連續拍攝一星期星空（天文這麼有趣的事）
2023-06-14 07:49:07
每年3月的第二個星期日是國際天文館日。國際天文館日1995年誕生於義大利，旨在帶動國際天文館的協作，促進公眾了解天文館的知識
在這一天，到天文館逛一逛，看一場「球幕電影」，和太空來一次近距離接觸，是個不錯的選擇
草地周刊記者來到北京天文館，和天象廳數字科普節目創作團隊負責人一起，帶你了解「球幕電影」背後的故事
記者：新華每日電訊李牧鳴
又到了3 月的第二個星期日，北京天文館以各種主題活動慶祝一年一度的國際天文館日。在蘊含廣義相對論概念的新館大樓映襯下，老館球幕影院巨大的穹頂略顯滄桑，而球幕裡正熱映最新「大片」《宇宙大爆炸》——「只有光，只有光/真空送來能量，無中生有的能量/謝謝暴脹……」歡快的RAP主題歌帶著觀眾的浮想聯翩，直達宇宙深處。
在過年前幸運地看了首映，一直到寒假即將結束時，才又「搶」到一次票，複習當時留下的各種疑問。按導演宋宇瑩的話講：「看不太懂就對了。」
天文館，確實是個值得一來再來的地方。
你沒聽錯，天文館就是天象廳！
在老館天象廳檢票時，沿著蜿蜒的走廊排起長隊，記者後面兩個帶小孩的媽媽一直在交流經驗，「這個片子不好買，得提前幾天訂」。散場後去新館服務臺詢問，所有劇場票除了兩個比較老的片子外全部售罄。「假期和周末，還是網上訂票比較保險，你要提前7天在公號上關注票源。」賣票的姑娘熱心提示。
北京天文館新館2004年建成後，網上曾有人詬病「偌大的天文館，就是個大電影院」，當時朱進館長做過解釋。畢竟，作為中國第一家天文館，它被賦予了太多意義與希冀。
其實天文館最早誕生的時候，就是天象廳。英文裡天文館一詞是planetarium，和天象廳是一個詞。後來才以天象廳為核心發展出一些其他諸如展覽、科普等活動。
在中世紀的歐洲，天空被想像成由若干個層疊的球面組成，這種觀念殘存在天文館半球形銀幕的構想與設計上，仿佛是消逝的理想典範遺蹟。中國古代的渾天說也闡釋了這一類天文模型。雖然克卜勒與牛頓基於觀測的數學模型取代了早期天文學簡單嵌套的球體，20世紀20年代誕生的天文館仍脫胎於這種以地球視角為中心的投影方式。
著名的光學儀器生產商卡爾蔡司公司的工程師瓦爾特·鮑爾斯費爾德發明了天文館的投影儀和球幕，1923年10月21日， 首個天象節目在慕尼黑的德國博物館公映。最開始設置天文館的目的就是虛擬星空，在虛擬星空的基礎上，再講一些故事和知識。畢竟，大多數生活在現代化城市的觀眾對夜空的本來面貌了解並不多。哥本哈根天文臺臺長埃利斯·斯特倫格倫曾在《蔡司天文館》一書中寫道：「它同時是學校、劇場和電影院，它是天穹下的課堂，是以天體為演員的戲劇。」
20世紀30年代，我國就有人在《歐遊雜記》等文章中抒發了在德國參觀天文館的感想，渴望國內也能建立一個，當時甚至還有熱心人想用出售天文紀念郵票或者開設股份公司的辦法來籌款建造。新中國成立後，在多方推動下，克服種種困難，國人終於如願以償。
從1957年9月29日的一則新華社稿件中，仍能感覺到時人的激動心情：
北京六百多個著名人士今天在這個館作了一次有趣的「宇宙旅行」。人們在館內的主要建築天象廳裡，看到一架複雜精巧的天象儀。它把各種天文現象放映到穹形的屋頂銀幕上，構成一幅逼真的「人造星空」。
燈漸漸滅了，剎那間，在穹形屋頂銀幕上閃出數不清的星星。講解員說，天象儀將帶著觀眾在七分鐘內環球旅行一周，在四分鐘內完成實際長達兩萬六千年的歲差運動。這架天象儀上的每個電動機都能前進或是倒退。因此，它能「預算」千百年後的天象，也能重演過去的天象。今天，觀眾們看到了需要在二十九年以後才能在北京上空出現的一顆大彗星，還看到了需要在公元二○三八年九月二日才出現的日全食的壯麗景象。
球幕電影在極大程度上還原了來自現實世界的真實感，又能提供一些超真實的體驗。說球幕是天文館立館之本似不為過。
