一．背景及意義 球幕電影是出現(xiàn)于20世紀70年代的一種特種電影類型。這種電影的觀眾廳為圓頂式結(jié)構(gòu)，銀幕呈半球形，觀眾被包圍其中，視銀幕如同蒼穹。由于放映的視域范圍可達180°，可自觀眾面前延至身后，且伴有立體聲環(huán)音，使觀眾如置身其間。按照視覺理論，人的視域范圍一旦超過150°，就會產(chǎn)生身臨其境的錯覺，因此，這種電影類型的沉浸效果非常強烈，并且可脫離立體眼鏡和頭盔，產(chǎn)生立體視覺。 傳統(tǒng)的球幕電影采用70mm膠片和魚眼鏡頭進行拍攝和放映，最典型的如加拿大IMAX公司開發(fā)的OmniMAX球幕技術(shù)。與之對應(yīng)的數(shù)字球幕電影，包括兩個不同層面的含義：數(shù)字制作和數(shù)字放映。 近幾年，直徑10米以上、采用數(shù)字放映方式的大型數(shù)字球幕電影（Fulldomedigitalmovie以下簡稱Fulldome，又稱Large-scaleimmersivedigitalmovie）開始出現(xiàn)，直徑超過20米的巨型Fulldome很快也將成為趨勢。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)已建成和正在建設(shè)的Fulldome劇院已有三十余家。 基于計算機圖形學(xué)的Fulldome制作技術(shù)是最近幾年興起的一個新領(lǐng)域，它與傳統(tǒng)的拍攝制作方式相比，可以制作出人類無法達到的過去世界、未來世界、微觀世界、外太空世界等一切人類未知或無法拍攝到的世界，其表現(xiàn)潛力幾乎不受限制。早期Fulldome電影用在太空劇場，最初用數(shù)字天象儀來放映天象影片，隨著天象影片形式的豐富和影片題材的擴展，基于計算機圖形學(xué)的Fulldome制作技術(shù)應(yīng)運而生。 二．存在的主要問題 目前Fulldome制作技術(shù)主要用于要求相對較低的天象題材影片。如果要進一步面向包括文物、生物、人物角色在內(nèi)的更廣泛題材影片，就必須面對真實感、分辨率、影片制作周期和變形處理等指標，實現(xiàn)對傳統(tǒng)的魚眼拍攝制作方式的超越。以下是對上述指標的分析： 1.三維數(shù)字制作的真實感，取決于三維數(shù)字化的精度、紋理的精度、色彩的準確度和光照處理。不管數(shù)字化的對象在現(xiàn)實中是否存在原型，在影視級的目標下，都必須滿足客觀性的要求：存在原型的，數(shù)字化的結(jié)果要求準確、要求忠實于原型，如文物；找不到原型的，也應(yīng)符合科學(xué)性，如古生物，應(yīng)依據(jù)化石和生物專家、考古專家的研究成果。 2.片放映清晰度的決定因素包括：影片的輸出分辨率和設(shè)備、場地的因素。 其中，三維數(shù)字制作影片的輸出分辨率取決于三維物體的幾何精度、三維物體的紋理分辨率、三維物體與鏡頭距離等因素；設(shè)備、場地因素包括屏幕尺寸（在Fulldome電影里通常使用球幕直徑）、觀眾到屏幕的距離、單個投影機的設(shè)備分辨率和投影機的個數(shù)（通道數(shù)）等。 3.片制作周期主要包括兩大部分：三維數(shù)字化的周期（又分為幾何建模、紋理圖像處理、紋理映射、動作建模、場景空間搭建、攝像機鏡頭攝制、燈光處理等），影片繪制的周期（又分為三維繪制和后期特效制作）。 4.在傳統(tǒng)的魚眼拍攝制作方法下，影片畫面的變形問題不存在，因為拍攝和放映都使用魚眼鏡頭；而數(shù)字制作，必須面臨從矩形畫面映射到球幕的過程，并需要解決該過程所導(dǎo)致的變形。 三．