那還是丹佛自然與科學(xué)博物館(DMNS)承擔(dān)的為蓋茨天文館穹頂進(jìn)行的一個(gè)雄心勃勃的制作中簡(jiǎn)單的部分。“黑洞：無(wú)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(jìn)展：11臺(tái)投影機(jī)向65英尺穹頂屏幕投射一幅圖像。

    11臺(tái)投影臺(tái)一起，超過(guò)1000萬(wàn)像素：投射到穹頂?shù)膱D像是一個(gè)直徑約3800像素的圓形。對(duì)于現(xiàn)代三維動(dòng)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(dòng)畫/圖形藝術(shù)家了解一般觀眾眼睛的焦點(diǎn)在哪里。 

    但是如果你想要展示活動(dòng)電影膠片會(huì)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(lái)的問(wèn)題，您怎樣描繪出黑洞隨時(shí)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(xué)天體物理學(xué)教授安德魯就已經(jīng)進(jìn)行著有關(guān)這個(gè)問(wèn)題的工作。長(zhǎng)達(dá)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(gè)對(duì)基于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程的物理之旅進(jìn)行可視化的軟件。當(dāng)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(fèi)用時(shí)，“黑洞”項(xiàng)目就熱切地開始了，前者是總部設(shè)在紐約的制片人，他向PBS和探索頻道等提供紀(jì)錄片。(那時(shí)，PBS的“新星”有興趣開發(fā)一個(gè)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(huì)見高清版，最終名為“浩瀚銀河系”)。利用來(lái)自NASA的資金，DMNS成功申請(qǐng)到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)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(duì)于真實(shí)天體物理現(xiàn)象的基于計(jì)算機(jī)的可視化。一個(gè)虛擬相機(jī)從地球到銀河系中心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行夢(mèng)幻般的3分鐘的拍攝，一路通過(guò)如氣體云、星群和螺旋流等準(zhǔn)確的特寫。黑洞是在恒星死亡變成超新星時(shí)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(wù)經(jīng)理丹說(shuō)。“而后，在此過(guò)程中，你必須把不可見的波長(zhǎng)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(jì)算機(jī)圖形內(nèi)容是由總部設(shè)在伊利諾大學(xué)校區(qū)的國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心(NCSA)制作的。NCSA的先進(jìn)可視化實(shí)驗(yàn)室具有支持科學(xué)可視化工作的使命，而該中心對(duì)于黑洞的任務(wù)是取得科學(xué)家的數(shù)據(jù)，并把它變成準(zhǔn)確的引人入勝視覺(jué)片斷。幸運(yùn)的是，其工作人員有適當(dāng)?shù)膶�業(yè)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人堂娜是藝術(shù)教授；鮑勃來(lái)自從工業(yè)光線＆魔術(shù)(ILM )領(lǐng)域；Stuart Levy則專長(zhǎng)天文數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)編碼。

    博物館作為制作中樞，從NCSA和其他來(lái)源獲得畫面片斷。DMNS的4人小組由尼法斯領(lǐng)導(dǎo)，在天文館的屏幕上對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試，來(lái)往于內(nèi)容供應(yīng)商之間，以達(dá)到完美的色彩，畫面片斷和視覺(jué)效果流。“在各層次這都是非常耗時(shí)的過(guò)程。”黑洞的導(dǎo)演盧卡斯說(shuō)。“首先，科學(xué)家們必須完善其代碼以進(jìn)行模擬。很多時(shí)候，代碼是突破性的東西。然后，我們要求他們達(dá)到一個(gè)更高的水平，有更多的時(shí)間步驟和更多的細(xì)節(jié)。天文館顯示更是格外困難，因?yàn)槟阋�填滿一個(gè)10萬(wàn)像素的屏幕。”

   移動(dòng)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(jìn)行模擬。雖然如此，幸運(yùn)的是，對(duì)于草圖測(cè)試片斷平均約200 MB，所以兩個(gè)小組可以很容易通過(guò)FTP共享圖像。“存儲(chǔ)及吞吐量從來(lái)沒(méi)有成為什么大問(wèn)題，”天文館系統(tǒng)管理員兼“黑洞”項(xiàng)目動(dòng)畫制作人員說(shuō)。“事情是一步一步發(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(shí)間完成的“黑洞”，是第二次幾乎每個(gè)人都參與其中的項(xiàng)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(jìn)行的。) 丹佛小組采用傳統(tǒng)制作方式對(duì)草案片斷進(jìn)行粗略剪輯。

