趙然子 唐劍波 吳 丹 宋 楠
中國科學(xué)技術(shù)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(xiàn)途徑主要有兩種:一是基于天象演示系統(tǒng)的實時演示講解;二是回放式天象節(jié)目,也就是天文類球幕電影的播放。
基于天象演示系統(tǒng)的實時演示講解因其良好的互動性等優(yōu)勢廣泛受到觀眾的喜愛,但其缺點(diǎn)是對講解教師的能力要求較高[1],規(guī)模性推廣和復(fù)制能力不足。回放式天象節(jié)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(fù)制和進(jìn)行規(guī)模性推廣的特性,可以普惠更多需要天文知識的公眾,是現(xiàn)階段國內(nèi)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(huán)境,可以令數(shù)百名觀眾同時擁有沉浸式的視覺體驗。精心設(shè)計的沉浸式內(nèi)容能很好地傳達(dá)知識,令觀眾產(chǎn)生更大的學(xué)習(xí)興趣,在傳達(dá)科學(xué)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(xué)家座談會上,習(xí)近平總書記多次提到“好奇心”,他指出:“科學(xué)研究特別是基礎(chǔ)研究的出發(fā)點(diǎn)往往是科學(xué)家探究自然奧秘的好奇心?!薄昂闷嫘氖侨说奶煨?,對科學(xué)興趣的引導(dǎo)和培養(yǎng)要從娃娃抓起,使他們更多了解科學(xué)知識,掌握科學(xué)方法,形成一大批具備科學(xué)家潛質(zhì)的青少年群體?!倍乙延袑嶒炞C明,在沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境中,可以達(dá)到很好的教育效果[3]。
回放式天象節(jié)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(yè)影片,因其格式特殊、市場容量小的特點(diǎn),無法攤平高昂的制作成本,所以租賃價格不菲[4],也導(dǎo)致部分場館因經(jīng)費(fèi)原因無法保持較為合理的節(jié)目更新頻率。
隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字天象演示設(shè)備不僅在科學(xué)可視化和三維動畫模型上愈加精細(xì)和逼真,更具備了視頻采集的功能,為科普場館自主開發(fā)回放式天象節(jié)目提供了硬件基礎(chǔ),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(tǒng)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(xué)技術(shù)館立項《基于數(shù)字天象演示系統(tǒng)的球幕天象節(jié)目開發(fā)研究》課題,該課題已于2023 年2 月結(jié)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(jié)目《群星閃耀的夜空》一部(圖1),并歸納總結(jié)了球幕天象節(jié)目一般表現(xiàn)形式與開發(fā)流程等內(nèi)容。
圖1 《群星閃耀的夜空》畫面截圖
2015 年,中國自然科學(xué)博物館學(xué)會科普場館特效影院專業(yè)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(guān)教育活動,回放式影片占總播放類型的96%[4]。在課題組的調(diào)研中,截至2020 年,填寫調(diào)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(yuǎn)小于播放天文影片的數(shù)量。
以中國科學(xué)技術(shù)館為例,2021 年全年球幕影院共放映回放式天象節(jié)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(xiàn)階段,回放式天象節(jié)目在每年的播放場次、時長和服務(wù)觀眾數(shù)量上都占有絕對數(shù)量優(yōu)勢,是國內(nèi)球幕影院(天象廳)在天文科普方面所采用的主要手段。
球幕影院(天象廳)相比同座位數(shù)的常規(guī)影院銀幕面積更大,相應(yīng)的分辨率和幀率等畫面要求也更高。數(shù)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(zhì)感,對于常規(guī)的球幕影院來說,4K(4096×4096)[5]分辨率和30FPS 是較為基礎(chǔ)的要求,要達(dá)到更優(yōu)秀的效果,8K(8192×8192)[6]分辨率和60FPS是現(xiàn)在新安裝和改造的球幕影院所普遍支持的規(guī)格,這遠(yuǎn)高于常規(guī)數(shù)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(shù)級增加。
圖2 8K 分辨率球幕畫面、4K 分辨率電影畫面對比[8]
