淺談特效影院升級改造
——以北京天文館4D劇場為例

萬米洋 李 淼 李艷濤

(北京天文館,北京 100044)

1 引言

北京天文館于1957年正式建成并對社會公眾開放,是我國首座大型專業(yè)天文館,作為國家一級博物館、全國4A 級旅游景區(qū),每年為數(shù)百萬觀眾提供內(nèi)容豐富、形式多樣的天文科普教育服務(wù)。同時,北京天文館也是一所以劇場為核心展示內(nèi)容的博物館,其涵蓋了4座不同類型的特效影院,包括天象廳、宇宙劇場、3D 和4D 劇場,其中4D 劇場作為備受觀眾喜愛的特效影院之一,年均開放270 天、播放科普節(jié)目1300 余場、服務(wù)觀眾達17 萬人次,還曾多次承接北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會、中國自然科學(xué)博物館協(xié)會等舉辦的國際電影節(jié)展映活動,是北京天文館重要的科普陣地。通過對4D 劇場進行升級改造,將有助于提升觀眾科普體驗效果,豐富充實教育活動內(nèi)容,滿足觀眾多樣化的科普需求,從而更好地發(fā)揮科普教育功能。

2 現(xiàn)狀分析

北京天文館4D 劇場于2004年建成開放,2011年進行了數(shù)字化升級改造,在擔(dān)負著科普傳播重要使命的同時,出現(xiàn)了放映設(shè)備老化、音響性能減弱、特效系統(tǒng)故障等問題。

2.1 放映設(shè)備老化

目前4D 劇場的放映設(shè)備使用的是6 臺SONY T110投影機,亮度為11000流明,對比度為2500:1,以每天8小時高負荷運行10 年有余,光路老化嚴重,經(jīng)過偏振片后,亮度降低50%,再加上銀幕陳舊、涂層脫落等原因,導(dǎo)致暗場環(huán)境下的畫面亮度較低。同時,劇場畫面是由2組3通道融合拼接形成的3D 畫面,總共由6 臺投影機投射畫面,因受投影機老化衰減程度不同影響,其自身的實際投射亮度、色彩均會存在差別,造成了拼接效果欠佳,導(dǎo)致整體畫面亮度及色彩不均,直接影響觀影效果。

2.2 音響性能減弱

4D 劇場現(xiàn)有的音頻系統(tǒng)所采用的是5.1環(huán)繞聲系統(tǒng),由于播放節(jié)目的音源聲壓級較大,長期大功率高負荷使用,導(dǎo)致低音及中置音箱音盆存在一定損壞,造成音響性能減弱、節(jié)目音質(zhì)下降。

2.3 特效系統(tǒng)故障

4D 劇場的特效設(shè)備由于長期使用各類液體,出現(xiàn)了管路腐蝕、生銹的情況,導(dǎo)致特效設(shè)備不靈敏,系統(tǒng)故障率頻發(fā)。此外,劇場內(nèi)的200個特效座椅,在日常開放中是主要的設(shè)施耗材,隨著接待觀眾數(shù)量逐年遞增,座椅出現(xiàn)了皮面損壞、回彈故障、連接桿斷裂等不同程度的損壞,影響觀眾的觀影體驗。

3 改造工作

由于以上問題已影響到北京天文館的天文科普效果和科普傳播質(zhì)量,因此4D 劇場的升級改造工作就顯得尤為迫切。通過前期市場調(diào)研,多種改造方案對比及技術(shù)方案匹配,計劃將此次改造工作分為三個模塊,即放映系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、特效系統(tǒng),系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 4D劇場升級改造系統(tǒng)拓撲圖

3.1 放映系統(tǒng)

放映系統(tǒng)主要包括投影機和銀幕。投影機方面,按照DCI(Digital Cinema Initiatives)數(shù)字電影放映標準,亮度的參數(shù)要求是3D 銀幕亮度達到7±2f L。根據(jù)亮度計算公式:f L=投影機亮度÷投影面積×鏡頭衰減×偏振設(shè)備光效×銀幕增益×0.0929(1Lux=0.0929f L)(投影面積22×6平方米,鏡頭衰減按90%計算,3D 偏振鏡的光效為16%),因此要達到7f L,投影機的亮度應(yīng)不低于30000lm。同時,考慮到激光光源可以有效降低圖像閃爍和氙燈耗材的運維成本,已經(jīng)逐漸取代了氙燈光源,本次升級改造計劃采用3臺RGB三色激光投影機,光源壽命2萬小時以上,光通量大于30000lm,運行亮度衰減不超過20%,能夠保證長時間運行畫面依舊清晰亮麗。同時,根據(jù)日常場館開放情況及光源壽命,每年將節(jié)省18萬元燈泡耗材費用,從而解決目前使用的DLP投影機穩(wěn)定性差、亮度衰減快、使用維護成本高等問題。此外,新的激光投影機將采用主動式3D 技術(shù),配備單光路被動式3D 設(shè)備,將主動3D 信號轉(zhuǎn)為被動式圓偏振3D 畫面,可以配戴使用常規(guī)的圓偏振3D 眼鏡,技術(shù)圖如圖2 所示。其優(yōu)勢是不僅提升了播放畫面整體亮度,且比現(xiàn)常規(guī)雙機被動方案節(jié)省3臺投影機,降低改造和后期維護成本。

