国际天文馆日：探索宇宙奥秘，感受球幕电影的魅力

每年三月的第二个星期日是国际天文馆日。国际天文馆日于1995年在意大利创立，旨在促进国际天文馆的合作，增进民众对天文馆的了解。

这一天，参观天文馆、看一场“穹顶电影”，与太空进行一次近距离接触，是一个不错的选择。

草原周刊记者来到北京天文馆，与天文馆数字科普节目创作团队负责人一起，带你走进“穹顶电影”背后的故事。

新华每日电讯记者李慕明

又到了三月的第二个周日，北京天文馆以各种主题活动庆祝一年一度的国际天文馆日。在体现广义相对论理念的新馆背景下，老球幕影院巨大的穹顶显得有些沧桑，穹顶中正播放着最新“大片”《宇宙大爆炸》——“只有光，只有光/从真空中发出的能量，无中生有的能量/感谢膨胀……”欢快的RAP主题曲将观众的想象力引向宇宙深处。

有幸在春节前看了首映，直到寒假快结束的时候才“抢”了另一张票，重新温习当时的各种疑问，用宋玉英导演的话来说，“看不太懂也没关系”。

天文馆确实是个值得一去再去的地方。

你没听错，天文馆就是天文馆！

在老馆天文馆检票时，曲径通幽的走廊上排起了长长的队伍。记者身后两位带着孩子的妈妈不停地交流着经验，“这个电影很难买，得提前几天订。”放映结束后，我到新馆服务台询问，除了两部老电影，其他影院的票都卖光了。“节假日、周末网上订票比较稳妥，要提前7天关注公众号的票源。”售票员热情提醒。

2004年北京新天文馆落成后，有人在网上批评说“这么大的天文馆，就是个大电影院。”当时，朱进馆长解释称，作为中国第一座天文馆，它被赋予了太多意义和希望。

其实天文馆刚创立的时候就是天文馆，英文中这个词和天文馆是同一个意思，后来以天文馆为核心发展起来了展览、科普等其他活动。

在中世纪的欧洲，人们想象天空是由数个相互重叠的球体组成的，而这一概念在天文馆的半球形屏幕的构思和设计中依然残存，仿佛是一种失落理想的遗物。中国古代的球面理论也解释了这种天文模型。虽然开普勒和牛顿基于观测的数学模型取代了早期天文学的简单嵌套球体，但诞生于 1920 年代的天文馆仍然脱胎于这种以地球视角为中心的投影方式。

著名光学仪器制造商卡尔蔡司公司的工程师沃尔特·鲍尔斯菲尔德发明了天文馆的投影仪和穹顶。1923年10月21日，第一个天文节目在慕尼黑的德国博物馆播出。设立天文馆的最初目的是为了营造一个虚拟的星空，然后在虚拟星空的基础上讲一些故事和知识。毕竟，生活在现代城市中的大多数观众对夜空的真实面貌并不了解。哥本哈根天文台台长埃利斯·斯特龙格伦曾在《蔡司天文馆》一书中写道：“它同时是一所学校、一个剧院和一个电影院。它是天空下的教室，也是以天体为演员的戏剧。”

20世纪30年代，一些中国人在《欧洲游记》等文章中表达了参观德国天文馆的感受，并希望在中国建造天文馆。当时一些热心人士甚至想通过发售天文纪念邮票或成立股份公司等方式筹集建设资金。新中国成立后，在多方推动下，克服各种困难，中国人民终于如愿以偿。

从1957年9月29日新华社的一篇文章中，我们仍然可以感受到当时人们激动的心情：

今天，北京600多位名人在这个博物馆进行了一次有趣的“宇宙之旅”。人们在博物馆主楼看到了一个复杂精致的天文馆，它把各种天象投射在穹顶的屋顶屏幕上，形成了一个逼真的“人造星空”。

灯光渐渐熄灭，一瞬间，穹顶屏幕上无数星光闪烁。讲解员介绍，天文馆将在七分钟内带观众环游世界，四分钟内完成26000年的实际进动。天文馆上的每一个马达都可以向前或向后移动。因此，它可以“预测”几千年后的天象，也可以重现过去的天象。今天，观众们看到了29年后才会出现在北京上空的大彗星，还看到了2038年9月2日才会出现的日全食的壮丽景象。

球幕电影能够很大程度上还原现实世界的真实感，还能提供一些超现实的体验，说球幕是天文馆的根基也不为过。

天文项目数字化

它用于“科学可视化”