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(nèi)建設(shè),銀幕數(shù)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)商業(yè)影院,因此無法通過規(guī)模效應(yīng)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(guī)模的球幕影院的影片租賃費(fèi)用通??梢赃_(dá)到數(shù)萬美元。對于經(jīng)費(fèi)有限的場館,這是一個不菲的數(shù)字,這也導(dǎo)致國內(nèi)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(jìn)行了調(diào)研,截至2021 年2 月,年采購影片數(shù)量為0 的場館數(shù)量高達(dá)22 個,占42.3%;每年采購1 部的場館數(shù)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(dǎo)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(shè)成本,也一定程度上造成了資源的浪費(fèi)。這些接受調(diào)研的場館也紛紛表示希望能夠獲得優(yōu)秀的科普科幻影片資源。
中國科學(xué)技術(shù)館球幕影院在2018 年改造后,使用的是美國益世公司Digistar 6 數(shù)字天象演示系統(tǒng),該系統(tǒng)具有內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)龐大、還原精準(zhǔn)、分辨率高等優(yōu)勢,此外系統(tǒng)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(shù)字天象演示系統(tǒng)基本都具有相近的天文內(nèi)容數(shù)據(jù)庫和演示功能,以及一定的畫面采集能力,可以為天象節(jié)目的制作提供充足和準(zhǔn)確的素材內(nèi)容。
課題組對系統(tǒng)功能進(jìn)行了梳理,結(jié)合教育活動開發(fā)所積累的經(jīng)驗,梳理出系統(tǒng)的主要內(nèi)容如下:
(1)Digistar 6 系統(tǒng)的數(shù)字星空數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wèi)星表面數(shù)據(jù)及3D 地形、模型的導(dǎo)入功能;
(3)可切換中英文國際標(biāo)準(zhǔn)星座名、星座線,中國古代星空的星區(qū)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(yùn)動,演示日食、月食、彗星、流星雨等天文現(xiàn)象的歷史重現(xiàn)及未來預(yù)演;
(5)恒星的視差,以公元2000 年為基準(zhǔn)±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(biāo)系統(tǒng)如黃道圈、赤道圈、銀道圈、地平圈、子午線、歲差圈等演示。
天象節(jié)目屬于球幕電影的一個細(xì)分領(lǐng)域,它所表現(xiàn)的內(nèi)容、呈現(xiàn)的形式以及表達(dá)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(tǒng)電影,但因為其包裹觀眾的超大畫面視角與傳統(tǒng)電影的矩形畫面有著本質(zhì)區(qū)別,因此球幕電影的表現(xiàn)形式與傳統(tǒng)電影在許多方面都有著較大的區(qū)別。
(1)連續(xù)的第一視角
球幕電影的沉浸式最大的特點(diǎn)即是讓觀眾從傳統(tǒng)電影的畫框之外走進(jìn)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(dá)必須注重內(nèi)容的連貫性。
傳統(tǒng)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(xiàn)對話時,通常在電影中會通過對講話者進(jìn)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(dá)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(nèi)的主畫面變化則需要通過讓鏡頭在巧妙的路線移動設(shè)計中,完成內(nèi)容表達(dá)的切換,從而營造出觀眾在某一場景下連續(xù)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(xù)的感覺,減少直接的畫面切換,以保持持續(xù)的沉浸感不被破壞。
(2)慢節(jié)奏的球幕電影
球幕電影通常節(jié)奏都會比傳統(tǒng)電影要慢,其原因主要有以下三點(diǎn):
第一,由于上述連續(xù)第一視角的鏡頭語言表達(dá),為了保證沉浸感的持續(xù),影片的場景切換相比于傳統(tǒng)影片少得多,而且在場景進(jìn)行切換之后,通常還會給觀眾一段時間熟悉和適應(yīng)新的場景,從而導(dǎo)致球幕影片的畫面節(jié)奏相對緩和。
第二,由于觀眾沉浸于畫面之中,缺乏現(xiàn)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(zhuǎn)的原因。但由于人的平衡系統(tǒng)是由前庭系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)協(xié)調(diào)而生的,當(dāng)畫面的移動給觀眾帶來運(yùn)動感的同時,與前庭系統(tǒng)產(chǎn)生了沖突,就會導(dǎo)致“暈車”感覺的產(chǎn)生。因此在畫面設(shè)置時需要放慢畫面移動的速度,從而減少前庭系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)的差異,從數(shù)量和程度上減少觀眾出現(xiàn)“暈車”的現(xiàn)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(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象,這也是球幕電影的幀率最低要求為30FPS,高于傳統(tǒng)電影的24FPS 的原因。通常為了保持畫面的連續(xù)性,需要使畫面移動的速度保持在每秒1弧度之內(nèi),或通過增加運(yùn)動模糊來平滑畫面。