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 加拿大IMAX公司研發(fā)了一套DMR(DigitalRe-Mastering)技術(shù)，可用于將普通35mm膠片轉(zhuǎn)制成IMAX格式的70mm膠片，這個工作使三維數(shù)字制作的影片轉(zhuǎn)為IMAX巨幕電影成為可能，但費用非常昂貴，需要近三百萬美元；更重要的是，對于將三維數(shù)字制作的影片轉(zhuǎn)換成OmniMAX球幕電影，IMAX目前還沒有提供解決方案。 國際上對Fulldome制作技術(shù)的研究近幾年才剛開始，最初用于大型天象節(jié)目的數(shù)字制作，2004年7月8日在西班牙Valencia召開的InternationalPlanetariumSocietyConference(IPS)上，第一次對Fulldome制作國際標準進行了討論，并設(shè)立了FulldomeStandardsSummit。會上對相關(guān)各項指標提出了建議，其中在分辨率方面，建議標準提出觀眾觀看天象的要求應(yīng)達到介于“模糊感知”和“精確辨別”之間的“辯知”水平，此時相鄰兩象素與視點連線夾角為不低于3弧分(Arcminutes)，因此影片分辨率應(yīng)至少達到3160×3160。2005年召開了三次Fulldome的國際會議，在天象題材之后，提出了Fulldome三維數(shù)字制作技術(shù)在其他題材上的廣泛應(yīng)用前景和要求，其中文物題材、古生物等題材影片對分辨率的要求遠高于天象題材，同時三維數(shù)字化精度的要求也遠比天文題材影片更高。 在國外對文物、生物題材的Fulldome的三維數(shù)字制作方面的工作中，美國E&S公司（計算機圖形學(xué)之父Sutherland在1968年創(chuàng)建）于2004年底利用其最新的Digistar3制作出的《法老的星空》（StarsofthePharaohs），其中三維制作的部分代表該領(lǐng)域的最高水平，影片輸出分辨率達到了3000×3000。 我們通過與中央新影導(dǎo)演合作承擔(dān)國家發(fā)改委和敦煌研究院委托的石窟Fulldome電影的驗證性課題，在國內(nèi)首次進行了Fulldome制作技術(shù)的研究，目前已經(jīng)能達到6000×6000的影片輸出分辨率，并可在上?？萍拣^的Fulldome環(huán)境下實現(xiàn)無變形。該分辨率已經(jīng)超過Fulldome的建議標準（3160×3160），但要用于直徑20米以上的巨型Fulldome劇院來放映文物、古生物題材的三維Fulldome影片（如敦煌預(yù)期建成的直徑22米Fulldome劇院），還需要進一步將分辨率提高到8000×8000以上。與此同時，E&S公司基于德國Zeiss專利技術(shù)的激光投影機即將投放Fulldome投影市場，這種投影機將比傳統(tǒng)DLP和CRT投影技術(shù)分辨率更高、亮度和對比度更好，4臺激光投影機可將設(shè)備分辨率提高到8000×8000（理論值），這為文物、生物題材三維巨型Fulldome的放映提供了設(shè)備基礎(chǔ)。我們針對這種新投影機開發(fā)了樣片，并送到位于美國鹽湖城的激光投影機樣機上進行放映，取得了非常好的效果。E&S公司CEOJamesR.Oyler盛贊該片是“目前所看到過制作最好的Fulldome電影”。 四．主要研究內(nèi)容 大型Fulldome技術(shù)包括影片制作、投影以及劇場建設(shè)等多方面，本研究主要面向的是相對于傳統(tǒng)節(jié)目攝制的數(shù)字化影片制作技術(shù)，尤其是三維影像繪制技術(shù)，其主要的研究內(nèi)容包括： 1.研究影視級的三維數(shù)字化技術(shù) 前面談到，在影視級的目標下，不管數(shù)字化的對象在現(xiàn)實中是否存在原型，都必須滿足客觀性的要求。 現(xiàn)有的三維數(shù)字化方法有三大類： 第一類是依*三維美工進行手工建模，這種方法顯然無法滿足客觀性，而且工作量非常大，對美工的要求也很高。 