基于高品质的敦煌文物数字化素材8K球幕节目制作技术

陈琨+陈亮

摘 要 随着信息化时代的快速发展，数字技术在文化遗产保护上所起的作用越来越大。将文化遗产数字化的价值，很大程度上取决于它数字化的精细程度。采用8K影像技术来数字化敦煌莫高窟的壁画，清晰度可达6 000多万像素，尽可能完整地对文物的真实效果进行保存和还原，在视觉传达效果上得到显著的提升。通过制作超高清8k动态画面来展示文化遗产，在国内自主知识产权的球幕系统上完成文物遗产的影像数字化永久保存和无损再现。

关键词 数字化保存；敦煌文物；再现；8K；球幕

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0087-04

1 球幕系统开发与集成技术服务现状

1.1 球幕影院的发展历史

“球幕影院”又称“穹幕影院”，最早的雏形出现在1939年在纽约举办的世界博览会。上，有人用5台放映机组成的画面投射到半球形的荧幕上，当时看到这种电影的人们赞叹不已。第二次世界大战中很多国家将这种技术应用到飞行的模拟训练之中（虚拟仿真），直到20世纪70年代才发展成为真正的全穹形。现代球幕影院大多采用多通道投影曲面拼接技术，投影的多通道方式，使得整个画面的分辨率有了质的飞跃，整个环境犹如苍穹，将观众包围于其中，并伴有环绕立体声效果，沉浸感极强，被誉为不需要3D效果的3D节目。

进入21世纪后，随着计算机技术和显示技术的发展，球幕影院已经由胶片放映机过渡为计算机服务器，由播放胶片发展到4K/8K清晰度的数字电影，从简单鱼眼镜头的变形播放转变为多通道投影机的拼接融合、半球全屏播放，成为异形影院展示模式中最重要的组成部分。

1.2 8K球幕影院特点

球幕和普通电影的最大区别在于幕的形状和投影方式。球幕是个反扣的半球体，一般由多台投影仪共同投影到这个半球体的内部，并拼接融合后，完成整幅画面的播放。球幕的投射面积和投影机的个数决定了球幕影片的分辨率，而此次项目中最终的分辨率定为8192×8192。

如此之高的分辨率的影片，如何保证影片展示的每个细节都是清晰的，这就决定了我们在拍摄过程中对拍摄精度有着很高的要求，但是这种精度并非越高越好，而是有区别的将重点展示内容和一般内容区别对待。这样既保证影片的精度要求，也减少很多无谓的工作量，提高了工作效率。

1.3 本次工作要解决技术难点

1）针对高效三维渲染8K球幕鱼眼影像的开发工作。开发基于三维渲染所需要的模拟生成鱼眼影像的球幕渲染摄像机。同时为解决8192×8192影像分辨率超大，渲染速度过慢等因素造成的渲染效率低下的问题，研究基于三维渲染器的分块渲染算法与实现途径，并开发相应的插件。

2）在三维制作中逐一体现壁画、彩塑及洞窟的历史背景和文化艺术背景，形成一套新的球幕影视语言表达方式。

研究壁画的场景建筑物模型建模技术，依据壁画内容，完成壁画背景与建筑物的三维近似建模工作。研究壁画中角色的抠像提取方式，并结合历史事实和实际人物，进行近似的壁画人物三维建模。研究壁画中角色运动规律的提取方式，建立符合历史事实且能体现壁画中角色动作运动规律的，角色动画调节方式。

3）研究鱼眼影像在球幕中的影视表达语言，突破传统的平面电影语言表达方式，建立符合球幕展示的影视语言体系。

2 技术实施

2.1 研究方案

CG制作行业发展至今，很多的问题已经解决，球幕的节目制作同样属于CG制作行业的分支。球幕节目制作不同于普通节目制作的地方在于：需要解决如何快速渲染出符合球幕播放变形要求的鱼眼画面。

首先迫切需要研究和探索的内容是，因为鱼眼画面不同普通画面，即球幕电影的影视鱼眼显示形式和平面电影的显示形式完全不同，球幕电影既要让观众有较强的沉浸感，又不能像鱼眼镜头一样在边缘产生如此大的变形，以致影响观看效果。

其次，在渲染问题上，国外很多球幕制作公司在制作球幕电影过程中都选择利用Vary渲染器，并在渲染器中设置5只摄像机，完成全景渲染。再利用后期软件将其合成成鱼眼照片。分摄像机渲染的优点是提高渲染速度。缺点在于分摄像机渲染后，需要通过后期完成鱼眼画面输出，会大大增加后期部门工作量。

本课题最终目标是8K分辨率球幕节目制作，如此高的分辨率将带来数据量巨大，渲染时间长，后期处理困难等一列问题。在探索球幕影视鱼眼的基础上，解决鱼眼高分辨率画面渲染问题，是整个任务得以顺利完成的核心，如图1所示。

2.2 研究过程

2.2.1 球幕影视语言研究

1）球幕的桶形畸变。如图2所示，是一个8K*8K分辨率的鱼眼影像示意。首先如果我们需要测试这个规格的影像，那么从分辨率上必须达到这个标准。8K球幕鱼眼影像的分辨率标准现阶段还没有准确定义，但我们将8000px×8000px或者8192px×82192px都认为是8K鱼眼影像。

同时红色区域内的有效像素，应该符合鱼眼桶形畸变的要求。球幕（穹顶幕）在播放影像时，都要求是影像是符合鱼眼成像效果的。这种带有严重桶形失真的画面，可以很好的被球幕（穹顶）这种异形银幕所还原，最终呈现在观众面前一副符合观影要求的全覆盖的沉浸式场景。