(3)導(dǎo)演即導(dǎo)游
綜合球幕影片上述兩個特點(diǎn),當(dāng)觀眾坐在影院之中,以第一視角體驗影片的時候,緩慢的節(jié)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(dǎo)致觀眾注意力被逐漸分散,觀眾有可能在不經(jīng)意間被周邊的信息所吸引,而丟失推動情節(jié)的關(guān)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(jié)的發(fā)展提供推動力和適當(dāng)?shù)睦碛伞?/p>
觀眾的注意力往往會不自覺地趨向于中心畫面,當(dāng)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(yùn)動的物體、清晰的面孔、變化的亮度、逐漸變大的體積、焦點(diǎn)的景深虛實、畫面構(gòu)圖所形成的空間框架、適當(dāng)?shù)募糨?、色彩的變化以及鏡頭的運(yùn)動等所吸引[9]。球幕影片的導(dǎo)演需要像一名旅游景點(diǎn)的導(dǎo)游帶領(lǐng)一群活潑好動、對周邊一切信息都充滿好奇的旅游團(tuán)一樣,不斷引導(dǎo)觀眾的視線,完成整個影片的游覽。
課題組在理論研究和案例分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合天文學(xué)、教育學(xué)、傳播學(xué)、電影藝術(shù)等理論,分析總結(jié)球幕天象節(jié)目的內(nèi)容和表現(xiàn)形式特點(diǎn),歸納總結(jié)出天象節(jié)目從內(nèi)容選擇、劇本創(chuàng)作、素材采集、后期合成等的流程概況。該流程經(jīng)實際操作,在制作球幕天象節(jié)目《群星閃耀的夜空》過程中,進(jìn)行了實踐與修正,對于其他科普場館利用已有的數(shù)字天象演示系統(tǒng)開發(fā)球幕天象節(jié)目具有一定的參考性。
3.1.1 內(nèi)容形式
球幕天象節(jié)目是利用球幕特有的沉浸式體驗所呈現(xiàn)出的天文類科普電影,由于是基于數(shù)字天象演示系統(tǒng)內(nèi)置的演示內(nèi)容進(jìn)行開發(fā),在低成本的同時也具有一定的局限性,在表現(xiàn)的內(nèi)容上大致可以分為星空模擬、宇宙飛躍和坐標(biāo)系統(tǒng)三大部分,除此之外還需要外部引用資料作為補(bǔ)充。
(1)星空模擬
星空模擬是天象節(jié)目主要的表現(xiàn)形式,利用球幕的先天優(yōu)勢,可以逼真地模擬再現(xiàn)星空場景、天體視運(yùn)動和星座等(圖3),并可以模擬特殊天象等內(nèi)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(tǒng)脫離光學(xué)天象儀,全面數(shù)字化后的重要組成部分,可以帶領(lǐng)觀眾在時間上和空間上進(jìn)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(jié)構(gòu)。此外,在時間上也可以進(jìn)行穿梭,以演示宇宙天體在數(shù)百萬年里的變化。
(3)坐標(biāo)系統(tǒng)
坐標(biāo)系統(tǒng)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(nèi)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(gòu)成了基于數(shù)字天象演示系統(tǒng)的球幕天象節(jié)目中絕大部分的內(nèi)容,但作為一個完整的節(jié)目,仍需要從外部引用一些圖片、視頻等內(nèi)容,這些內(nèi)容需要借助天象演示系統(tǒng)進(jìn)行球幕化變形轉(zhuǎn)換(圖4)。
圖4 《群星閃耀的夜空》外部引用資料畫面
3.1.2 節(jié)目時長
節(jié)目的時長根據(jù)類型一般可分為映前秀類和常規(guī)天象節(jié)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(guī)天象節(jié)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(jié)目,需要考慮這一年齡段的注意力持續(xù)時間,一般在15 分鐘左右。
天象節(jié)目的開發(fā)流程主要由前期準(zhǔn)備、畫面采集和后期制作三大部分組成。
3.2.1 前期準(zhǔn)備
前期準(zhǔn)備主要在技術(shù)層面、內(nèi)容選擇上確定明確的目標(biāo),并有針對性地進(jìn)行劇本和分鏡頭腳本的創(chuàng)作。
(1)確定技術(shù)需求
基于數(shù)字天象演示系統(tǒng)的球幕天象節(jié)目制作需要同時考慮開發(fā)端與使用端的設(shè)備性能、支持格式以及最佳技術(shù)參數(shù)等多重因素。建議開發(fā)端即數(shù)字天象演示系統(tǒng)和后期剪輯系統(tǒng)采用其可輸出和支持的具有性價比的最高內(nèi)容質(zhì)量;使用端即天象節(jié)目成片播放的場館需采用不低于其可以接受的最低標(biāo)準(zhǔn)。