第二類是使用3DScanner進行三維掃描。該方法能夠準確地獲取目標的三維形狀，但由于現(xiàn)有的3DScanner無法有效地獲取紋理、光照等其他信息，還需要手工進行貼圖，因而也會引入部分主觀因素；另一方面，使用該方法，部分物體的獲取會受到限制；同時，該方法還會造成大量冗余數(shù)據(jù)，不利于后期處理效率的提高。 第三類是基于計算機視覺的三維數(shù)字化。目前該方法有一個很大的瓶頸：需要在拍攝時規(guī)定相機嚴格使用確定的基線和鏡頭，多數(shù)情況下，該條件無法滿足，限制了基于計算機視覺三維重建技術(shù)的發(fā)展（比如對于不可移動的物體，大部分時候，實拍過程中相機會因場地而受限）。經(jīng)過我們的前期工作，對采集的限制現(xiàn)已不復(fù)存在，相機的位置、角度、焦距、拍攝路線等不再成為拍攝時的必要條件，均可通過計算反求出，從而真正實現(xiàn)了嚴格忠實于原作（三維形狀、紋理、顏色、光照），完全滿足文物級要求，目前誤差 2.研究基于影視級虛擬現(xiàn)實的實時繪制技術(shù)在計算機圖形學(xué)中，繪制的真實程度與繪制的速度是一對矛盾。目前我們已經(jīng)有了實時真實感圖形繪制的基礎(chǔ)： （1）通過從PC底層開始，研發(fā)了一套繪制加速框架，實現(xiàn)了基于PC的海量圖形圖像實時繪制。該框架取代操作系統(tǒng)的存儲管理，建立了一套在多級Cache間進行動態(tài)存儲和調(diào)度的機制；并通過對時間相關(guān)性和空間相關(guān)性的利用，及對用戶（操作）行為模型的統(tǒng)計和分析，進行圖形圖像數(shù)據(jù)的預(yù)調(diào)度和預(yù)繪制。因此，目前可以實時處理數(shù)千倍于系統(tǒng)處理能力的海量圖形圖像數(shù)據(jù)。 （2）提出了一個光照計算模型，可實時地實現(xiàn)對光傳輸方程的近似求解，這樣，既可以達到Phong模型和Gouraud模型的實時，又可在絕大多數(shù)情況下模擬出GlobalIllumination模型才能實現(xiàn)的真實感光照效果，甚至在玉器的光照實時實現(xiàn)方面，比現(xiàn)有GlobalIllumination的效果更好。 通過以上工作，目前對于除大場面自然災(zāi)害（如海嘯、颶風(fēng)）、人體頭發(fā)和部分無法實時實現(xiàn)的后期特效外，以包括自然景觀的真實再現(xiàn)、復(fù)雜材質(zhì)的逼真光效生成、細節(jié)的精細展現(xiàn)（墻壁裂縫、皮膚毛孔、樹葉蟲眼等）、動物毛發(fā)（羽毛、絨毛）等為內(nèi)容的影片繪制，除數(shù)據(jù)載入時需要數(shù)分鐘時間外，載入后可達到平均幀速率25FPS。完全滿足科教、文物記錄片和動漫的質(zhì)量需求。接下來需要在此基礎(chǔ)上，為數(shù)字電影創(chuàng)意制作團隊設(shè)計一個UI模式，該UI模式是后續(xù)開發(fā)成三維數(shù)字電影交互創(chuàng)作環(huán)境的基礎(chǔ)。一方面，數(shù)字電影創(chuàng)意制作團隊可以通過這個UI，利用繪制內(nèi)核實時地預(yù)覽制作的效果；此外，大部分影片的三維繪制工作，可以直接用實時繪制內(nèi)核來完成，三維繪制時間將大大縮短。 3.研究Fulldome成片分辨率的提高，以適應(yīng)文物、生物等題材的要求對于文物和生物題材的Fulldome電影，觀眾經(jīng)常需要欣賞到精細的畫面或者質(zhì)感，也就是說，需要達到對細節(jié)“精確辨別”的程度，對數(shù)字畫面具體量化的指標，是相鄰兩象素與視點連線夾角1.5弧分（Arcminutes），換算成Fulldome分辨率約為8000×8000。 