2）鱼眼畸变效果。如图3所示，画面可以看到整个画面的主要角色都集中在画面的中下部，同时原本的金属桶壁的直线线条已经变形成弧形。在制作这样的CG节目时，我们依然用虚拟的鱼眼摄像机在CG场景中去完成。可以看出这个时候的虚拟摄像机所正对场景的位置是紫色液体部分。而播放过程中，3个动画角色都会呈现在观众视线正对的方向上的球型银幕，成为画面的主视角区域。

3）景别区别。普通影片中的近、中、远景的定义在球幕制作过程中已经不适用了。普通影片的近、中、远景的定义为：人脸、人胸部以上位置，人的全身。而在球幕节目的近中远景只能按照渲染的面积从下到上去定义，如图4、图5所示。

即使球型银幕可以纠正这部分变形，但是这个画面也不适用于球幕画面展示，一张硕大的脸满布整个球幕，将给观众带来严重的不适感。因此在球幕的景别中，我们引入了主视角的概念，主视角即观众座椅正前方视线60的区域内，如图6所示。

红色区域将是整个画面中重点需要表现的内容，整个球幕电影中如果存在喜剧冲突等内容，也应被安排在这个区域，如图7所示。

渲染这部分内容时，摄像机镜头应该正对需要表现的角色。

其次就是远景/全景展示，球幕和普通节目也有着本质的区别。普通节目的全景展示如图8所示。

球幕节目展示全景时，明显有义于普通意义的远景展示。球幕的全景展示是展示整个世界，即镜头之上的世界上的所有的景物，如图9所示。

如何展示全景呢？展示全景时，通过我们的反复测试，最好的效果就是将摄像机垂直冲上。如果完成球幕画面的全景到重点展示部分的切换呢？让摄像机从垂直向上的角度，按照一条下行的曲线并在Y轴方向上做垂直到水平方向的匀速旋转，这种摄像机处理方式即保证画面的稳定性，带来最好的影视视觉表达效果，让观众既有沉浸感，但是没有眩晕感。

2.2.2 鱼眼画面渲染

从135画幅相机摄影角度而言，正圆形畸变的鱼眼镜头是一种焦距约在8mm的短焦超广角变形镜头。为使镜头达到最大的摄影视角，这种摄影镜头的前镜片直径且呈抛物状向镜头前部凸出，与鱼的眼睛颇为相似，“鱼眼镜头”因此而得名，如图10所示。

如何一次性的在渲染工作中完成鱼眼效果渲染，首先课题组在对多重渲染器进行研究之后，认为Mental Ray渲染器是完全可以达到节目制作需求的。该渲染器实时计算光效，同时它有着丰富的Shader库。课题组完全可以根据自身需求，编写一套基于鱼眼成像的渲染插件，供节目制作使用。

2.2.3 洞窟逆向复原

1）洞窟精度计算。红色位置为画面主视角位置，整副画面分辨率8192px×8192px。红色区域约占6K×6K画面。即在该画面情况下整个佛龛最终画面像素精度要满足6K×6K的画面渲染，如图11所示。

考虑到采集过程的一致性，在任务实施过程中，首先计算该洞窟的在球幕主画面中需要重点展示部分的画面分辨率，再根据最高分辨率统一采集该洞窟的数据。

在纹理采集过程中，还需要考虑采集画面的拼接、叠加、拉伸、变形部分，去除掉变形部分，才是最终的可用像素采集精度，如图12所示。

3）超高分辨率分块渲染。实际渲染中，课题任务最终要渲染8K×8K的图片，要么是内存不够，要么是计算量过大，但是渲染器为我们提供了可以分块渲染大图的可能。原理是将一张图分成几块来渲染，最后再通过后期软件自动合成一张足够大的图。

考虑到8K分辨率，课题进行过程中，我们整个8K画面分成64小块。横向是x象素，竖向是y象素；同时将所有像素等分成N×N大小的整数像素的小块，图14（8192×8192）的实例，分成64块进行渲染，图13为32块示意。

之后再渲染器设置中将各个分块参数通过网络传输给渲染农场上的各个节点，由每个渲染节点去渲染该像素区域内的所有画面。由于渲染器可以设置成CH1-CH64，64个完全独立的通道文件夹。之后再后期软件中按照命名规则导入，直接将这部分分块文件合成为完整的球幕画面。

这个处理方式的好处在于，单帧8K完整画面渲染每帧需要约40min时间，分块渲染之后，各节点综合统计平均渲染一帧加合成时间为20min。整体渲染时间（含合成）缩短一半。由这部分时间消耗我们也可以得出场景内部的光线计算时间是一定的，但是渲染时间会因为CPU＼GPU运算能力的问题，而在生成画面时造成渲染效率变低。适时的合理的对巨幅画面进行分块渲染，非常有利于超高分辨率画面的渲染工作。

3 结论

通过课题中8K球幕节目的制作，课题组总结了一整套关于洞窟逆向复原、球幕影视鱼眼的表达方式，针对于球幕景别、主视角安排、摄像机运动节奏、整体影片时长等都总结出一整套经验。同时解决了关于Mental Ray鱼眼画面渲染以及超高分辨率分块渲染等问题。让文化遗产地的8K超高分辨率鱼眼画面在球幕展示成为现实，填补国内关于超高分辨率球幕实景内节目制作的空白。

参考文献

[1]朱毅.数字球幕电影技术体系及关键技术研究[D].南京：南京理工大学，2007.

[2]陈振宇.插值算法在图像放大中的应用及数字球幕电影的制作[D].南京：南京理工大学，2007.

[3]李坚，文红光，贾宝罗.一种360度数字球幕电影的制作方法.CN，2013.