天象節目數位化
是為了「科學可視化」
儘管距離鮑爾斯費爾德的發明已經過去了近一個世紀，現代天文館的運轉方式仍然與最初的設計十分相似。與此同時，隨著投影系統的技術提升和天文學研究的進展，天文館也經歷了顯著的變化，光學天象儀被替換成數字天象儀。
北京天文館的數字工作室就是2004年隨著新館落成而成立的。宋宇瑩介紹，之前的放映內容都是基於光學天象儀，只能模擬以地球為核心看到的星空。天象廳裡的鬥轉星移，動的是天象儀。原理就像紙杯上扎很多孔，中間點亮一個燈泡，杯子一轉，「星星」就跟著轉了。當然，實際的光學部件要複雜得多，得讓對焦、孔洞更精細，能模擬大的、小的、亮的、暗的各種星，還能閃爍……
2004年之前，天文館的節目都是星空配上幻燈片，雖然也可以拼接成一個全景的影像，但全是靜態的。「我們開始學習所有跟數字展示相關的製作技術，這簡直就是另外一個行當了。不過，放映還是這個（球幕）環境。」宋宇瑩說。
數字天象儀最初也只能投星空，最大的進步是可以任何地點為視覺核心投影，可以模擬在星空裡穿梭，位置都是基於天文星表的。北京天文館引進的數字天象儀原配的星空只能投實時畫面，而且因為版權問題，不能在此基礎上做節目。所以數字工作室又重新做了一套星空系統。「這是我們所有影片製作的基礎。從2004年開始，到現在這個問題已經解決了。」數字工作室工作的重心，慢慢轉移到在星空基礎上加入更多科學可視化的內容。
什麼是科學可視化？
宋宇瑩解釋：「比如要跟大家講地球的磁場。受太陽磁場影響，地球在空間運行的時候，磁場會變形。變形成什麼樣子？如果只是在動畫軟體裡『捏』一個，它的運動狀態不符合物理規律，那只能是『哄小朋友』，畢竟我們不是做動畫片。所以，必須要保證在力所能及的範圍內，所有產出的視頻儘可能在最大程度上依照科學的邏輯。」
《宇宙大爆炸》也秉承了這一理念，「每一個像素都有數據支撐」。
記者跟隨他參觀了數字工作室的機房，教室大的一間屋，被伺服器佔滿，這已經超乎慣常想像的影片製作環境了。然而，整個數字工作室團隊只有五個人，三個學天文的，兩個學計算機的。
「北京天文館數字節目製作系統平臺」機房全景。
「我們的工作相當跨界，作為科普節目製作者，要把高深的科學知識可視化，還是這種沉浸式的播放環境。這些年最大的困擾就是與合作夥伴溝通，我們非常希望更多有理科背景的藝術生參與其中。」宋宇瑩說。
生於1978年的宋宇瑩，也是天文、計算機跨界。他謙虛地說，計算機就是個工具，人人都用，只不過天文學家是用來控制望遠鏡，或計算某些設想的物理過程。
科學「搬運工」的日常
作為目前國內唯一的天象廳數字科普節目創作團隊負責人，宋宇瑩也坦言被「催更」有壓力。逛天文館的多是親子家庭，面對展品、展板中的天體物理知識懵懵懂懂，作為必選甚至首選項的「看電影」，對節目期待可想而知。
「一部片子周期差不多是兩年，當然這只是製作周期，策劃很早就開始了。比如《宇宙大爆炸》，從最開始有這個想法，醞釀了10年。之後慢慢積累相關的素材，還會儲備一些相關知識。需要了解當前中國的宇宙學研究到什麼程度，能夠給我們提供怎樣的技術支持。同時關注國際上宇宙學進展，是否會對之前的理論有一些推翻性的觀點，總之要不停充電。」
「現在天文愛好者越來越多，對科普的要求也越來越高，這個片子較之前的幾部是躍了一個臺階，也圓了我自己一個夢。」宋宇瑩說。
技術含量高了，並不代表不接地氣。就像主題歌所唱：「暴脹吹出的泡泡宇宙/無數的足球宇宙/其中之一是我們的宇宙/更多的更多的足球/永遠沒有盡頭……」
「只談各種夸克、粒子，別說孩子，多數成年人聽起來也會暈，不如用一個直觀的描述，讓他知道這大概是怎麼回事。至於為什麼是這樣，如果真的感興趣，可以再去看其他的相關資源。」宋宇瑩解釋道。
確如其言，記者在二刷之後，再去新館參觀地下一層的「宇宙穿梭展廳」，面對宇宙起源那一大面展板，之前似是而非的各種粒子圖像顯得格外親切；暴脹時代、夸克期、光子解耦、第一代恆星點亮……這些線索在頭腦中也有了全息的畫面。