虽然距离鲍尔斯菲尔德的发明已经过去了近一个世纪，但现代天文馆的运作方式仍然与最初的设计非常相似。与此同时，随着投影系统技术的改进和天文研究的进步，天文馆也经历了重大变化，光学天文馆被数字天文馆取代。

北京天文馆数字演播室是2004年随着新馆落成而成立的。宋玉英介绍，以前的放映都是光学天象仪，只能模拟以地球为核心所见的星空。天象仪里的星星在动，动的也是天象仪。原理就像在纸杯上戳很多孔，中间点亮灯泡，杯子转动，“星星”就会跟着转。当然，实际的光学元件要复杂得多，焦点和孔都要做得更精确，这样才能模拟各种各样的星星，大、小、亮、暗，还能闪……

2004年以前，天文馆的节目都是用幻灯片展示星空，可以拼接成全景图，但都是静态的。“我们开始学习所有与数字显示相关的制作技术，这简直是另一门生意。不过，投影还是在这个（穹顶）环境中。”宋玉英说。

最初，数字天象馆只能投射星空，最大的进步是可以投射任意位置作为视觉核心，可以模拟穿越星空，位置全部以天文星表为依据。北京天文馆引进的数字天象馆原有的星空只能投射实时图像，由于版权问题，不能用来制作节目。于是数字工作室重新做了一套星空系统。“这是我们所有电影制作的基础，从2004年开始，这个问题现在已经解决了。”数字工作室的工作重心逐渐转向在星空基础上加入更多科学的可视化内容。

什么是科学可视化？

宋玉英解释道：“比如我们要给大家讲地球磁场，受太阳磁场的影响，地球磁场在太空中运动时会发生变形，它会是什么样子？如果只是在动画软件里‘捏’一个，它的运动状态就不符合物理规律，只能是‘逗小孩子玩’，毕竟我们不是拍动画片，所以我们要保证我们制作的所有视频在我们能力范围内，最大程度上符合科学逻辑。”

《宇宙大爆炸》也秉承了这样的理念，“每一个像素都有数据支撑”。

记者跟随他参观了数字工作室的机房，教室大小的机房里摆满了服务器，这超出了人们对于电影制作环境的通常想象，但整个数字工作室团队只有五个人，其中三个学天文学，两个学计算机。

“北京天文馆数字节目制作系统平台”计算机房全景。

“我们的工作比较跨界，作为科普节目的制作人，需要把先进的科学知识在沉浸式的播报环境中形象化呈现。这几年最大的麻烦就是和合作方的沟通。我们非常希望有更多有理科背景的艺术生能够参与进来。”宋玉英说。

1978年出生的宋昱英也是一位跨学科的天文学和计算机科学家，他谦虚地表示，计算机只是大家使用的工具，但天文学家用它控制望远镜，或者计算某些假设的物理过程。

科学“搬运工”的日常生活

作为全国天文馆数字科普节目创作团队的唯一负责人，宋玉英也坦言，自己也感受到了“还要继续努力”的压力。天文馆的观众大多是带着孩子的家庭，他们对展品、展板里的天体物理知识感到迷茫，“看电影”是必须甚至是首选，对节目的期待可想而知。

“一部电影的制作周期大概是两年，当然这只是制作周期，策划很早就开始了。比如《宇宙大爆炸》，从一开始筹备就花了10年时间，之后我们逐渐积累相关素材，储存一些相关知识。我们要了解目前国内宇宙学研究的水平，能给我们提供什么样的技术支持。同时也要关注国际上宇宙学的进展，看看有没有一些颠覆以往理论的观点。总之，我们要不断充电。”

“现在天文爱好者越来越多，科普需求也越来越高，这部片子比起之前是进步了一步，也圆了我自己的梦想。”宋玉英说。

技术含量高不代表不接地气，就如主题曲唱的一样：“通货膨胀吹出泡沫宇宙/无数足球宇宙/其中一个就是我们的宇宙/足球越来越多/没有尽头……”

“如果只讲各种夸克、粒子，不只是小孩子，大部分成年人也会头晕。最好用直观的描述，让他们知道是怎么回事。至于为什么会这样，如果他们真的感兴趣，可以看看其他相关资料。”宋玉英解释道。

正如他所说，第二次参观结束后，记者来到新馆，参观了位于地下一层的“宇宙穿梭机展厅”。面对宇宙起源的巨幅展板，之前显得如此模糊的各种粒子图像显得格外熟悉；暴胀时代、夸克时期、光子脱耦、第一代恒星的点亮……这些线索也在他脑海中形成了一幅全息图。