具體參數(shù)可以參考表1,結(jié)合各個場館實際情況,確定所制作天象節(jié)目的各項技術(shù)參數(shù)。
表1 天象節(jié)目技術(shù)參數(shù)
(2)確定內(nèi)容選題
天象節(jié)目的內(nèi)容選題應(yīng)在充分了解天象演示系統(tǒng)內(nèi)容優(yōu)勢和球幕沉浸式優(yōu)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(jié)合觀眾需求與社會熱點(diǎn),以確定節(jié)目的內(nèi)容選題和時長。
(3)撰寫節(jié)目劇本及分鏡頭腳本
節(jié)目劇本及分鏡頭腳本的創(chuàng)作同樣需要創(chuàng)作者非常熟悉天象演示系統(tǒng)的優(yōu)勢和球幕沉浸式優(yōu)勢,在內(nèi)容的表達(dá)和鏡頭的表現(xiàn)上,充分發(fā)揮優(yōu)勢,揚(yáng)長避短,合理規(guī)避天象演示系統(tǒng)不擅長的內(nèi)容,減少沉浸式體驗可能帶來的負(fù)面影響。此外還要重點(diǎn)考慮天象演示系統(tǒng)的各個場景在后期編程時的可實現(xiàn)性與畫面銜接性。
3.2.2 畫面采集
相比于傳統(tǒng)球幕天象節(jié)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(shù)字天象演示系統(tǒng)的畫面采集是整個球幕天象節(jié)目畫面內(nèi)容的最主要來源。
(1)收集組織素材
一部完整的天象節(jié)目除天象系統(tǒng)內(nèi)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(jìn)行收集和整理,并且注意這些內(nèi)容版權(quán)使用的相關(guān)問題。
(2)編寫畫面程序
通過編寫程序腳本等方式,利用數(shù)字天象演示系統(tǒng)的天文、宇宙模擬演示功能,依次實現(xiàn)分鏡頭腳本中的各個畫面,并將各程序腳本獨(dú)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(jìn)行魚眼變形處理,而非在第三步剪輯時進(jìn)行插入,否則將出現(xiàn)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(yùn)行并采集畫面,每一個場景獨(dú)立保存并采用有意義的名稱進(jìn)行命名歸類,以便后期剪輯。
采集的畫面參數(shù)盡量使用開發(fā)端可承受的最高質(zhì)量,以便成片可以滿足更多場館系統(tǒng)的最低播放標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.3 后期制作
(1)配樂剪輯
將采集好的畫面導(dǎo)入非線性編輯軟件,按照分鏡頭腳本進(jìn)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(yùn)用與畫面的配合,可大幅提升天象節(jié)目整體效果。同時也要注意音樂與特效音的版權(quán)問題。
(2)配音與輸出
對完成配樂與剪輯的視頻進(jìn)行對白配音,并與其他音頻進(jìn)行多軌道混音。音頻與畫面確認(rèn)無誤后,便可以根據(jù)天象節(jié)目播放場館系統(tǒng)要求進(jìn)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(jìn)行審核,并按照所提出的意見進(jìn)行必要的修改。
隨著數(shù)字天象演示系統(tǒng)科學(xué)可視化能力的不斷成熟,使得通過其直接作為畫面源進(jìn)行天象類球幕電影的制作成為可能,天象演示系統(tǒng)內(nèi)輸出的畫面在精細(xì)程度上不遜色于CG動畫,而且另一大優(yōu)勢是所展現(xiàn)的內(nèi)容具備系統(tǒng)性、科學(xué)性,在天文的框架下,可以使創(chuàng)作者專心于內(nèi)容的設(shè)計。雖然一套高端成熟的天象系統(tǒng)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(jīng)包含在前期的建設(shè)之中,相比于傳統(tǒng)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(chuàng)作,因此,更多更充分地利用數(shù)字天象演示系統(tǒng),便是對前期投資的最好回報。
基于天象演示系統(tǒng)的球幕天象節(jié)目開發(fā)目前在國內(nèi)應(yīng)用較少,是一項具有開創(chuàng)性的新嘗試。一個合格的球幕天象節(jié)目并非簡單的畫面與知識點(diǎn)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(yōu)勢,講好一個“故事”[10],傳達(dá)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(xué)的奇妙,激發(fā)觀眾對于宇宙的好奇心,最終自發(fā)地去探索科學(xué),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(jīng)通過“2023 年全國科幻科普電影聯(lián)合巡映活動”向國內(nèi)首批15 個地方科普場館進(jìn)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(nèi)科普場館在利用數(shù)字天象演示系統(tǒng)自主開發(fā)制作球幕天象節(jié)目上做出更多有益嘗試,探索出一條能夠持續(xù)輸出內(nèi)容,不斷為行業(yè)提供高質(zhì)量球幕天文科普節(jié)目的全新道路。