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在中世纪的欧洲 ， 天空被想象成由若干个层叠的球面组成 ， 这种观念残存在天文馆半球形银幕的构想与设计上 ， 仿佛是消逝的理想典范遗迹 。 中国古代的浑天说也阐释了这一类天文模型 。 虽然开普勒与牛顿基于观测的数学模型取代了早期天文学简单嵌套的球体 ， 20世纪20年代诞生的天文馆仍脱胎于这种以地球视角为中心的投影方式 。
著名的光学仪器生产商卡尔蔡司公司的工程师瓦尔特·鲍尔斯费尔德发明了天文馆的投影仪和球幕 ， 1923年10月21日 ，首个天象节目在慕尼黑的德国博物馆公映 。 最开始设置天文馆的目的就是虚拟星空 ， 在虚拟星空的基础上 ， 再讲一些故事和知识 。 毕竟 ， 大多数生活在现代化城市的观众对夜空的本来面貌了解并不多 。 哥本哈根天文台台长埃利斯·斯特伦格伦曾在《蔡司天文馆》一书中写道：“它同时是学校、剧场和电影院 ， 它是天穹下的课堂 ， 是以天体为演员的戏剧 。 ”
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20世纪30年代 ， 我国就有人在《欧游杂记》等文章中抒发了在德国参观天文馆的感想 ， 渴望国内也能建立一个 ， 当时甚至还有热心人想用出售天文纪念邮票或者开设股份公司的办法来筹款建造 。 新中国成立后 ， 在多方推动下 ， 克服种种困难 ， 国人终于如愿以偿 。
从1957年9月29日的一则新华社稿件中 ， 仍能感觉到时人的激动心情：
北京六百多个著名人士今天在这个馆作了一次有趣的“宇宙旅行” 。 人们在馆内的主要建筑天象厅里 ， 看到一架复杂精巧的天象仪 。 它把各种天文现象放映到穹形的屋顶银幕上 ， 构成一幅逼真的“人造星空” 。球幕电影在极大程度上还原了来自现实世界的真实感 ， 又能提供一些超真实的体验 。 说球幕是天文馆立馆之本似不为过 。
灯渐渐灭了 ， 刹那间 ， 在穹形屋顶银幕上闪出数不清的星星 。 讲解员说 ， 天象仪将带着观众在七分钟内环球旅行一周 ， 在四分钟内完成实际长达两万六千年的岁差运动 。 这架天象仪上的每个电动机都能前进或是倒退 。 因此 ， 它能“预算”千百年后的天象 ， 也能重演过去的天象 。 今天 ， 观众们看到了需要在二十九年以后才能在北京上空出现的一颗大彗星 ， 还看到了需要在公元二○三八年九月二日才出现的日全食的壮丽景象 。
天象节目数字化
是为了“科学可视化”
尽管距离鲍尔斯费尔德的发明已经过去了近一个世纪 ， 现代天文馆的运转方式仍然与最初的设计十分相似 。 与此同时 ， 随着投影系统的技术提升和天文学研究的进展 ， 天文馆也经历了显著的变化 ， 光学天象仪被替换成数字天象仪 。
北京天文馆的数字工作室就是2004年随着新馆落成而成立的 。 宋宇莹介绍 ， 之前的放映内容都是基于光学天象仪 ， 只能模拟以地球为核心看到的星空 。 天象厅里的斗转星移 ， 动的是天象仪 。 原理就像纸杯上扎很多孔 ， 中间点亮一个灯泡 ， 杯子一转 ， “星星”就跟着转了 。 当然 ， 实际的光学部件要复杂得多 ， 得让对焦、孔洞更精细 ， 能模拟大的、小的、亮的、暗的各种星 ， 还能闪烁……
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2004年之前 ， 天文馆的节目都是星空配上幻灯片 ， 虽然也可以拼接成一个全景的影像 ， 但全是静态的 。 “我们开始学习所有跟数字展示相关的制作技术 ， 这简直就是另外一个行当了 。 不过 ， 放映还是这个（球幕）环境 。 ”宋宇莹说 。
数字天象仪最初也只能投星空 ， 最大的进步是可以任何地点为视觉核心投影 ， 可以模拟在星空里穿梭 ， 位置都是基于天文星表的 。 北京天文馆引进的数字天象仪原配的星空只能投实时画面 ， 而且因为版权问题 ， 不能在此基础上做节目 。 所以数字工作室又重新做了一套星空系统 。 “这是我们所有影片制作的基础 。 从2004年开始 ， 到现在这个问题已经解决了 。 ”数字工作室工作的重心 ， 慢慢转移到在星空基础上加入更多科学可视化的内容 。
什么是科学可视化？