现代天文学家研究的课题大多十分抽象，在普通人看来可能有些神秘。然而，星辰大海却是无数人最深切的梦想和渴望，它不仅是思考著名三大哲学问题的途径，更是探索人类未来的途径。然而，大部分来天文馆寻求科普的游客，只能看懂图像和解说。

宋玉英说：“我们拍电影其实就好比在做‘翻译’，通过我们的穹顶、我们的画面、我们的解说、我们的音乐，等等各种手段，把天文学家的理论、发现，转化成观众能看懂的东西，其实就是在做一个搬运工的工作。”

比如国家天文台研究员王杰、计算宇宙学研究团队博士荆英杰，就为数字工作室的宇宙学模拟项目提供了海量数据和科学支撑。这个项目是他们参与的一项宇宙演化研究。海量的模拟数据究竟有多庞大？调整完一个参数后，如果想看到具体的结果，至少要等一两个小时，后台的计算机集群才能传回一帧画面。

虽然很多天文图片资源都是免费的，比如NASA的官网，但是“我不希望在中国的天文馆里只看到外国的资料，我敢这么说太空来漫游打一数字，是因为我们有能力，中国的天文研究可以支撑这些东西。”

十几年前的 4K 非常令人沮丧

“目前球幕电影做不长，因为成本太高。”宋玉英表示无奈，“世界上这类电影最长的也只有一个多小时，但大多数都做不到。”

为什么成本这么高？我们日常看到的图像模式，无论怎么切换，同一时间只有一个视角。但是球面屏幕是360度，无死角！而且是从头到脚！这么大的场景，不管是实拍还是动画，都不知道要花多少倍的成本。另外，在清晰度方面，现在大家都觉得看4K视频是理所当然的事情。2004年新北京天文馆建成的时候，播放设备就已经是4K了（目前是8K）。

“所以在穹顶上做到这种分辨率和精细度就更难了。我们刚开始的时候没有设备，只能做动画，那时候相机和手机就几百万像素，就算用相机拼接也不可能不留痕迹，我们也想不出什么好办法。直到最近四五年，全景拼接、VR视频制作流行起来，我们才利用这些技术慢慢把一些素材加入到电影中。从最开始的几台相机拍静态画面，到延时摄影，再到最近的航拍视频拼接，我们才把《宇宙大爆炸》这样的电影呈现在观众面前。”

影片中FAST、兴隆郭守敬望远镜等稍纵即逝的场景，都花了一年时间筹划。全景拍摄不同于普通摄影，不能打灯、不能用滤镜，拍出理想的照片很大程度上取决于运气。除了等待贵州难得的晴天，FAST拍摄还要赶上每天一小时的信号静默期。负责可视化的宋玉英和韩旭整整守望了一个月。

团队拍摄FAST作品，左侧为宋玉英。

当记者问到影片中没有用到的素材和数据，是否考虑以其他形式呈现时，宋玉英不禁“吐槽”道，“周边产品、科普我们也在做，但团队就五个人，精力实在有限，只能选择性地做一些延伸。”

VR的流行是否带来新的机遇？

从2004年开始，这支国内独树一帜的团队已经探索制作了十几部球幕电影。“购买国外节目讲的是‘别人的故事’，我们希望把我国最新的天文研究成果更多呈现在观众面前，在中国天文馆讲好我们自己的故事。”如今，仍在新北京天文馆太空剧场热播的《天宫图》讲述的是中国古代天文学的故事，除了古代天文成就，还包括中国自己的宇宙观。宋玉英介绍，《天宫图》已经卖到墨西哥等国。“据我所知，现在墨西哥应该有15万人看了。”

作为一部相对“小众”的球幕电影，有没有“爆红”的可能？宋玉英认为，现在VR、AR、全景都很火，其实天文馆从诞生之日起就是全景沉浸式的体验，天文馆里的影片可以无缝移植到VR播放设备上。

大爆炸：大爆炸后 16 亿年的宇宙演化模拟

在还没有VR技术的时候，新天文馆办公区五楼有一个直径7米的球幕，可以模拟天文馆的环境来测试影片，然后进行剪辑，现在所有测试都是用VR头盔进行的。

如果这一可行性能够得到推广太空来漫游打一数字，即使在没有天文馆或科学馆的地区，人们也可以使用简单的 VR 设备欣赏天文节目。“我们已经在参与沉浸式视频标准的制定，希望未来能够把影片推向 VR 端。对我们来说，技术环境和播放环境的拓展都是巨大的好处，我们也在努力填补科普教育的‘空白’。”

