基于数字天象演示系统的球幕天象节目制作探索

赵然子 唐剑波 吴 丹 宋 楠

中国科学技术馆，北京 100012

球幕影院及天文馆（天象厅）是科技馆在天文科普方面的重要宣传阵地，其实现途径主要有两种：一是基于天象演示系统的实时演示讲解；二是回放式天象节目，也就是天文类球幕电影的播放。

基于天象演示系统的实时演示讲解因其良好的互动性等优势广泛受到观众的喜爱，但其缺点是对讲解教师的能力要求较高[1]，规模性推广和复制能力不足。回放式天象节目有效避免了上述缺陷，不需要影院配备具有天文知识和演讲能力的教师，因此具备容易复制和进行规模性推广的特性，可以普惠更多需要天文知识的公众，是现阶段国内球幕影院天文科普所采取的重要手段。

球幕影院可以营造一个沉浸式的虚拟环境，可以令数百名观众同时拥有沉浸式的视觉体验。精心设计的沉浸式内容能很好地传达知识，令观众产生更大的学习兴趣，在传达科学概念方面比电影银幕或电视更有效[2]。在2020 年9 月11 日的科学家座谈会上，习近平总书记多次提到“好奇心”，他指出：“科学研究特别是基础研究的出发点往往是科学家探究自然奥秘的好奇心。”“好奇心是人的天性，对科学兴趣的引导和培养要从娃娃抓起，使他们更多了解科学知识，掌握科学方法，形成一大批具备科学家潜质的青少年群体。”而且已有实验证明，在沉浸式的学习环境中，可以达到很好的教育效果[3]。

回放式天象节目可以归为天文题材类的球幕电影，众所周知，球幕影片的制作无论实拍或是CG 动画，成本都十分高昂，且相对于一般商业影片，因其格式特殊、市场容量小的特点，无法摊平高昂的制作成本，所以租赁价格不菲[4]，也导致部分场馆因经费原因无法保持较为合理的节目更新频率。

随着计算机技术的飞速发展，数字天象演示设备不仅在科学可视化和三维动画模型上愈加精细和逼真，更具备了视频采集的功能，为科普场馆自主开发回放式天象节目提供了硬件基础，在天文演示视频素材的获取上，再次投入的成本相对于传统的实拍和CG 动画制作几乎为零。

综上所述，为了探索这一道路的可行性，中国科学技术馆立项《基于数字天象演示系统的球幕天象节目开发研究》课题，该课题已于2023 年2 月结题，成果包含完全自主制作的21 分钟4K 分辨率30FPS球幕天象节目《群星闪耀的夜空》一部（图1），并归纳总结了球幕天象节目一般表现形式与开发流程等内容。

图1 《群星闪耀的夜空》画面截图

1 国内球幕影院及天文馆（天象厅）天象节目现状

1.1 回放式天象节目占比大

2015 年，中国自然科学博物馆学会科普场馆特效影院专业委员会拥有48 家科普场馆会员，共计91座特效影院，其中球幕影院（天象厅）共35 座，但这35 家球幕影院在2015 年全年仅开展20 余次实时类的天文相关教育活动，回放式影片占总播放类型的96%[4]。在课题组的调研中，截至2020 年，填写调查问卷的94 个会员单位中，共有球幕影院（天象厅）53座，其中有31座具备开展天文教育活动的能力，但通过与这些场馆沟通，其开展活动的总量仍远小于播放天文影片的数量。

以中国科学技术馆为例，2021 年全年球幕影院共放映回放式天象节目903 场，开展每期1 小时左右的实时天文讲解类活动“球幕特色天文课”12 场，每期5 分钟的“映前天文课”370 场。不难看出，在现阶段，回放式天象节目在每年的播放场次、时长和服务观众数量上都占有绝对数量优势，是国内球幕影院（天象厅）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（天象厅）相比同座位数的常规影院银幕面积更大，相应的分辨率和帧率等画面要求也更高。数字球幕影像画幅比通常为1:1，为保证在球幕中良好的画面质感，对于常规的球幕影院来说，4K(4096×4096)[5]分辨率和30FPS 是较为基础的要求，要达到更优秀的效果，8K(8192×8192)[6]分辨率和60FPS是现在新安装和改造的球幕影院所普遍支持的规格，这远高于常规数字电影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（图2），因此无论实拍、CG 动画制作、后期剪辑等成本都会以指数级增加。

图2 8K 分辨率球幕画面、4K 分辨率电影画面对比[8]