圖2 主動式3D技術(shù)圖

銀幕方面,目前在國內(nèi)市場中較為主流的品牌有江蘇紅葉、蕪湖影星等,進口銀幕則以英國的哈克尼斯為主。按照銀幕的類型又可分為金屬銀幕和普通白幕,金屬銀幕因其亮度系數(shù)較高,且偏振性能良好,可以提高畫面亮度,放映立體電影時,偏振光還原性好,比較適用于立體影片的放映。此外,增益系數(shù)、透聲孔密度等也是銀幕的重要參數(shù),目前,國內(nèi)銀幕的技術(shù)水平已較為成熟,能夠較好地滿足日常播放需求,本次升級改造在銀幕方面以GB/T 32200-2015《放映銀幕特性參數(shù)和測定方法》為參考標準,計劃采用高增益微孔金屬銀幕,增益系數(shù)β為2.4,有效散射角2α大于45°,解像力80線對/mm 以上,偏振比大于200:1,均勻性超過國標值,孔徑規(guī)格為φ0.6,銀幕穿孔率達4.03%,聲衰減8k Hz＜3dB、12.5k Hz＜6dB,確保產(chǎn)品符合《放映銀幕特性參數(shù)和測定方法》。同時,為了保證最佳的觀影效果,結(jié)合4D劇場的實際情況,其場地空間直徑為20.6m,寬度13.65m,天花板離地層高7.35m,計劃將銀幕規(guī)格設(shè)計為21.6×5.7m,銀幕離地高度(下視點)為1200mm,保證最近視距為5.2m,水平視角大于180°;最遠視距為16.1m,水平視角為108°。如圖3所示。

圖3 銀幕規(guī)格示意圖

3.2 音頻系統(tǒng)

目前影院市場中的音頻系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的5.1、7.1多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng),還出現(xiàn)了沉浸式音頻系統(tǒng),諸如杜比全景聲、DTS:X 臨境音系統(tǒng)、雷歐尼斯的HoloSound、巴可的Auro Max 等都在市場中占有一定的份額,各家公司打造的沉浸式音頻技術(shù)突破了原有5.1以及7.1聲道的概念,通過在影廳相應(yīng)的位置部署更多的揚聲器來支持聲音的動態(tài)位移,為觀眾創(chuàng)造出包圍感極強的觀影體驗,實現(xiàn)全方位的三維立體聲場效果,場景帶入感更加明顯。但目前由于片源供應(yīng)和制作問題,影院影片若沒有全景聲片源,則無法發(fā)揮其效果,造成改造成本的浪費。目前4D 劇場在映影片受限于現(xiàn)有音頻系統(tǒng),并未采用沉浸式音頻格式,考慮到影院建筑面積和設(shè)備使用維護成本,性價比較高、技術(shù)較為成熟的7.1環(huán)繞聲(Surround 7.1)音頻系統(tǒng)已能夠完全滿足此次影院改造需要。7.1環(huán)繞聲的其中一項創(chuàng)新是在影院中形成四個獨特的環(huán)繞區(qū),改善電影音頻的空間維度,并增強電影音軌的總體音頻清晰度,使觀眾更清晰、更真切地聽到各種音效。

音頻設(shè)備上計劃采用一臺影院音頻處理器與視頻服務(wù)器完美兼容,它可以從多種數(shù)字音頻源接收音頻信號并進行處理,通過網(wǎng)絡(luò)進行更新、控制和監(jiān)測。揚聲器選用國際知名品牌,主揚聲器采用5只,支架安裝于透聲銀幕后,中高頻單元高度位于銀幕高度2/3處;2只次低頻揚聲器,安裝在地面透聲銀幕后,還原影片低頻聲道聲音;左右側(cè)墻共4只環(huán)繞揚聲器、后墻4只環(huán)繞揚聲器,還原影片環(huán)繞聲道聲音,揚聲器點位如圖4所示。同時,選用雙通道功率放大器,根據(jù)揚聲器額定阻抗及功率進行配置,并提供影院系統(tǒng)足夠的功率冗余,提高影院還音系統(tǒng)的安全可靠性。

圖4 揚聲器點位圖

3.3 特效系統(tǒng)

此次特效系統(tǒng)的升級改造主要是針對特效設(shè)備及座椅進行更新升級。特效設(shè)備包括頻閃燈、雪花機、泡泡機等,根據(jù)目前4D 劇場在影片內(nèi)容,如《小強的故事》《撞擊與生命》《穿越寒武紀》等影片,其故事情節(jié)多伴隨閃電、下雪、海洋、煙霧等,因此在紛繁的特效設(shè)備選型上,不能一味地求多,要結(jié)合影院實際情況進行挑選,在達到觀影時最好效果的同時,降低改造和后期維護成本,設(shè)備選型如表1所示。所有特效設(shè)備均具有工業(yè)級全光電隔離、抗強電磁干擾、閉環(huán)精確控制、穩(wěn)定可靠的特征。同時支持包括開關(guān)量、模擬量、DMX512等多種控制協(xié)議,以及自定義RS-485 控制編碼協(xié)議,使燈光、雪花、泡泡等多種模擬仿真特效設(shè)備可以協(xié)同工作,同步模擬出與電影畫面一致的場景,真實還原影片中的情節(jié)和效果。