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宋宇莹解释：“比如要跟大家讲地球的磁场 。 受太阳磁场影响 ， 地球在空间运行的时候 ， 磁场会变形 。 变形成什么样子？如果只是在动画软件里‘捏’一个 ， 它的运动状态不符合物理规律 ， 那只能是‘哄小朋友’ ， 毕竟我们不是做动画片 。 所以 ， 必须要保证在力所能及的范围内 ， 所有产出的视频尽可能在最大程度上依照科学的逻辑 。 ”
《宇宙大爆炸》也秉承了这一理念 ， “每一个像素都有数据支撑” 。
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采访人员跟随他参观了数字工作室的机房 ， 教室大的一间屋 ， 被服务器占满 ， 这已经超乎惯常想象的影片制作环境了 。 然而 ， 整个数字工作室团队只有五个人 ， 三个学天文的 ， 两个学计算机的 。
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“北京天文馆数字节目制作系统平台”机房全景 。
“我们的工作相当跨界 ， 作为科普节目制作者 ， 要把高深的科学知识可视化 ， 还是这种沉浸式的播放环境 。 这些年最大的困扰就是与合作伙伴沟通 ， 我们非常希望更多有理科背景的艺术生参与其中 。 ”宋宇莹说 。
生于1978年的宋宇莹 ， 也是天文、计算机跨界 。 他谦虚地说 ， 计算机就是个工具 ， 人人都用 ， 只不过天文学家是用来控制望远镜 ， 或计算某些设想的物理过程 。
科学“搬运工”的日常
作为目前国内唯一的天象厅数字科普节目创作团队负责人 ， 宋宇莹也坦言被“催更”有压力 。 逛天文馆的多是亲子家庭 ， 面对展品、展板中的天体物理知识懵懵懂懂 ， 作为必选甚至首选项的“看电影” ， 对节目期待可想而知 。
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“一部片子周期差不多是两年 ， 当然这只是制作周期 ， 策划很早就开始了 。 比如《宇宙大爆炸》 ， 从最开始有这个想法 ， 酝酿了10年 。 之后慢慢积累相关的素材 ， 还会储备一些相关知识 。 需要了解当前中国的宇宙学研究到什么程度 ， 能够给我们提供怎样的技术支持 。 同时关注国际上宇宙学进展 ， 是否会对之前的理论有一些推翻性的观点 ， 总之要不停充电 。 ”
“现在天文爱好者越来越多 ， 对科普的要求也越来越高 ， 这个片子较之前的几部是跃了一个台阶 ， 也圆了我自己一个梦 。 ”宋宇莹说 。
技术含量高了 ， 并不代表不接地气 。 就像主题歌所唱：“暴胀吹出的泡泡宇宙/无数的足球宇宙/其中之一是我们的宇宙/更多的更多的足球/永远没有尽头……”
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“只谈各种夸克、粒子 ， 别说孩子 ， 多数成年人听起来也会晕 ， 不如用一个直观的描述 ， 让他知道这大概是怎么回事 。 至于为什么是这样 ， 如果真的感兴趣 ， 可以再去看其他的相关资源 。 ”宋宇莹解释道 。
确如其言 ， 采访人员在二刷之后 ， 再去新馆参观地下一层的“宇宙穿梭展厅” ， 面对宇宙起源那一大面展板 ， 之前似是而非的各种粒子图像显得格外亲切；暴胀时代、夸克期、光子解耦、第一代恒星点亮……这些线索在头脑中也有了全息的画面 。
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现代天文学家研究的课题 ， 多数很抽象 ， 对常人来说可能就是天书 。 而星辰大海又是无数人心灵最深处的梦想和渴求 ， 不光是思辨著名的哲学三问 ， 也是探究人类未来的出路 。 但来天文馆寻求科普的观众 ， 多数只能理解影像和解说 。
宋宇莹说：“我们做片子 ， 相当于做‘翻译’ ， 通过我们的球幕、我们的影像、我们的解说、我们的音乐 ， 我们所有的手段 ， 把天文学家的理论与发现转化成观众能理解的东西 。 其实就是做了一个搬运工的工作 。 ”
【电影|天文这么有趣的事，先从看球幕电影开始吧！｜草地·国际天文馆日】
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以《宇宙大爆炸》来说 ， 国家天文台计算宇宙学研究团队的王杰研究员和景英杰博士 ， 为数字工作室提供了宇宙学模拟AURIGA项目的海量数据及科学支持 。 这个项目是他们参与的一个宇宙演化相关的研究 。 其中的海量模拟数据庞大到什么程度呢？调完一个参数 ， 想看到具体结果至少要等一两个小时 ， 后台的计算机集群才能返回一帧画面 。
