用沉浸式边缘融合再现宇宙黑洞

    那还是丹佛自然与科学博物馆(DMNS)承担的为盖茨天文馆穹顶进行的一个雄心勃勃的制作中简单的部分。“黑洞：无限的另一面”于去年在DMNS首映，显示了在黑洞可视化和博物馆数字穹顶显示能力的最新进展：11台投影机向65英尺穹顶屏幕投射一幅图像。

    11台投影台一起，超过1000万像素：投射到穹顶的图像是一个直径约3800像素的圆形。对于现代三维动画及图形程序，填满那种尺寸的半球型画面是可能做到的，而正确地形成画面只要求动画/图形艺术家了解一般观众眼睛的焦点在哪里。 

    但是如果你想要展示活动电影胶片会怎样呢？你怎么拍摄电影胶片，而后再转换为被称做“穹顶大师”的天文馆专用视频格式呢？我们又回到原来的问题，您怎样描绘出黑洞随时间变化的三维图形？ 

    将不可见的东西可视化

    2001年之前，科罗拉多大学天体物理学教授安德鲁就已经进行着有关这个问题的工作。长达一年的在DMNS的休假期间，他一直在编写被称为“黑洞飞行模拟器”的代码，这是一个对基于爱因斯坦的广义相对论方程的物理之旅进行可视化的软件。当卢卡斯找到安德鲁告诉他NASA愿意为天文的黑洞节目提供部分经费用时，“黑洞”项目就热切地开始了，前者是总部设在纽约的制片人，他向PBS和探索频道等提供纪录片。(那时，PBS的“新星”有兴趣开发一个电视节目的版本，卢卡斯去年秋天播出“新星”创作了更具观赏性的伟大的会见高清版，最终名为“浩瀚银河系”)。利用来自NASA的资金，DMNS成功申请到美国国家科学基金会提供其余的资金。

    23分钟的“黑洞”节目中的大部分：包括41360帧30p图像是对于真实天体物理现象的基于计算机的可视化。一个虚拟相机从地球到银河系中心运动，进行梦幻般的3分钟的拍摄，一路通过如气体云、星群和螺旋流等准确的特写。黑洞是在恒星死亡变成超新星时诞生的。“关键是要帮助观众看到发生了什么。”盖茨天文馆业务经理丹说。“而后，在此过程中，你必须把不可见的波长变成你能够看到的东西。我们还可能把它变成很美丽的东西。”

    大部分计算机图形内容是由总部设在伊利诺大学校区的国家超级计算应用中心(NCSA)制作的。NCSA的先进可视化实验室具有支持科学可视化工作的使命，而该中心对于黑洞的任务是取得科学家的数据，并把它变成准确的引人入胜视觉片断。幸运的是，其工作人员有适当的专业知识。实验室的负责人堂娜是艺术教授；鲍勃来自从工业光线＆魔术(ILM )领域；Stuart Levy则专长天文数据和计算机编码。

    博物馆作为制作中枢，从NCSA和其他来源获得画面片断。DMNS的4人小组由尼法斯领导，在天文馆的屏幕上对它们进行测试，来往于内容供应商之间，以达到完美的色彩，画面片断和视觉效果流。“在各层次这都是非常耗时的过程。”黑洞的导演卢卡斯说。“首先，科学家们必须完善其代码以进行模拟。很多时候，代码是突破性的东西。然后，我们要求他们达到一个更高的水平，有更多的时间步骤和更多的细节。天文馆显示更是格外困难，因为你要填满一个10万像素的屏幕。”

   移动的像素 

    所有这些像素需要NCSA处理千兆字节的数据以进行模拟。虽然如此，幸运的是，对于草图测试片断平均约200 MB，所以两个小组可以很容易通过FTP共享图像。“存储及吞吐量从来没有成为什么大问题，”天文馆系统管理员兼“黑洞”项目动画制作人员说。“事情是一步一步发展的。各片断之间允许有空间让我们处理它，在穹顶观看，然后再回到人们中间。”(花了大约三年时间完成的“黑洞”，是第二次几乎每个人都参与其中的项目。丹佛小组白天必须向公众开放天文馆，因此，“黑洞”的大部分工作都是博物馆闭馆后在夜间进行的。) 丹佛小组采用传统制作方式对草案片断进行粗略剪辑。

    尼法斯在“黑洞”中的主要角色是，确定片断实际上是否可以穹顶显示并达到细节显示水平。“我们应如何微调优化它？它否能在这个屏幕显示？是不是太长了，太短了，太绿了，或是太高了？诸如此类事情。”他说。 

    卢卡斯常常从纽约到丹佛，坐在天文馆内，在节目开发过程中评价观看节目，并监督高层次的编辑工作，如布置解说莱姆的对话。

    扎格负责维护DMNS的制作系统，并在需要的时候指定采用哪些新硬件。举例来说，在项目中间，丹佛小组逐渐淘汰了一直在使用的SGI Onyx 3800，并转向使用HP提供的四核xw8400工作站。这些系统运行Adobe After Effects、Premiere Pro，和Autodesk Maya。例如，扎格用Maya创作一个描绘地球的片断，并在After Effects中创建了一个星层。 扎格最后用Autodesk Mental Ray中的鱼眼镜头，来创作“可以在穹顶显示的”圆形图像，产生4K乘4K的正方形以适应博物馆穹顶软件格式的要求。 