1.3 地方场馆经费有限、影片更新频率低

由于球幕影院属于特种影院，基本只在科技馆、天文馆等科普场所内建设，银幕数量远小于传统商业影院，因此无法通过规模效应去摊平制作成本，制片商为了保证利润，只能抬高其租赁价格，一个较大规模的球幕影院的影片租赁费用通常可以达到数万美元。对于经费有限的场馆，这是一个不菲的数字，这也导致国内许多场馆无法保持合理的影片更新率。

课题组对52 个地方科技馆球幕影院进行了调研，截至2021 年2 月，年采购影片数量为0 的场馆数量高达22 个，占42.3%；每年采购1 部的场馆数量为20 个，占38.5%；每年采购2 部及以上的场馆有10个，占19.2%。这将导致一些无法保持影片更换率的影院吸引力下降，相对于球幕影院高昂的建设成本，也一定程度上造成了资源的浪费。这些接受调研的场馆也纷纷表示希望能够获得优秀的科普科幻影片资源。

2 基于数字天象演示系统的球幕天象节目开发基础

2.1 球幕影院天象演示设备资源优势

中国科学技术馆球幕影院在2018 年改造后，使用的是美国益世公司Digistar 6 数字天象演示系统，该系统具有内容丰富、数据庞大、还原精准、分辨率高等优势，此外系统还具有将画面逐帧采集为图片的功能，可以支持8K 分辨率60FPS 帧率的无损画面采集。市面主流的数字天象演示系统基本都具有相近的天文内容数据库和演示功能，以及一定的画面采集能力，可以为天象节目的制作提供充足和准确的素材内容。

课题组对系统功能进行了梳理，结合教育活动开发所积累的经验，梳理出系统的主要内容如下：

（1）Digistar 6 系统的数字星空数据库包含了从太阳系到恒星及整个银河系，再到河外天体的多个星表和天体的数据库；

（2）太阳系天体、人造天体、星云星系等三维模型，高分辨率行星、卫星表面数据及3D 地形、模型的导入功能；

（3）可切换中英文国际标准星座名、星座线，中国古代星空的星区划分、星座名、星座连线、星座图等；

（4）能够演示太阳系各天体的基本运动，演示日食、月食、彗星、流星雨等天文现象的历史重现及未来预演；

（5）恒星的视差，以公元2000 年为基准±100 万年的岁差及恒星自行演示；

（6）演示宇宙飞行到地球及其他太阳系天体表面近距离观看天体，在宇宙中穿梭至指定目的地或手动飞行演示；

（7）天文坐标系统如黄道圈、赤道圈、银道圈、地平圈、子午线、岁差圈等演示。

2.2 球幕沉浸式画面的特点与表达

天象节目属于球幕电影的一个细分领域，它所表现的内容、呈现的形式以及表达的手法等方面与球幕电影触类旁通，因此对于球幕沉浸式画面的研究具有十分重要的意义。

球幕电影来源于传统电影，但因为其包裹观众的超大画面视角与传统电影的矩形画面有着本质区别，因此球幕电影的表现形式与传统电影在许多方面都有着较大的区别。

（1）连续的第一视角

球幕电影的沉浸式最大的特点即是让观众从传统电影的画框之外走进画面之中，观众在观影过程中，始终是以第一视角来“参与”而非“观看”影片，因此球幕影片的画面表达必须注重内容的连贯性。

传统的画面剪辑在球幕中非但无法取得更佳的观看效果，反而会令观众感到不适。而在同一场景中对不同主画面的切换，如在表现对话时，通常在电影中会通过对讲话者进行镜头的切换，也同样无法在球幕中使用。在球幕的画面表达中，要时刻牢记“镜头”就是观众的“眼睛”，一方面使用长镜头，减少画面的切换，另一方面对于相同场景内的主画面变化则需要通过让镜头在巧妙的路线移动设计中，完成内容表达的切换，从而营造出观众在某一场景下连续以第一视角观测，而在不同场景的切换中也需要尽量营造出连续的感觉，减少直接的画面切换，以保持持续的沉浸感不被破坏。

（2）慢节奏的球幕电影

球幕电影通常节奏都会比传统电影要慢，其原因主要有以下三点：

第一，由于上述连续第一视角的镜头语言表达，为了保证沉浸感的持续，影片的场景切换相比于传统影片少得多，而且在场景进行切换之后，通常还会给观众一段时间熟悉和适应新的场景，从而导致球幕影片的画面节奏相对缓和。