虽然很多天文影像的资源是免费的 ， 比如NASA官网 。 “但是不希望在中国的天文馆里看到的全是国外的素材 ， 这种‘嘴硬’ ， 还是因为我们有这个能力了 ， 中国的天文学研究能够支持这些事了 ， 我才敢说这个话 。 ”
十几年前的４Ｋ让人很崩溃
“目前球幕电影还做不长 ， 成本太高了 。 ”宋宇莹表示很无奈 ， “国际上这类影片最长的也就一个多小时 ， 但绝大多数做不到 。 ”
为什么成本高？日常能看到的影像模式 ， 无论怎么切换 ， 同一时点只有一个视角 。 但是球幕360度 ， 无！死！角！还从头到脚！这么大的场景 ， 无论实景拍摄还是制作动画 ， 不知要翻多少倍 。 另外 ， 从清晰度来说 ， 现在大家觉得看4K视频理所当然 。 北京天文馆在2004年新馆建成时 ， 播放设备就已经是4K了（目前是８K） 。
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“所以想期待在球幕上达到这样的分辨率 ， 精细程度难上加难 。 起步的时候没有合适的拍摄设备 ， 只能做动画 。 当年的相机、手机才几百万像素 。 就算用相机拍出来拼接 ， 没有痕迹是不可能的 ， 也想不出太好的办法解决 。 直到这四五年来 ， 全景拼接、 VR视频制作普及之后 ， 我们借助这些技术支持 ， 慢慢有一些拍摄的画面在片子里 。 从最开始几个相机拍静帧 ， 之后延时摄影 ， 一直到最近可以航拍视频拼接了 ， 才能有《宇宙大爆炸》这样的片子给观众 。 ”
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片中转瞬即逝的FAST、兴隆郭守敬望远镜等实地场景 ， 仅筹划阶段就用了一年 。 全景拍摄与普通摄影不同——不能打光 ， 也不能上滤镜 ， 想拍到理想镜头很大程度靠运气 。 FAST拍摄除了要静待贵州难见的晴天 ， 还得赶上每天一小时的信号静默窗口 ， 宋宇莹和负责可视化的韩叙 ， 足足盯了一个月 。
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团队拍摄FAST 工作照 ， 左侧为宋宇莹 。
当采访人员问起 ， 片子中没能用上的素材和资料有没有考虑以别的形式呈现时 ， 宋宇莹忍不住“吐槽” 。 “周边产品、科普也在做 ， 但团队就5个人 ， 实在精力有限 ， 只能有选择性地做一些外延 。 ”
VR流行带来新契机？
2004年至今 ， 这个在国内“没有同行”的团队 ， 一路摸索 ， 做了十几部球幕影片 。 “买国外的节目 ， 讲的是‘别人的故事’ 。 我们希望在中国的天文馆里 ， 更多呈现我国最新的天文学科研成果 ， 讲述自己的故事 。 ”现在 ， 北京天文馆新馆宇宙剧场仍在热播的《天上的宫殿》 ， 讲的就是中国的古天文学 ， 除了古代天文成就 ， 还包括中国自己的宇宙观 。 宋宇莹介绍 ， 《天上的宫殿》已经卖到了墨西哥等国 ， “据我所知 ， 现在墨西哥应该有15万人看过了” 。
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作为相对“小众”的球幕影片 ， 有没有“出圈”的可能？宋宇莹认为 ， 现在流行VR、AR、全景 ， 其实从天象厅诞生开始就是一个全景沉浸式的体验 ， 天文馆的影片可以无缝移植在VR播放设备上 。
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《宇宙大爆炸》宇宙演化模拟宇宙大爆炸后16亿年
原来没有VR技术的时候 ， 天文馆新馆办公区五楼有一个直径7米的球幕 ， 可以模拟天象厅的环境测试片子 ， 再做编辑修改 。 而现在 ， 所有测试全都是戴着VR头盔看效果 。
如果这种可行性能够推广 ， 在没有天文馆、科技馆的地区 ， 也能利用简单的VR设备欣赏天象节目 。 “我们已经在参与沉浸式视频标准的制定 ， 希望将来能够把影片推到VR端上 。 对我们来说 ， 技术环境、扩大播放环境都是巨大的利好 ， 同时也为填平科普教育‘鸿沟’做出努力 。 ”