表1 特效設(shè)備選型表

表2 特效座椅功能

特效座椅是4D 影院最核心的特效組成部分,觀眾在觀看影片時,特效座椅能夠產(chǎn)生噴水、噴氣、掃腿、耳風(fēng)、捅背等特效。這些座椅特效配合影院的環(huán)境特效(燈光、泡泡、煙霧等)、立體畫面、環(huán)繞音響與影片的劇情緊密結(jié)合,給觀眾帶來視覺、聽覺、觸覺等全方位沉浸式的感官體驗。座椅功能的選擇也同特效設(shè)備一樣,要根據(jù)影片內(nèi)容進行仔細篩選,座椅特效通過UDP 通信協(xié)議控制,定制開發(fā)的特效控制器、工業(yè)級可編程邏輯控制器配合開關(guān)量和模擬量的信號采集構(gòu)成閉環(huán)實時控制,同步指標控制在1幀以內(nèi),有效保證了特效系統(tǒng)控制的同步性和實時性,座椅選型如表2所示。

此外,由于4D 劇場位于北京天文館B 館的二層,在座椅選型上要特別考慮到新型特效座椅本身的自重、平均荷載等問題。因此,我們結(jié)合實際情況,從安全的角度出發(fā),首先對原座椅荷載進行了初步負荷測量計算,如表3所示,再根據(jù)測算結(jié)果選擇合適的座椅,參數(shù)如表4所示。

表3 4D 劇場座椅荷載情況(按滿場最大重量初步核算)

表4 特效座椅參數(shù)

最后,此次升級改造也考慮到了觀眾觀影的舒適度,在目前劇場面積不變的基礎(chǔ)上,通過實地測量計算,計劃將排間距拓寬,由原來的1100mm 提升至1150mm,充分利用劇場建筑空間,在保證消防疏散標準的要求下,提升觀眾觀影的舒適度。由于排距的增加,座椅臺階的高度也要相應(yīng)地重新進行設(shè)計,初步設(shè)計為150mm,以確保后排觀眾的視線不會被前排觀眾所遮擋,如圖5所示。

圖5 劇場立面圖

4 預(yù)期目標

通過對4D 劇場的升級改造,計劃達到以下預(yù)期目標:(1)整體目標:提高影院放映效果,完善天文科普陣地建設(shè)。放映系統(tǒng)為觀眾提供更佳的影片畫面效果;音頻系統(tǒng)保證觀眾擁有震撼的音效體驗;特效系統(tǒng)讓觀眾獲得視覺、聽覺、觸覺等全方位的沉浸式感受。(2)質(zhì)量目標:整體系統(tǒng)故障率(故障率=因故障未開放天數(shù)/全年應(yīng)開放天數(shù)×100%)≤5%。(3)社會效益目標:年正常運行時間≥1600小時,年放映≥1300場,年均接待人數(shù)≥17萬人次,同時可承接特效影片展映活動,提高社會影響力。(4)滿意度目標:試運行3個月,進行滿意度調(diào)查,觀眾滿意度≥90%。通過設(shè)定以上預(yù)期目標,計劃將4D 科普劇場打造成集立體科普節(jié)目放映、會議講座承辦、國內(nèi)外電影節(jié)展映等功能于一體的多功能廳。預(yù)期效果如圖6所示。

圖6 4D劇場升級改造效果圖

5 總結(jié)

科普場館特效影院的升級改造,不是簡單的設(shè)備拼湊,需要通過各系統(tǒng)軟硬件的相互配合、協(xié)調(diào)形成整體合力,以發(fā)揮整體系統(tǒng)的最大功效。此外,從資金的角度來講,博物館、科技館等科普場館不同于商業(yè)影院,其改造資金主要來自市財政撥款,需要讓有限的資金發(fā)揮最大的公共社會效益,因此在改造過程中,一定要結(jié)合特效影院的特點,尤其是影片內(nèi)容,有針對性地對設(shè)備進行選型,不能一味地求多、求新,造成改造成本的浪費,應(yīng)結(jié)合實際情況,多方論證選出最佳的設(shè)備升級改造方案,以實現(xiàn)影院和科普效果最優(yōu)化。

國家近期的“雙減政策”中也提出:應(yīng)積極拓展學(xué)生課后服務(wù)渠道,充分利用社會資源,發(fā)揮好少年宮、青少年活動中心等校外活動場所在課后服務(wù)中的作用。北京天文館作為中小學(xué)生重要的科普教育教學(xué)陣地,將積極響應(yīng)國家政策,以場館資源為依托,努力提升特效影院的效果和功能,為提升公民科學(xué)素養(yǎng)貢獻力量。