第二，由于观众沉浸于画面之中，缺乏现实中的参照物，因此可以营造出随着镜头移动的观感，这也是许多观众观看球幕时会怀疑座椅在旋转的原因。但由于人的平衡系统是由前庭系统和视觉系统协调而生的，当画面的移动给观众带来运动感的同时，与前庭系统产生了冲突，就会导致“晕车”感觉的产生。因此在画面设置时需要放慢画面移动的速度，从而减少前庭系统与视觉系统的差异，从数量和程度上减少观众出现“晕车”的现象。

第三，由于球幕画面视角非常广阔，过快的移动速度会使得画面在银幕上出现不连续的现象，这也是球幕电影的帧率最低要求为30FPS，高于传统电影的24FPS 的原因。通常为了保持画面的连续性，需要使画面移动的速度保持在每秒1弧度之内，或通过增加运动模糊来平滑画面。

（3）导演即导游

综合球幕影片上述两个特点，当观众坐在影院之中，以第一视角体验影片的时候，缓慢的节奏让观众有足够的时间悠闲地欣赏整个画面，这既是球幕影院沉浸式带来的美好体验，也导致观众注意力被逐渐分散，观众有可能在不经意间被周边的信息所吸引，而丢失推动情节的关键画面信息。作为一部合格的球幕影片，需要在影片中通过各种手段，不时地将观众的注意力吸引到故事之中，为情节的发展提供推动力和适当的理由。

观众的注意力往往会不自觉地趋向于中心画面，当整个画面没有特别吸引人的地方时，观众会试图在中心画面处寻找信息，除此之外，观众的视线与注意力往往会被运动的物体、清晰的面孔、变化的亮度、逐渐变大的体积、焦点的景深虚实、画面构图所形成的空间框架、适当的剪辑、色彩的变化以及镜头的运动等所吸引[9]。球幕影片的导演需要像一名旅游景点的导游带领一群活泼好动、对周边一切信息都充满好奇的旅游团一样，不断引导观众的视线，完成整个影片的游览。

3 球幕天象节目的一般表现形式与开发流程

课题组在理论研究和案例分析的基础上，结合天文学、教育学、传播学、电影艺术等理论，分析总结球幕天象节目的内容和表现形式特点，归纳总结出天象节目从内容选择、剧本创作、素材采集、后期合成等的流程概况。该流程经实际操作，在制作球幕天象节目《群星闪耀的夜空》过程中，进行了实践与修正，对于其他科普场馆利用已有的数字天象演示系统开发球幕天象节目具有一定的参考性。

3.1 球幕天象节目的一般表现形式

3.1.1 内容形式

球幕天象节目是利用球幕特有的沉浸式体验所呈现出的天文类科普电影，由于是基于数字天象演示系统内置的演示内容进行开发，在低成本的同时也具有一定的局限性，在表现的内容上大致可以分为星空模拟、宇宙飞跃和坐标系统三大部分，除此之外还需要外部引用资料作为补充。

（1）星空模拟

星空模拟是天象节目主要的表现形式，利用球幕的先天优势，可以逼真地模拟再现星空场景、天体视运动和星座等（图3），并可以模拟特殊天象等内容。

图3 《群星闪耀的夜空》演示北斗七星在中西方不同文化下所代表的不同涵义

（2）宇宙飞跃

宇宙飞跃是天象系统脱离光学天象仪，全面数字化后的重要组成部分，可以带领观众在时间上和空间上进行宇宙的穿梭与飞跃，让观众直观了解宇宙中的各个天体以及体会宇宙的三维结构。此外，在时间上也可以进行穿梭，以演示宇宙天体在数百万年里的变化。

（3）坐标系统

坐标系统作为星空模拟与宇宙飞跃的辅助，可以帮助观众更好地理解天文内容，同样是不可或缺的部分。

（4）外部引用资料

以上三大部分构成了基于数字天象演示系统的球幕天象节目中绝大部分的内容，但作为一个完整的节目，仍需要从外部引用一些图片、视频等内容，这些内容需要借助天象演示系统进行球幕化变形转换（图4）。

图4 《群星闪耀的夜空》外部引用资料画面

3.1.2 节目时长

节目的时长根据类型一般可分为映前秀类和常规天象节目类，其中映前秀类一般在5 分钟左右，最长不超过8分钟。

面对大众的常规天象节目一般在20～25 分钟左右较为合适，但若专门针对低幼儿童制作的节目，需要考虑这一年龄段的注意力持续时间，一般在15 分钟左右。

3.2 开发流程

天象节目的开发流程主要由前期准备、画面采集和后期制作三大部分组成。

3.2.1 前期准备

前期准备主要在技术层面、内容选择上确定明确的目标，并有针对性地进行剧本和分镜头脚本的创作。

（1）确定技术需求

基于数字天象演示系统的球幕天象节目制作需要同时考虑开发端与使用端的设备性能、支持格式以及最佳技术参数等多重因素。建议开发端即数字天象演示系统和后期剪辑系统采用其可输出和支持的具有性价比的最高内容质量；使用端即天象节目成片播放的场馆需采用不低于其可以接受的最低标准。