    在制作中有两次，DMNS小组购买了新型的RAID阵列以存储每个片断的几个重复，以及节目的最终版本。天文馆采用Quvis Qubit服务器，播放以PNG文件保存的巨型画面，因为他们支持alpha频道。博物馆幸运的是，NCSA完成了千兆字节的最终版，然后通过几块硬盘上的邮件将PNG文件发送给了丹佛。 

    盖茨的小组使用自己的专用视频格式穹顶软件以将平面圆形的二维图像转换为可以在穹顶上显示有图像。 

    穹项上的电影

    并非黑洞的所有画面都以科学方程式开始，然后以像素表现的。有约两分钟的节目源于35毫米胶片。这对于天文馆显示是一件新鲜事儿——大多数这类节目不包括有任何现场运动片断。该节目是卢卡斯为天文馆的第一个制作，他希望采用常规的电影运动元素——摄像机运动，频繁剪切，以及现场动作本身——这是天文馆制作中最缺乏的。（巨型穹顶节目中的大量动作会导致失真——或者更糟的是，诱发观众由于画面运动引起恶心和眩晕——所以传统制作一直避免高速摄影机运动和剪切。） 

    黑洞有两个拍摄地点。在夏威夷，该小组采用了Arriflex 435 Xtreme拍摄到Keck天文台所在地Mauna Kea山顶的旅途。在那里，物理学家Andrea Ghez研究银河系中心黑洞周围的恒星轨道(她还为黑洞创造了一个片断，描述她的研究课题。)在佛罗里达州，小组利用Aaton 35-III拍摄科学家对于发射的NASA Swift卫星的反应。 

    为了适应圆形穹顶软件格式，两种拍摄都需要使用鱼眼。6毫米镜头将提供全幅圆形鱼眼，而8毫米镜头将使35帧中有更多横向曝光——但是剪切掉了顶部和底部。卢卡斯选择使用8毫米镜头，因为它提供了更高的分辨率。“因此，我们不得不倾斜图像，并重新扩出顶部的内容——即被剪切掉的部分。”他说。

    取景是另一项挑战。盖茨天文馆穹顶向前倾斜25度。考虑到这部分倾斜，以及观众观看相对直接向前，DMNS小组认为穹顶拍摄的最佳拍摄方式是将镜头瞄准水平线之上45度。动作大多出现一帧的底部，那是观众是最可能力观看的地方。

    在两个现场片断的某些部分，摄像机指向过低，使图象的顶部——相应于穹顶的大背景——没能扩展到足够远。也有一些鱼眼的部分剪切掉了。DMNS小组和后期制作公司都制作了一些覆盖物以将35毫米的图形扩展到穹顶软件的整个圆形。 

    汉那威采用在好莱坞由RFX Ray Feeney制造的荣获奥斯卡学院将的数字电影扫描仪进行了4k的35mm胶片扫描。后期制作公司负责人汉那威表示，其他4k的扫描仪将用4000个水平线扫描帧无用的黑色(左和右)部分，并丢掉很多圆形图形的垂直分辨率。“我们的扫描器可以调节离胶片更近或更远。”汉那威说，“因此，我们可以使4000线正好在圆形范围内。在此基础上，我们还可以向博物馆提供4000×4000的产品。”

    最后阶段

    扫描器输出16位RGB文件，它被转换为10位Cineon文件。汉那威的电影院技师迈克尔将Cineon在Autodesk Flame中进行转换，以更好地适应圆形的穹顶软件格式。这些文件以TIFFS格式交给DMNS。DMNS的马修在After Effects中进行其余的渲染——例如，扩展蓝天等。

    最后的节目，包括音频同步，是在博物馆用Premiere Pro编辑的。尼法斯说，尽管有画面数量巨大，但HP工作站的处理能力并没有造成编辑瓶颈。相反，速度降低发生在从中央服务器取得画面到工作站时。“我们花了很多时间来提升到博物馆服务器的通道。”他说。“它们要处理千兆位的存储容量，所以工作中很多时间用于来回传送。它要一个节点一个节点一步一步处理。我们尚未使用光纤传输。”

    在盖茨天文馆穹顶，11台投影机输入来自Qubit服务器的穹顶软件画面片段。DMNS利用各种免费软件和商业软件以正确地分隔内画面。“你基本上切出圈形，得出每台投影机的摄像角度。”尼法斯说。“这是一个漂亮的特定算法。穹顶软件有一些如何处理鱼眼图像的定义。它类似于等距方位角鱼眼。所以，对于如何将平面、圆形、二维图像转化为穹顶格式都有一个具体的数学定义。”

    关于黑洞的节目——黑洞本身就是伟大宇宙变形——就这样被展现在半球形屏幕上，使观众陶醉其中。