朱 澜

(上海天文馆，上海 201306)

1 引言

上海天文馆(上海科技馆分馆)，位于中国(上海)自由贸易试验区临港新片区滴水湖畔，2016年11月8 日开工建设，2021 年7 月17 日正式开馆，是上海市政府投资兴建的集教育、研究、收藏、展示、交互功能为一体的科普基础设施，其占地面积约5.86万平米，建筑面积3.8万平米，为世界规模最大的天文馆。全馆以 “连接人和宇宙”为展示主题，设置“家园” “宇宙” “征程”三大主题展区、“中华问天”“好奇星球” “航向火星”三个特色展区、一个多功能球幕影院及教育活动区。馆内藏有约70件陨石样本与超过120件/套文物藏品，配有四大专业级天文观测及天象演示设备，共计展品300余件。

众所周知，球幕影院是天文馆建设的标配项目，它在整个天文馆展示架构中发挥极其重要的作用，是传播科学知识的重要场地之一。上海天文馆建设团队前期充分参考国内外科普场馆球幕影院建设案例，依据国际行业组织发布的球幕技术标准，综合分析并判断球幕技术的发展趋势，结合上海天文馆球幕影院世界一流建设定位和多功能演绎需求，最终设计出一套集成数字影片播放、3D 音响、激光秀及现场舞台表演等多功能沉浸式超8K 数字球幕系统，为观众展现最远的星系、最新发现的系外行星和惊人的天文发现，演示星光灿烂的夜空，创作出清晰而生动的沉浸式体验节目。整套系统运用了多项新技术来实现我们所要呈现给观众的视觉效果，以下将主要分享超8K 球幕技术、3D 音响技术、激光秀技术的应用和实际效果。

2 超8K 球幕技术

分辨率是衡量图像质量好坏的一个关键技术指标，超高的分辨率带来更清晰的画面感。对于天文馆球幕影院而言，由于影院以放映天文节目为主，必然对分辨率的要求更高。那什么是球幕影院的分辨率? 到目前为止，大家公认的一种方法就是计算经过球心的经线上像素数量，这个数值大小决定球幕的分辨率(图1)。像素的核算方法 (总值与净值)还与其它因素相关，比如:边缘融合，水平以下裁剪，由某种银幕高宽比带来的边缘冗余，变形像素等，所投影的内容和解码方式也会影响实际分辨率，只有通过优越的转换器件转换后才可以得到令人满意的高分辨率。世界上少数高端球幕影院经线像素点能够达到8000个像素点，也就意味着满足播放8K 影片的功能要求。为了能更好地还原真实星空场景，上海天文馆建设团队接受挑战，联合供应商一起设计开发出一套超8K 球幕技术，让观众尽可能获得最佳视觉体验。

图1 球幕示意图

2.1 球幕放映方式

进入数字时代，球幕影院放映方式有三类:投影拼接、LED 球幕和IMAX 数字球幕。其中，投影拼接是采用多台投影机拼接融合技术产生完整球幕影像，此类方式应用时间较长、技术成熟、用户数最多；LED 球幕是近几年开发的一种新技术，运用自发光元件模组组合成球型银幕实现主动投影，其各项技术指标领先，但是资金投入巨大，透声等多方面问题有待完善，案例稀少；IMAX 数字球幕采用单台激光放映，其研发主要用于原有IMAX 胶片机的数字化改造，在电影放映方面有优势，但没有天文演示等相关数据，功能相对单一。综合考虑三种放映方式，设计方案最终选定采用投影拼接方式实现球幕影片的放映。

2.2 球幕技术标准

行业技术标准是我们选择技术参数的重要依据。球幕影院建筑结构特殊、放映方式特别，它属于特种影院范畴，普通影院的声画质量标准不适用于这类影院。目前，国内已建成的大中型球幕影院 (银幕直径18米以上)30多座，小型和流动型球幕影院更是不计其数，而国内关于球幕影院声画质量的标准和规范尚属空白。2018年1月，国际大银幕影院协会 (GSCA)修订和完善了沉浸式数字大银幕技术规范DIGSS2.0，其中对于球幕影院数字图像、音频格式和影院设计方面提出了具体的技术要求和参考值，包括画面的分辨率、对比度、亮度、帧率、色彩空间等，我们选取其中几个重要技术指标，以表格形式罗列出有关数据，如表1所示。