現代天文學家研究的課題，多數很抽象，對常人來說可能就是天書。而星辰大海又是無數人心靈最深處的夢想和渴求，不光是思辨著名的哲學三問，也是探究人類未來的出路。但來天文館尋求科普的觀眾，多數只能理解影像和解說。
宋宇瑩說：「我們做片子，相當於做『翻譯』，通過我們的球幕、我們的影像、我們的解說、我們的音樂，我們所有的手段，把天文學家的理論與發現轉化成觀眾能理解的東西。其實就是做了一個搬運工的工作。」
以《宇宙大爆炸》來說，國家天文臺計算宇宙學研究團隊的王傑研究員和景英傑博士，為數字工作室提供了宇宙學模擬AURIGA項目的海量數據及科學支持。這個項目是他們參與的一個宇宙演化相關的研究。其中的海量模擬數據龐大到什麼程度呢？調完一個參數，想看到具體結果至少要等一兩個小時，後臺的計算機集群才能返回一幀畫面。
雖然很多天文影像的資源是免費的，比如NASA官網。「但是不希望在中國的天文館裡看到的全是國外的素材，這種『嘴硬』，還是因為我們有這個能力了，中國的天文學研究能夠支持這些事了，我才敢說這個話。」
十幾年前的４Ｋ讓人很崩潰
「目前球幕電影還做不長，成本太高了。」宋宇瑩表示很無奈，「國際上這類影片最長的也就一個多小時，但絕大多數做不到。」
為什麼成本高？日常能看到的影像模式，無論怎麼切換，同一時點只有一個視角。但是球幕360度，無！死！角！還從頭到腳！這麼大的場景，無論實景拍攝還是製作動畫，不知要翻多少倍。另外，從清晰度來說，現在大家覺得看4K視頻理所當然。北京天文館在2004年新館建成時，播放設備就已經是4K了（目前是８K）。
「所以想期待在球幕上達到這樣的解析度，精細程度難上加難。起步的時候沒有合適的拍攝設備，只能做動畫。當年的相機、手機才幾百萬像素。就算用相機拍出來拼接，沒有痕跡是不可能的，也想不出太好的辦法解決。直到這四五年來，全景拼接、 VR視頻製作普及之後，我們藉助這些技術支持，慢慢有一些拍攝的畫面在片子裡。從最開始幾個相機拍靜幀，之後延時攝影，一直到最近可以航拍視頻拼接了，才能有《宇宙大爆炸》這樣的片子給觀眾。」
片中轉瞬即逝的FAST、興隆郭守敬望遠鏡等實地場景，僅籌劃階段就用了一年。全景拍攝與普通攝影不同——不能打光，也不能上濾鏡，想拍到理想鏡頭很大程度靠運氣。FAST拍攝除了要靜待貴州難見的晴天，還得趕上每天一小時的信號靜默窗口，宋宇瑩和負責可視化的韓敘，足足盯了一個月。
團隊拍攝FAST 工作照，左側為宋宇瑩。
當記者問起，片子中沒能用上的素材和資料有沒有考慮以別的形式呈現時，宋宇瑩忍不住「吐槽」。「周邊產品、科普也在做，但團隊就5個人，實在精力有限，只能有選擇性地做一些外延。」
VR流行帶來新契機？
2004年至今，這個在國內「沒有同行」的團隊，一路摸索，做了十幾部球幕影片。「買國外的節目，講的是『別人的故事』。我們希望在中國的天文館裡，更多呈現我國最新的天文學科研成果，講述自己的故事。」現在，北京天文館新館宇宙劇場仍在熱播的《天上的宮殿》，講的就是中國的古天文學，除了古代天文成就，還包括中國自己的宇宙觀。宋宇瑩介紹，《天上的宮殿》已經賣到了墨西哥等國，「據我所知，現在墨西哥應該有15萬人看過了」。
作為相對「小眾」的球幕影片，有沒有「出圈」的可能？宋宇瑩認為，現在流行VR、AR、全景，其實從天象廳誕生開始就是一個全景沉浸式的體驗，天文館的影片可以無縫移植在VR播放設備上。
《宇宙大爆炸》宇宙演化模擬宇宙大爆炸後16億年
原來沒有VR技術的時候，天文館新館辦公區五樓有一個直徑7米的球幕，可以模擬天象廳的環境測試片子，再做編輯修改。而現在，所有測試全都是戴著VR頭盔看效果。
