,性价比较高、技术较为成熟的7.1环绕声(Surround 7.1)音频系统已能够完全满足此次影院改造需要。7.1环绕声的其中一项创新是在影院中形成四个独特的环绕区,改善电影音频的空间维度,并增强电影音轨的总体音频清晰度,使观众更清晰、更真切地听到各种音效。

音频设备上计划采用一台影院音频处理器与视频服务器完美兼容,它可以从多种数字音频源接收音频信号并进行处理,通过网络进行更新、控制和监测。扬声器选用国际知名品牌,主扬声器采用5只,支架安装于透声银幕后,中高频单元高度位于银幕高度2/3处;2只次低频扬声器,安装在地面透声银幕后,还原影片低频声道声音;左右侧墙共4只环绕扬声器、后墙4只环绕扬声器,还原影片环绕声道声音,扬声器点位如图4所示。同时,选用双通道功率放大器,根据扬声器额定阻抗及功率进行配置,并提供影院系统足够的功率冗余,提高影院还音系统的安全可靠性。

图4 扬声器点位图

3.3 特效系统

此次特效系统的升级改造主要是针对特效设备及座椅进行更新升级。特效设备包括频闪灯、雪花机、泡泡机等,根据目前4D 剧场在影片内容,如《小强的故事》《撞击与生命》《穿越寒武纪》等影片,其故事情节多伴随闪电、下雪、海洋、烟雾等,因此在纷繁的特效设备选型上,不能一味地求多,要结合影院实际情况进行挑选,在达到观影时最好效果的同时,降低改造和后期维护成本,设备选型如表1所示。所有特效设备均具有工业级全光电隔离、抗强电磁干扰、闭环精确控制、稳定可靠的特征。同时支持包括开关量、模拟量、DMX512等多种控制协议,以及自定义RS-485 控制编码协议,使灯光、雪花、泡泡等多种模拟仿真特效设备可以协同工作,同步模拟出与电影画面一致的场景,真实还原影片中的情节和效果。

表1 特效设备选型表

表2 特效座椅功能

特效座椅是4D 影院最核心的特效组成部分,观众在观看影片时,特效座椅能够产生喷水、喷气、扫腿、耳风、捅背等特效。这些座椅特效配合影院的环境特效(灯光、泡泡、烟雾等)、立体画面、环绕音响与影片的剧情紧密结合,给观众带来视觉、听觉、触觉等全方位沉浸式的感官体验。座椅功能的选择也同特效设备一样,要根据影片内容进行仔细筛选,座椅特效通过UDP 通信协议控制,定制开发的特效控制器、工业级可编程逻辑控制器配合开关量和模拟量的信号采集构成闭环实时控制,同步指标控制在1帧以内,有效保证了特效系统控制的同步性和实时性,座椅选型如表2所示。

此外,由于4D 剧场位于北京天文馆B 馆的二层,在座椅选型上要特别考虑到新型特效座椅本身的自重、平均荷载等问题。因此,我们结合实际情况,从安全的角度出发,首先对原座椅荷载进行了初步负荷测量计算,如表3所示,再根据测算结果选择合适的座椅,参数如表4所示。

表3 4D 剧场座椅荷载情况(按满场最大重量初步核算)

表4 特效座椅参数

最后,此次升级改造也考虑到了观众观影的舒适度,在目前剧场面积不变的基础上,通过实地测量计算,计划将排间距拓宽,由原来的1100mm 提升至1150mm,充分利用剧场建筑空间,在保证消防疏散标准的要求下,提升观众观影的舒适度。由于排距的增加,座椅台阶的高度也要相应地重新进行设计,初步设计为150mm,以确保后排观众的视线不会被前排观众所遮挡,如图5所示。

图5 剧场立面图

4 预期目标

通过对4D 剧场的升级改造,计划达到以下预期目标:(1)整体目标:提高影院放映效果,完善天文科普阵地建设。放映系统为观众提供更佳的影片画面效果;音频系统保证观众拥有震撼的音效体验;特效系统让观众获得视觉、听觉、触觉等全方位的沉浸式感受。(2)质量目标:整体系统故障率(故障率=因故障未开放天数/全年应开放天数×100%)≤5%。(3)社会效益目标:年正常运行时间≥1600小时,年放映≥1300场,年均接待人数≥17万人次,同时可承接特效影片展映活动,提高社会影响力。(4)满意度目标:试运行3个月,进行满意度调查,观众满意度≥90%。通过设定以上预期目标,计划将4D 科普剧场打造成集立体科普节目放映、会议讲座承办、国内外电影节展映等功能于一体的多功能厅。预期效果如图6所示。

图6 4D剧场升级改造效果图

5 总结

科普场馆特效影院的升级改造,不是简单的设备拼凑,需要通过各系统软硬件的相互配合、协调形成整体合力,以发挥整体系统的最大功效。此外,从资金的角度来讲,博物馆、科技馆等科普场馆不同于商业影院,其改造资金主要来自市财政拨款,需要让有限的资金发挥最大的公共社会效益,因此在改造过程中,一定要结合特效影院的特点,尤其是影片内容,有针对性地对设备进行选型,不能一味地求多、求新,造成改造成本的浪费,应结合实际情况,多方论证选出最佳的设备升级改造方案,以实现影院和科普效果最优化。

国家近期的“双减政策”中也提出:应积极拓展学生课后服务渠道,充分利用社会资源,发挥好少年宫、青少年活动中心等校外活动场所在课后服务中的作用。北京天文馆作为中小学生重要的科普教育教学阵地,将积极响应国家政策,以场馆资源为依托,努力提升特效影院的效果和功能,为提升公民科学素养贡献力量。