表1 DIGSS2.0球幕影院技术指标汇总表

通过表1 不难看出，建设一座高端球幕影院，需要满足高分辨率 (4K/8K)、高帧率 (HFR)、广色域(WCG)等技术指标。

2.3 技术方案

天文馆球幕影院主要以放映天文节目为主，我们参考国际大银幕协会 (GSCA)发布的技术标准，借鉴同行如美国休斯敦自然博物馆、美国新泽西科学中心等球幕案例，权衡三个关键技术指标 (对比度、亮度、分辨率)，最后实现超8K 球幕技术方案。

(1)对比度:要求放映画面黑白对比层次感强，适合天文节目的放映，能很好表现星空特点，所以需要选定对比度高的工程机。经过比对多家工程机厂商如SONY、CHRISTIE、JVC、NEC 的不同机型后，决定选用SONY VPL-GTZ280这款设备，其采用的LCOS技术对比度能达到20000∶1，满足选型需求。

(2)亮度:SONY VPL-GTZ280在对比度上效果相当出众，但是亮度只能达到5000 流明，采用10台拼接投影，虽然球幕整体分辨率能达到8K，但是亮度指标远不能达到球幕标准值要求。为此，我们与多家供应商进行了沟通，寻找最佳方案。经过模拟计算，使用20台SONY VPL-GTZ280进行投影拼接，理论上可以达到3FL。23米直径的球幕表面积大概在830.53 平方米，换算为平方英尺为8936.5平方英尺。20台SONY VPL-GTZ280 总亮度为100000流明，一般而言投射的光效率为56%左右，系统拼接融合效率为0.93左右，金属银幕增益值设定为0.55，系统实际有效亮度:100000/8936×56.13%×0.55×0.93＝3.2FL (此亮度值为系统平均亮度)。

(3)分辨率:球幕影院的分辨率是由球幕上每条经过穹顶中心的经线的像素个数来决定的。20台SONY VPL-GTZ280 4K 投影机决定了经线上的像素点超过8000个，理论上能达到10000个以上，也就是说最终球幕的分辨率实现为超8K 效果。投影机投射画面采用分层布局方式，即7＋6＋5＋2的方式，从银幕最底圈开始，分三层投射实现拼接融合，如图2。最终拼接融合出超8K 的球幕画面。

图2 三层投射示意图

2.4 应用效果

上海天文馆原创了一部8K 球幕科普影片 《苍穹》(图3)。通过使用超8K 球幕技术完成播放，实际效果出色。无论是星空斑斓，还是影片细节，超8K 的高清晰度的确带给人们更细腻的视觉享受。当然在实际运行中，由于负责影片播放的工程机数量较多，画面同步和稳定性需要进一步加强。另外影院马道空间不大，造成工程机日常维护困难，需要做好前期影院空间设计和施工准备工作，便于后续设备安装、调试和检修。

图3 球幕科普影片 《苍穹》

3 3D音响技术

一次有效的天文馆球幕影院体验，可以让观众遨游到我们的知识和想象力所能达到的最远处，触及空间的深处，而音响系统是用来支持这一体验的独特装备。从早期的单声道到立体声，再到环绕声，后来发展为5.1、7.1声道，到最新的基于对象的声音突破传统意义上的声道概念，每一次的技术进步都带给人们更为真实、更具沉浸感的体验。

国内科普场馆球幕影院都采用5.1或7.1的还音技术。一般认为，球幕构造独特，已经自然产生沉浸听觉效果，同时播放节目声道数也局限在7个声道里。而国外如美国或欧洲等地不少场馆已经在球幕影院中应用3D 音响技术，突破球幕传统还音技术。为了实现更多声音表现，创造出来沉浸式音景，让观众在情绪上以及理智上都认为自己遨游到了一个新的不同空间，剧场还音效果是重点考虑的一个方面，上海天文馆球幕影院在设计之初就对标世界最好球幕影院的建设要求，最后选择采用3D音响技术应用于球幕上。