如果這種可行性能夠推廣，在沒有天文館、科技館的地區，也能利用簡單的VR設備欣賞天象節目。「我們已經在參與沉浸式視頻標準的制定，希望將來能夠把影片推到VR端上。對我們來說，技術環境、擴大播放環境都是巨大的利好，同時也為填平科普教育『鴻溝』做出努力。」
早在2002年，國務院就頒布了《中華人民共和國科普法》。為科學技術普及立法，在全世界範圍內並不多見，這是國家科技事業發展的需要，也是推動科技進步、社會進步的需要，又是實施科教興國戰略和可持續發展戰略的需要。
宋宇瑩透露，今年會做「太陽系形成」主題的片子，又要為此做很多研究工作。「如果自己不懂，就沒辦法說出來讓別人懂。做每一個節目都要深度學習，幾乎每兩年都要擴充知識的新邊界。天文學的知識更新特別快，常常是節目剛上映，科學家觀測又有了新的結果。理論變了，但也沒法再改了。大家如果能發現問題，也是一個好事，甚至是一個有趣的事情。」
天文本來就是個很有趣的事，讓我們先從「看電影」開始吧！
■記者手記
你知道球幕有多少種嗎？
都說內行看門道，外行看熱鬧。作為一個住在北京天文館周邊的天文愛好者，記者幾乎看遍了館裡前前後後的所有片子，但一直分不清館中的幾個影廳。更別提導演宋宇瑩受訪時談及的三四種球幕。
為了知其所以然，兩周之間，記者幾乎看遍了北京城的球幕影院。
除了3D、4D影廳，北京天文館現有兩個球幕，一個平的，一個斜的。老館天象廳是平的，也就是一個「半球」正好「扣」住觀眾席，讓人有種「躺」在裡面看星星的感覺。這種廳不會放場面太激烈的影片，適合漫遊式的觀賞。
四種球幕類型
新館宇宙劇場的球幕，「半球」和地面呈15度傾角，會兼顧到地平式球幕的感受，也更適合迎面而來快速畫面的影像風格。記者在此重溫了《迷離的星際》，雖然是十年以上的「老片子」，震撼不減當年。當巨蛇座鷹狀星雲迎面而來，旁邊有個小朋友抱住媽媽叫出聲來：「我不想被吸進去！」
宋宇瑩介紹，新片《宇宙大爆炸》也更適合新館球幕。
現在國內科技館更多是IMAX球幕，主要放映全天域電影（IMax Dome，舊稱OmniMax）。這類電影用「魚眼」鏡頭拍攝，放映時再用另一個魚眼鏡頭即可讓全景重現。IMAX球幕對多數場館是最優的選擇，因為設備一體化，內容也一體化，很多片目都是IMAX公司自己製作的。
半球一般和地面呈30度傾角，適合模擬乘坐交通工具進行探險活動的主題。擁有全球最大８K IMAX球幕的中國科技館，目前正上映的3部片子，幾乎都是相關題材。因座椅也傾斜30度，觀影時沉浸感十足。
還有一種垂直的球幕，也叫飛行影院。「半球」是豎著的，「大鍋」迎面而來，座椅甚至能上下翻飛。這類球幕放映的全是飛行穿梭相關的影片。
經過這番「洗禮」，記者進影廳不再是趕緊找位子，坐下刷手機靜待開演。第一反應先目測屏幕大小、角度，然後找放映窗口甚至機器，有可能的話再研究下播放設備……這也算一部影片引出的好奇心吧。
好奇心是人類進步原動力，從伽利略把望遠鏡指向太空開始，到「天問一號」火星探險……希望此文亦能激發一些觀者的興趣或共鳴，如數字工作室的數年耕耘一樣，點亮更多人心中那團火。
註：國際天文館日(IDP) 1995年誕生於義大利，旨在帶動國際天文館的協作，促進公眾了解天文館的知識。最初，這個日子定於春分前的周日，因為「春分」在天文學裡具有十分重要的意義——那一天地球上任何一個地方晝夜時長相等；春分點是黃道十二宮的起點，也是定位幾乎所有天體的坐標原點。不過由於春分落在一周中的哪一天不確定，為活動推廣帶來不便。後來，國際天文館協會（IPS）確定國際天文館日為每年3月的第二個星期日。
參考資料：
《通往宇宙的窗口：走進世界著名天文館和天文臺》李元主編，人民郵電出版社
《天文館簡史：從星空劇院到現代天文館》威廉·法爾布雷斯著，中信出版集團
《數字球幕科普電影的鏡頭語言與敘事策略分析》宋宇瑩，《科普研究》
來源：新華每日電訊
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