用沉浸式邊緣融合再現(xiàn)宇宙黑洞

    那還是丹佛自然與科學博物館(DMNS)承擔的為蓋茨天文館穹頂進行的一個雄心勃勃的制作中簡單的部分�！昂诙矗簾o限的另一面”于去年在DMNS首映，顯示了在黑洞可視化和博物館數(shù)字穹頂顯示能力的最新進展：11臺投影機向65英尺穹頂屏幕投射一幅圖像。

    11臺投影臺一起，超過1000萬像素：投射到穹頂?shù)膱D像是一個直徑約3800像素的圓形。對于現(xiàn)代三維動畫及圖形程序，填滿那種尺寸的半球型畫面是可能做到的，而正確地形成畫面只要求動畫/圖形藝術(shù)家了解一般觀眾眼睛的焦點在哪里。 

    但是如果你想要展示活動電影膠片會怎樣呢？你怎么拍攝電影膠片，而后再轉(zhuǎn)換為被稱做“穹頂大師”的天文館專用視頻格式呢？我們又回到原來的問題，您怎樣描繪出黑洞隨時間變化的三維圖形？ 

    將不可見的東西可視化

    2001年之前，科羅拉多大學天體物理學教授安德魯就已經(jīng)進行著有關(guān)這個問題的工作。長達一年的在DMNS的休假期間，他一直在編寫被稱為“黑洞飛行模擬器”的代碼，這是一個對基于愛因斯坦的廣義相對論方程的物理之旅進行可視化的軟件。當盧卡斯找到安德魯告訴他NASA愿意為天文的黑洞節(jié)目提供部分經(jīng)費用時，“黑洞”項目就熱切地開始了，前者是總部設在紐約的制片人，他向PBS和探索頻道等提供紀錄片。(那時，PBS的“新星”有興趣開發(fā)一個電視節(jié)目的版本，盧卡斯去年秋天播出“新星”創(chuàng)作了更具觀賞性的偉大的會見高清版，最終名為“浩瀚銀河系”)。利用來自NASA的資金，DMNS成功申請到美國國家科學基金會提供其余的資金。

    23分鐘的“黑洞”節(jié)目中的大部分：包括41360幀30p圖像是對于真實天體物理現(xiàn)象的基于計算機的可視化。一個虛擬相機從地球到銀河系中心運動，進行夢幻般的3分鐘的拍攝，一路通過如氣體云、星群和螺旋流等準確的特寫。黑洞是在恒星死亡變成超新星時誕生的。“關(guān)鍵是要幫助觀眾看到發(fā)生了什么。”蓋茨天文館業(yè)務經(jīng)理丹說�！岸�后，在此過程中，你必須把不可見的波長變成你能夠看到的東西。我們還可能把它變成很美麗的東西�！�

    大部分計算機圖形內(nèi)容是由總部設在伊利諾大學校區(qū)的國家超級計算應用中心(NCSA)制作的。NCSA的先進可視化實驗室具有支持科學可視化工作的使命，而該中心對于黑洞的任務是取得科學家的數(shù)據(jù)，并把它變成準確的引人入勝視覺片斷。幸運的是，其工作人員有適當?shù)膶�業(yè)知識。實驗室的負責人堂娜是藝術(shù)教授；鮑勃來自從工業(yè)光線＆魔術(shù)(ILM )領域；Stuart Levy則專長天文數(shù)據(jù)和計算機編碼。

    博物館作為制作中樞，從NCSA和其他來源獲得畫面片斷。DMNS的4人小組由尼法斯領導，在天文館的屏幕上對它們進行測試，來往于內(nèi)容供應商之間，以達到完美的色彩，畫面片斷和視覺效果流�！霸诟鲗哟芜@都是非常耗時的過程。”黑洞的導演盧卡斯說�！笆紫龋�科學家們必須完善其代碼以進行模擬。很多時候，代碼是突破性的東西。然后，我們要求他們達到一個更高的水平，有更多的時間步驟和更多的細節(jié)。天文館顯示更是格外困難，因為你要填滿一個10萬像素的屏幕�！�

   移動的像素 

    所有這些像素需要NCSA處理千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)以進行模擬。雖然如此，幸運的是，對于草圖測試片斷平均約200 MB，所以兩個小組可以很容易通過FTP共享圖像。“存儲及吞吐量從來沒有成為什么大問題，”天文館系統(tǒng)管理員兼“黑洞”項目動畫制作人員說�！笆虑槭且徊揭徊桨l(fā)展的。各片斷之間允許有空間讓我們處理它，在穹頂觀看，然后再回到人們中間�！�(花了大約三年時間完成的“黑洞”，是第二次幾乎每個人都參與其中的項目。丹佛小組白天必須向公眾開放天文館，因此，“黑洞”的大部分工作都是博物館閉館后在夜間進行的。) 丹佛小組采用傳統(tǒng)制作方式對草案片斷進行粗略剪輯。

    尼法斯在“黑洞”中的主要角色是，確定片斷實際上是否可以穹頂顯示并達到細節(jié)顯示水平。“我們應如何微調(diào)優(yōu)化它？它否能在這個屏幕顯示？是不是太長了，太短了，太綠了，或是太高了？諸如此類事情。”他說。 

    盧卡斯常常從紐約到丹佛，坐在天文館內(nèi)，在節(jié)目開發(fā)過程中評價觀看節(jié)目，并監(jiān)督高層次的編輯工作，如布置解說萊姆的對話。

    扎格負責維護DMNS的制作系統(tǒng)，并在需要的時候指定采用哪些新硬件。舉例來說，在項目中間，丹佛小組逐漸淘汰了一直在使用的SGI Onyx 3800，并轉(zhuǎn)向使用HP提供的四核xw8400工作站。這些系統(tǒng)運行Adobe After Effects、Premiere Pro，和Autodesk Maya。例如，扎格用Maya創(chuàng)作一個描繪地球的片斷，并在After Effects中創(chuàng)建了一個星層。 扎格最后用Autodesk Mental Ray中的魚眼鏡頭，來創(chuàng)作“可以在穹頂顯示的”圓形圖像，產(chǎn)生4K乘4K的正方形以適應博物館穹頂軟件格式的要求。 

    在制作中有兩次，DMNS小組購買了新型的RAID陣列以存儲每個片斷的幾個重復，以及節(jié)目的最終版本。天文館采用Quvis Qubit服務器，播放以PNG文件保存的巨型畫面，因為他們支持alpha頻道。博物館幸運的是，NCSA完成了千兆字節(jié)的最終版，然后通過幾塊硬盤上的郵件將PNG文件發(fā)送給了丹佛。 

    蓋茨的小組使用自己的專用視頻格式穹頂軟件以將平面圓形的二維圖像轉(zhuǎn)換為可以在穹頂上顯示有圖像。 

    穹項上的電影

    并非黑洞的所有畫面都以科學方程式開始，然后以像素表現(xiàn)的。有約兩分鐘的節(jié)目源于35毫米膠片。這對于天文館顯示是一件新鮮事兒——大多數(shù)這類節(jié)目不包括有任何現(xiàn)場運動片斷。該節(jié)目是盧卡斯為天文館的第一個制作，他希望采用常規(guī)的電影運動元素——攝像機運動，頻繁剪切，以及現(xiàn)場動作本身——這是天文館制作中最缺乏的。（巨型穹頂節(jié)目中的大量動作會導致失真——或者更糟的是，誘發(fā)觀眾由于畫面運動引起惡心和眩暈——所以傳統(tǒng)制作一直避免高速攝影機運動和剪切。） 