具体参数可以参考表1，结合各个场馆实际情况，确定所制作天象节目的各项技术参数。

表1 天象节目技术参数

（2）确定内容选题

天象节目的内容选题应在充分了解天象演示系统内容优势和球幕沉浸式优势的前提下，选择符合党和国家方针政策、符合各场馆科普教育理念与定位，并充分结合观众需求与社会热点，以确定节目的内容选题和时长。

（3）撰写节目剧本及分镜头脚本

节目剧本及分镜头脚本的创作同样需要创作者非常熟悉天象演示系统的优势和球幕沉浸式优势，在内容的表达和镜头的表现上，充分发挥优势，扬长避短，合理规避天象演示系统不擅长的内容，减少沉浸式体验可能带来的负面影响。此外还要重点考虑天象演示系统的各个场景在后期编程时的可实现性与画面衔接性。

3.2.2 画面采集

相比于传统球幕天象节目制作中所采用的CG动画制作或真实场景实拍等手段，基于数字天象演示系统的画面采集是整个球幕天象节目画面内容的最主要来源。

（1）收集组织素材

一部完整的天象节目除天象系统内置的三维空间模型、图片和视频等资料外，也需要引用外部资料，这些引用的资料需要事先进行收集和整理，并且注意这些内容版权使用的相关问题。

（2）编写画面程序

通过编写程序脚本等方式，利用数字天象演示系统的天文、宇宙模拟演示功能，依次实现分镜头脚本中的各个画面，并将各程序脚本独立存储，以便后期修改。

这一过程也包括将外引素材添加到球幕画面中进行鱼眼变形处理，而非在第三步剪辑时进行插入，否则将出现引用素材画面不合理畸变的问题。

（3）画面采集

对编程好的程序脚本依次运行并采集画面，每一个场景独立保存并采用有意义的名称进行命名归类，以便后期剪辑。

采集的画面参数尽量使用开发端可承受的最高质量，以便成片可以满足更多场馆系统的最低播放标准。

3.2.3 后期制作

（1）配乐剪辑

将采集好的画面导入非线性编辑软件，按照分镜头脚本进行后期剪辑，选择合适的音乐和特效音，尤其是多声道空间音频的运用与画面的配合，可大幅提升天象节目整体效果。同时也要注意音乐与特效音的版权问题。

（2）配音与输出

对完成配乐与剪辑的视频进行对白配音，并与其他音频进行多轨道混音。音频与画面确认无误后，便可以根据天象节目播放场馆系统要求进行画面及音频的输出。

（3）审核修改

邀请专家、特定观众等对完成的作品初稿进行审核，并按照所提出的意见进行必要的修改。

4 结语

随着数字天象演示系统科学可视化能力的不断成熟，使得通过其直接作为画面源进行天象类球幕电影的制作成为可能，天象演示系统内输出的画面在精细程度上不逊色于CG动画，而且另一大优势是所展现的内容具备系统性、科学性，在天文的框架下，可以使创作者专心于内容的设计。虽然一套高端成熟的天象系统价格不菲，但作为新建或改建的科普场馆来说，这些成本已经包含在前期的建设之中，相比于传统球幕电影实拍与CG动画动辄百万计的制作成本，几乎可以视为零成本创作，因此，更多更充分地利用数字天象演示系统，便是对前期投资的最好回报。

基于天象演示系统的球幕天象节目开发目前在国内应用较少，是一项具有开创性的新尝试。一个合格的球幕天象节目并非简单的画面与知识点的叠加，如何通过视觉、表演、叙事、音响效果甚至是静默来充分利用球幕影院沉浸感的优势，讲好一个“故事”[10]，传达一段天文科普知识，让观众能够在沉浸式的体验下感受天文学的奇妙，激发观众对于宇宙的好奇心，最终自发地去探索科学，是一个值得长期探索与实践的方向。

课题成果《群星闪耀的夜空》受到了评审专家和观众的广泛好评，并且已经通过“2023 年全国科幻科普电影联合巡映活动”向国内首批15 个地方科普场馆进行分享，在丰富科普场馆影片资源的同时，也希望能够推动国内科普场馆在利用数字天象演示系统自主开发制作球幕天象节目上做出更多有益尝试，探索出一条能够持续输出内容，不断为行业提供高质量球幕天文科普节目的全新道路。