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早在2002年 ， 国务院就颁布了《中华人民共和国科普法》 。 为科学技术普及立法 ， 在全世界范围内并不多见 ， 这是国家科技事业发展的需要 ， 也是推动科技进步、社会进步的需要 ， 又是实施科教兴国战略和可持续发展战略的需要 。
宋宇莹透露 ， 今年会做“太阳系形成”主题的片子 ， 又要为此做很多研究工作 。 “如果自己不懂 ， 就没办法说出来让别人懂 。 做每一个节目都要深度学习 ， 几乎每两年都要扩充知识的新边界 。 天文学的知识更新特别快 ， 常常是节目刚上映 ， 科学家观测又有了新的结果 。 理论变了 ， 但也没法再改了 。 大家如果能发现问题 ， 也是一个好事 ， 甚至是一个有趣的事情 。 ”
天文本来就是个很有趣的事 ， 让我们先从“看电影”开始吧！
■采访人员手记
你知道球幕有多少种吗？
都说内行看门道 ， 外行看热闹 。 作为一个住在北京天文馆周边的天文爱好者 ， 采访人员几乎看遍了馆里前前后后的所有片子 ， 但一直分不清馆中的几个影厅 。 更别提导演宋宇莹受访时谈及的三四种球幕 。
为了知其所以然 ， 两周之间 ， 采访人员几乎看遍了北京城的球幕影院 。
除了3D、4D影厅 ， 北京天文馆现有两个球幕 ， 一个平的 ， 一个斜的 。 老馆天象厅是平的 ， 也就是一个“半球”正好“扣”住观众席 ， 让人有种“躺”在里面看星星的感觉 。 这种厅不会放场面太激烈的影片 ， 适合漫游式的观赏 。
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四种球幕类型
新馆宇宙剧场的球幕 ， “半球”和地面呈15度倾角 ， 会兼顾到地平式球幕的感受 ， 也更适合迎面而来快速画面的影像风格 。 采访人员在此重温了《迷离的星际》 ， 虽然是十年以上的“老片子” ， 震撼不减当年 。 当巨蛇座鹰状星云迎面而来 ， 旁边有个小朋友抱住妈妈叫出声来：“我不想被吸进去！”
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宋宇莹介绍 ， 新片《宇宙大爆炸》也更适合新馆球幕 。
现在国内科技馆更多是IMAX球幕 ， 主要放映全天域电影（IMax Dome ， 旧称OmniMax） 。 这类电影用“鱼眼”镜头拍摄 ， 放映时再用另一个鱼眼镜头即可让全景重现 。 IMAX球幕对多数场馆是最优的选择 ， 因为设备一体化 ， 内容也一体化 ， 很多片目都是IMAX公司自己制作的 。
半球一般和地面呈30度倾角 ， 适合模拟乘坐交通工具进行探险活动的主题 。 拥有全球最大８K IMAX球幕的中国科技馆 ， 目前正上映的3部片子 ， 几乎都是相关题材 。 因座椅也倾斜30度 ， 观影时沉浸感十足 。
还有一种垂直的球幕 ， 也叫飞行影院 。 “半球”是竖着的 ， “大锅”迎面而来 ， 座椅甚至能上下翻飞 。 这类球幕放映的全是飞行穿梭相关的影片 。
经过这番“洗礼” ， 采访人员进影厅不再是赶紧找位子 ， 坐下刷手机静待开演 。 第一反应先目测屏幕大小、角度 ， 然后找放映窗口甚至机器 ， 有可能的话再研究下播放设备……这也算一部影片引出的好奇心吧 。
好奇心是人类进步原动力 ， 从伽利略把望远镜指向太空开始 ， 到“天问一号”火星探险……希望此文亦能激发一些观者的兴趣或共鸣 ， 如数字工作室的数年耕耘一样 ， 点亮更多人心中那团火 。
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注：国际天文馆日(IDP) 1995年诞生于意大利 ， 旨在带动国际天文馆的协作 ， 促进公众了解天文馆的知识 。 最初 ， 这个日子定于春分前的周日 ， 因为“春分”在天文学里具有十分重要的意义——那一天地球上任何一个地方昼夜时长相等；春分点是黄道十二宫的起点 ， 也是定位几乎所有天体的坐标原点 。 不过由于春分落在一周中的哪一天不确定 ， 为活动推广带来不便 。 后来 ， 国际天文馆协会（IPS）确定国际天文馆日为每年3月的第二个星期日 。
参考资料：
《通往宇宙的窗口：走进世界著名天文馆和天文台》李元主编 ， 人民邮电出版社
《天文馆简史：从星空剧院到现代天文馆》<英>威廉·法尔布雷斯著 ， 中信出版集团
《数字球幕科普电影的镜头语言与叙事策略分析》宋宇莹 ， 《科普研究》
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