    黑洞有兩個拍攝地點。在夏威夷，該小組采用了Arriflex 435 Xtreme拍攝到Keck天文臺所在地Mauna Kea山頂?shù)穆猛尽Ｔ谀抢�，物理學家Andrea Ghez研究銀河系中心黑洞周圍的恒星軌道(她還為黑洞創(chuàng)造了一個片斷，描述她的研究課題。)在佛羅里達州，小組利用Aaton 35-III拍攝科學家對于發(fā)射的NASA Swift衛(wèi)星的反應。 

    為了適應圓形穹頂軟件格式，兩種拍攝都需要使用魚眼。6毫米鏡頭將提供全幅圓形魚眼，而8毫米鏡頭將使35幀中有更多橫向曝光——但是剪切掉了頂部和底部。盧卡斯選擇使用8毫米鏡頭，因為它提供了更高的分辨率�！耙虼�，我們不得不傾斜圖像，并重新擴出頂部的內(nèi)容——即被剪切掉的部分�！彼�說。

    取景是另一項挑戰(zhàn)。蓋茨天文館穹頂向前傾斜25度。考慮到這部分傾斜，以及觀眾觀看相對直接向前，DMNS小組認為穹頂拍攝的最佳拍攝方式是將鏡頭瞄準水平線之上45度。動作大多出現(xiàn)一幀的底部，那是觀眾是最可能力觀看的地方。

    在兩個現(xiàn)場片斷的某些部分，攝像機指向過低，使圖象的頂部——相應于穹頂?shù)拇蟊尘啊�—沒能擴展到足夠遠。也有一些魚眼的部分剪切掉了。DMNS小組和后期制作公司都制作了一些覆蓋物以將35毫米的圖形擴展到穹頂軟件的整個圓形。 

    漢那威采用在好萊塢由RFX Ray Feeney制造的榮獲奧斯卡學院將的數(shù)字電影掃描儀進行了4k的35mm膠片掃描。后期制作公司負責人漢那威表示，其他4k的掃描儀將用4000個水平線掃描幀無用的黑色(左和右)部分，并丟掉很多圓形圖形的垂直分辨率。“我們的掃描器可以調(diào)節(jié)離膠片更近或更遠�！睗h那威說，“因此，我們可以使4000線正好在圓形范圍內(nèi)。在此基礎上，我們還可以向博物館提供4000×4000的產(chǎn)品�！�

    最后階段

    掃描器輸出16位RGB文件，它被轉(zhuǎn)換為10位Cineon文件。漢那威的電影院技師邁克爾將Cineon在Autodesk Flame中進行轉(zhuǎn)換，以更好地適應圓形的穹頂軟件格式。這些文件以TIFFS格式交給DMNS。DMNS的馬修在After Effects中進行其余的渲染——例如，擴展藍天等。

    最后的節(jié)目，包括音頻同步，是在博物館用Premiere Pro編輯的。尼法斯說，盡管有畫面數(shù)量巨大，但HP工作站的處理能力并沒有造成編輯瓶頸。相反，速度降低發(fā)生在從中央服務器取得畫面到工作站時�！拔覀兓�了很多時間來提升到博物館服務器的通道�！彼�說。“它們要處理千兆位的存儲容量，所以工作中很多時間用于來回傳送。它要一個節(jié)點一個節(jié)點一步一步處理。我們尚未使用光纖傳輸。”

    在蓋茨天文館穹頂，11臺投影機輸入來自Qubit服務器的穹頂軟件畫面片段。DMNS利用各種免費軟件和商業(yè)軟件以正確地分隔內(nèi)畫面。“你基本上切出圈形，得出每臺投影機的攝像角度�！蹦岱ㄋ拐f�！斑@是一個漂亮的特定算法。穹頂軟件有一些如何處理魚眼圖像的定義。它類似于等距方位角魚眼。所以，對于如何將平面、圓形、二維圖像轉(zhuǎn)化為穹頂格式都有一個具體的數(shù)學定義�！�

    關(guān)于黑洞的節(jié)目——黑洞本身就是偉大宇宙變形——就這樣被展現(xiàn)在半球形屏幕上，使觀眾陶醉其中。