3.1 3D音响系统介绍

我们把球幕音响设计想法与多家供应商沟通，最后采用了Meyer Sound 的技术方案，Spacemap三维效果声系统与我们现行所说的5.1、7.1是有根本区别的。Spacemap系统中所能允许的最大输出量为512路，所以通过这个系统可以简单快捷地做出511.1声道，或者510.2声道等。而且可以让音效在这几百只扬声器中任意地移动。Meyer Sound Spacemap是基于对象的音频控制技术，使用恒定功率分配的先进声像定位方式。通过在多只扬声器之间制造幅度差来对声源进行定位，对于给定的听音范围，这种定位方式能够提供最为聚焦的声像。通过空间中三点构成平面的想法，将三维的空间通过若干个三角形展开成一个平面的模式，Spacemap通过扬声器、虚拟和静音三种节点，根据不同的需求来构筑“声学三角形”，从而提供一个直观的控制界面，音效设计师和录音工程师可以很清楚地看到声音移动的情况，同时，也可以很方便地调整移动轨迹，以达到令人满意的音效。

Meyer Sound D-Mitri数字音频平台采用AVB音频协议，最大可构成288 通道输入、288 通道母线、288 通道输出的大型矩阵音频系统，结合CueStation软件可以实现丰富的演出自动化功能。此外，平台还包含Spacemap空间声像控制技术以及VRAS可变房间声学技术，能够为艺术家、音频工程师、演出场馆等提供全方位的沉浸式音频技术。上海天文馆球幕影院使用D-Mitri系统具有64轨硬盘播放机以及额外的8通道音频输入，共同组成72轨音源，通过Spacemap技术将这些音轨分配输出至36通道的扬声器系统中，为每一轨音源提供精确的声像，并能够随着节目的内容，使声像在整个三维空间内移动。其中主声道和环绕声道为32只，次低频为4个，舞台返听为4个，总共40只扬声器，这些扬声器共同组成了音响矩阵，形成3D 环绕立体音响系统。

3.2 球幕影院音响系统扬声器布局

系统采用40只扬声器构成的3D 立体环绕声系统，分为3层安装，沿着金属球幕分别布置在银幕的龙骨上。第一层安装4只低频扬声器和16只全频扬声器，第二层安装8只扬声器，第三层安装8只扬声器，如图4。

图4 UPJ-1P为全频扬声器型号900-LFC为低频扬声器型号

3.3 音响系统扩声

球幕影院不是单一功能的专业场所，在满足电影视频播放前提下，还应兼顾多功能要求，即具有较高的适应性，如小型演出、报告、会议、演讲等功能，发挥最大使用功能。Meyer Sound 这套音响系统能够切换不同混响模式，包括影片播放、音乐会、演讲报告等不同表演形式都可以支持。由于不同的使用场景对音效效果要求不同，我们根据不同的输入通道，通过YAMAHA 数字调音台设置不同使用场景，使用调音台自带的混响器切换混响效果，能够满足影片播放、小型演讲及举办小型音乐会活动，丰富了系统使用场景。通过调音台本地接口和配备接口箱，系统具有丰富的接口配置，使得系统具有广泛的扩展性和兼容性，可外接各种外部设备，能够兼容各种外部音源及主流影片音轨标准。

3.4 应用效果

2021年7月17日，上海天文馆正式建成开馆，当日在球幕影院举行了一场独特的星空音乐会。音乐会集古典演奏乐曲、演唱曲目以及天文馆原创音乐于一体，共呈现八首音乐作品，包含电音、钢琴独奏、三重奏、阿卡贝拉等多种表现形式。音乐会乐曲与天文馆展览内容相契合，利用球幕呈现天体、银河、星云等星空元素，结合音乐展现天文之美，连接人与宇宙。风格多样的音乐表演形式，打造360度感官体验，让观众沉醉在广袤星空下的音乐盛宴之中(图5)。