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

    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(guò)程中評(píng)價(jià)觀看節(jié)目，并監(jiān)督高層次的編輯工作，如布置解說(shuō)萊姆的對(duì)話。

    扎格負(fù)責(zé)維護(hù)DMNS的制作系統(tǒng)，并在需要的時(shí)候指定采用哪些新硬件。舉例來(lái)說(shuō)，在項(xiàng)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(yùn)行Adobe After Effects、Premiere Pro，和Autodesk Maya。例如，扎格用Maya創(chuàng)作一個(gè)描繪地球的片斷，并在After Effects中創(chuàng)建了一個(gè)星層。 扎格最后用Autodesk Mental Ray中的魚眼鏡頭，來(lái)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(yīng)博物館穹頂軟件格式的要求。 

    在制作中有兩次，DMNS小組購(gòu)買了新型的RAID陣列以存儲(chǔ)每個(gè)片斷的幾個(gè)重復(fù)，以及節(jié)目的最終版本。天文館采用Quvis Qubit服務(wù)器，播放以PNG文件保存的巨型畫面，因?yàn)樗麄冎С謅lpha頻道。博物館幸運(yùn)的是，NCSA完成了千兆字節(jié)的最終版，然后通過(guò)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(xiàng)上的電影

    并非黑洞的所有畫面都以科學(xué)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(duì)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(chǎng)運(yùn)動(dòng)片斷。該節(jié)目是盧卡斯為天文館的第一個(gè)制作，他希望采用常規(guī)的電影運(yùn)動(dòng)元素——攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，頻繁剪切，以及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)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(dòng)作會(huì)導(dǎo)致失真——或者更糟的是，誘發(fā)觀眾由于畫面運(yùn)動(dòng)引起惡心和眩暈——所以傳統(tǒng)制作一直避免高速攝影機(jī)運(yùn)動(dòng)和剪切。） 

    黑洞有兩個(gè)拍攝地點(diǎn)。在夏威夷，該小組采用了Arriflex 435 Xtreme拍攝到Keck天文臺(tái)所在地Mauna Kea山頂?shù)穆猛尽Ｔ谀抢铮�物理學(xué)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(gè)片斷，描述她的研究課題。)在佛羅里達(dá)州，小組利用Aaton 35-III拍攝科學(xué)家對(duì)于發(fā)射的NASA Swift衛(wèi)星的反應(yīng)。 

    為了適應(yīng)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?yàn)樗�提供了更高的分辨率。“因此，我們不得不傾斜圖像，并重新擴(kuò)出頂部的內(nèi)容——即被剪切掉的部分。”他說(shuō)。

    取景是另一項(xiàng)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(duì)直接向前，DMNS小組認(rèn)為穹頂拍攝的最佳拍攝方式是將鏡頭瞄準(zhǔn)水平線之上45度。動(dòng)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)片斷的某些部分，攝像機(jī)指向過(guò)低，使圖象的頂部——相應(yīng)于穹頂?shù)拇蟊尘啊�—沒(méi)能擴(kuò)展到足夠遠(yuǎn)。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(kuò)展到穹頂軟件的整個(gè)圓形。 

    漢那威采用在好萊塢由RFX Ray Feeney制造的榮獲奧斯卡學(xué)院將的數(shù)字電影掃描儀進(jìn)行了4k的35mm膠片掃描。后期制作公司負(fù)責(zé)人漢那威表示，其他4k的掃描儀將用4000個(gè)水平線掃描幀無(wú)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(yuǎn)。”漢那威說(shuō)，“因此，我們可以使4000線正好在圓形范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，以更好地適應(yīng)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(jìn)行其余的渲染——例如，擴(kuò)展藍(lán)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(shuō)，盡管有畫面數(shù)量巨大，但HP工作站的處理能力并沒(méi)有造成編輯瓶頸。相反，速度降低發(fā)生在從中央服務(wù)器取得畫面到工作站時(shí)。“我們花了很多時(shí)間來(lái)提升到博物館服務(wù)器的通道。”他說(shuō)。“它們要處理千兆位的存儲(chǔ)容量，所以工作中很多時(shí)間用于來(lái)回傳送。它要一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(tái)投影機(jī)輸入來(lái)自Qubit服務(wù)器的穹頂軟件畫面片段。DMNS利用各種免費(fèi)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(tái)投影機(jī)的攝像角度。”尼法斯說(shuō)。“這是一個(gè)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(duì)于如何將平面、圓形、二維圖像轉(zhuǎn)化為穹頂格式都有一個(gè)具體的數(shù)學(xué)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。