早在2002年，国务院就颁布了《中华人民共和国科普法》，专门为科普而制定的立法在世界上是少有的，是发展国家科技事业，促进科技进步和社会进步，实施科教兴国战略和可持续发展战略的需要。

宋钰莹透露，今年她要拍一部《太阳系的形成》题材的电影，为此她要做很多研究。“自己都搞不懂，就没法给别人解释，每期节目都要深入研究，几乎每两年就要拓展新的知识边界。天文知识更新很快，往往一个节目一发布，科学家就有新的观测结果。理论变了，但不能再变了。如果大家都能发现问题，那是一件好事，甚至是一件有意思的事。”

天文学是一个很有趣的事情，我们就从“看一场电影”开始吧！

■记者手记

你知道球幕有多少种类型吗？

都说内行看的是细节，外行看的是精彩。作为住在北京天文馆附近的一位天文爱好者，记者看过了天文馆里几乎所有的影片，但还是分不清馆内几家影院的区别。更别提宋玉英馆长在采访中提到的三四种球幕了。

为了解原因，记者在两周时间内走访了北京几乎所有的球幕影院。

除了3D、4D影厅外，北京天文馆现在还有两座球幕，一座是平面的，一座是倾斜的。旧天文馆是平面的，也就是一个“半球”刚好“盖住”观众座位，给人一种“躺在”里面看星星的感觉。这种类型的影厅不会放映场面太激烈的影片，适合漫游式观影。

四种类型的球幕

新馆宇宙剧场的穹顶与地面呈15度倾斜，既兼顾了水平穹顶的感觉，也更适合迎面而来的快画面的影像风格。记者在这里重温了《迷离星空》，虽然是十几年前的“老电影”，但依然和当年一样震撼。当巨蛇座鹰状星云向我们飞来时，旁边的一个小孩抱住了妈妈，大喊“我不要被吸进去！”

宋玉英介绍，新影片《宇宙大爆炸》也更加适合新博物馆的穹顶。

目前国内科技馆较多配备IMAX穹顶影院，主要放映IMAX Dome（原名IMAX穹顶影院）。这种类型的电影采用“鱼眼”镜头拍摄，放映时再用另一只鱼眼镜头重现整个景象。IMAX穹顶影院是大多数场馆的最佳选择，因为设备一体化，内容也一体化，而且很多影片都是IMAX自己制作的。

半球一般与地面倾斜30度，适合模拟乘坐交通工具探险的题材。拥有全球最大8K IMAX穹顶的中国科技馆目前正在放映三部影片，几乎都与主题相关。由于座椅也是倾斜30度，观影时会有完全沉浸的感觉。

还有一种垂直穹顶影院，也叫飞行影院。“半球”是垂直的，“锅”对着你，座位甚至可以上下飞行。这种类型的穹顶影院放映所有与飞行有关的电影。

经过这次“洗礼”，记者们进影院时不再急着找座位，坐下来一边等待开场一边刷手机，第一反应是目测银幕大小、角度，然后找到放映窗甚至机器，有条件的话，研究一下播放设备……这也算是一部电影激起的好奇心吧。

好奇心是人类进步的动力，从伽利略把望远镜指向太空，到天问一号火星探测……希望这篇文章也能像数字工作室多年的心血一样，引发部分观众的兴趣或者共鸣，在更多人心中点燃一团火。

注：国际天文馆日（IDP）于1995年诞生于意大利，旨在促进国际天文馆的协作，促进公众对天文馆的了解。最初，这一天定在春分前的星期日，因为“春分”在天文学上有着非常重要的意义——这一天，地球上任何地方昼夜长度都相等；春分是黄道十二宫的起点，也是几乎所有天体的坐标原点。但由于春分点无法确定是在星期几，给活动的推广带来了不便。后来，国际天文馆协会（IPS）将国际天文馆日确定为每年三月的第二个星期日。

参考：

《宇宙之窗：探访世界著名天文馆和天文台》李源主编，人民邮电出版社

《天文馆简史：从星空剧场到现代天文馆》作者：威廉·法布雷斯，中信出版集团

《数字球幕科普片的镜头语言与叙事策略探析》宋玉英，科普研究