图5 音乐会现场照

4 激光秀

激光秀以表演艺术为基础，以彩色激光为载体，配合独特的创意构思，融入交互动作，从多元化空间表现出梦幻的激光影像和绚烂夺目的光影效果，其广泛应用于如水幕、舞台表演、户外灯光秀等，而在球幕应用激光秀的案例不多。目前国内还未有使用先例，国外一些科普场馆已有涉足。激光秀不仅能拓展球幕影院除观影之外的功能，同时也增加节目娱乐性，从而吸引更多观众参观。上海天文馆建设团队首次把球幕激光秀项目引入国内，希望能让国内观众欣赏到球幕激光带来的与众不同的体验。

4.1 整体设计思路

(1)最佳的扫描和激光光束质量覆盖观众主视角，实现闪烁和高清画质的激光表演。

(2)激光不但能产生静态效果还有光栅效果，激光系统能在5分钟的表演时间内发射出一系列水平和垂直的光束和激光投影。

(3)用高质量的激光投影和光束效果覆盖球幕270°～300°范围。

(4)常规的空中激光效果，结合最少的人工烟雾，实现最佳的可见度。

(5)激光系统安装于球幕投影仪的上方或旁边，而且考虑到检修和安全放映要求，它们之间需要足够空间。

(6)实现激光秀自主制作需要有强大的编辑功能。

需要说明一点，我们将投影范围限制为270°～300°是因为肉眼无法及时跟随360°投影区域，从而有效节约设备成本。

4.2 系统设备集成

(1)激光器技术参数。二极管光源激光光斑直径小于4mm，全角发散角小于1.1毫弧度，最高扫描速度大于50K，最大扫描角度大于60°；OPSL相干光源激光器光斑直径小于3mm；雾机雾化粒径小于0.7微米，最大雾输出大于100立方米。

(2)硬件。本系统由10台tarm 5、2台tarm HD、12个DSP 激光控制器、12个ILDA 信号发送器、2台Martin JEM Hazer Pro、1个急停按钮、2个交换机和若干线材、1台图形工作站、2台Me1雾机、网线、ILDA 信号线、保险绳组成等，见图6。

图6 激光表演系统示意图

(3)软件。1套Lasergraph DSP Playback 软件，用来对DSP 激光灯控制器进行连接和操作，可管理所有连接在Mark2控制器和PC上的外部设备。1套Lasergraph DSP Mark 2软件支持融合拼接等复杂配置下的激光节目编程，可以将使用3DS创建的动画轻松使用此插件导出为激光节目程序的专用文件格式或序列素材库，内含10000个以上涵盖各种场合的精彩的动画和图片素材。定制1部激光表演节目，时间≤5分钟。

4.3 应用效果

激光秀项目在硬件采购和设备安装方面国内都有专业团队负责，但是在激光秀节目的制作方面有所欠缺，所以天文馆球幕激光秀的艺术创作环节我们专门邀请了德国的工程师进行节目艺术加工。整个激光秀节目利用声、光、电等物理、化学的多种科学原理，用奇特的艺术构思，形成种种离奇巧妙的表演形象，结合球幕影院结构特点，完美呈现天文元素与艺术创作的融合。节目通过幕前秀的方式展现给观众，深受观众喜爱。另外，在我馆原创电影《苍穹》中，我们也尝试根据电影情节变化同步增加激光艺术效果，在观影沉浸过程中增加一道独特的视觉体验，见图7。

图7 激光秀表演

5 结束语

超8K 球幕技术、3D 音响技术、激光秀技术在天文馆球幕影院成功应用，取得良好效果，吸引大量观众参观，实现团队预期目标。与此同时，我们也看到硬件方面实现世界顶级，而软件层面还有欠缺，想要真正发挥出这些先进技术的功效，需要有强大的内容制作团队作为支撑。科普场馆特效影院如何高质量发展，吸引更多的游客走进特效影院，发挥好影视科普阵地作用，需要我们大力推进内容制作、跨界融合发展，共同探究特效影院内容建设方面的想法、思路。