前面談到全三維影片輸出分辨率的決定因素，主要有三維物體的幾何精度、三維物體的紋理分辨率、三維物體與鏡頭距離等。數(shù)字制作電影畫面的清晰度不能只看輸出分辨率數(shù)值的大小，如果不滿足上述因素，而強制按輸出分辨率的數(shù)值進行輸出，則將產(chǎn)生鋸齒，或者如果通過圖像插值來抗鋸齒，也會造成畫面的模糊。尤其是屏幕巨大的特種電影，在畫面模糊之后，非但不能讓觀眾產(chǎn)生臨場感，而且還會造成頭暈。 對于全三維電影，三維物體與鏡頭的距離是一個重要問題。為了劇本和效果的需要，影片經(jīng)常要把鏡頭與目標安排得非常近（比如特寫），這對數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)字化和繪制（尤其是實時繪制）均是巨大的挑戰(zhàn)，是包括Fulldome在內(nèi)的數(shù)字特種電影公認的難題。我們目前已經(jīng)達到了6000×6000的分辨率，與8000×8000的目標還有一定距離。 4.研究適用于數(shù)字放映方式的Fulldome抗變形技術(shù)球幕影片的磁轉(zhuǎn)膠非常昂貴，而且目前國內(nèi)不具備此能力，因此針對數(shù)字放映方式來研究Fulldome成片是非常必要的。Fulldome圖像有兩種類型，正交魚眼（OrthographicFish-Eye）圖像和等距魚眼（EquidistantFish-Eye）圖像，前者會造成天頂處的拉伸和赤道處的壓縮，而后者則因為能夠?qū)崿F(xiàn)象素在球面上的平均分布，因而是更理想的類型。 在成像方法上，如果采用直接魚眼繪制（DirectFish-EyeRendering）方法，生成的是正交魚眼圖像，因而不適合我們的目標，目前我們采用的是半立方體繪制（Hemi-cubicRendering）方法，能夠得到較均勻的象素分布，但需要針對不同的數(shù)字放映方式（如放映通道數(shù)目、球幕的傾斜度、球面覆蓋角等），采用不同的畫面裁切和邊緣融合方法，否則會在球面映射的過程中產(chǎn)生變形，或者無法融合不同通道的邊界。我們已經(jīng)在上?？萍拣^的Fulldome放映環(huán)境（直徑13米，6臺DLP投影，球幕傾斜度23°）下和新研制出來的全球首臺Fulldome激光投影機（位于美國鹽湖城E&S總部）上實現(xiàn)了影片的生成，解決了變形。更進一步，我們還需要探尋出一種與數(shù)字放映環(huán)境無關(guān)的球面映射變形解決方法。 五．總結(jié)與展望 本研究是在承擔(dān)敦煌大型Fulldome電影驗證性課題過程中提出的，F(xiàn)ulldome數(shù)字制作在國內(nèi)是首次，而且面對的是比國外挑戰(zhàn)更大的文物、生物等題材，和更高的要求，同時也面臨著國際標準尚待制定的機遇。在學(xué)術(shù)上、在大型影視娛樂應(yīng)用前景上，本研究都有很高的價值，其中的關(guān)鍵問題和下一階段的重點工作包括： 1.對于全三維制作的科教記錄片和動畫片，如何在繪制結(jié)果的真實程度達到影視級的前提下，提高三維繪制的實時效率，最終為數(shù)字電影創(chuàng)意制作人員開發(fā)出一個輔助進行交互創(chuàng)作的環(huán)境。 2.如何通過研究數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)字化以及實時三維繪制的架構(gòu)和方法，提高影片的輸出分辨率，使其達到8000×8000象素以上。這個指標對應(yīng)的像素夾角為1.5弧分，一旦滿足該夾角，即可讓觀眾在巨型Fulldome劇場（直徑超過20m）中完全達到精確辨識的目標，從而使得文物、古生物題材的巨型Fulldome數(shù)字制作成為現(xiàn)實。同時，這個目標也將Fulldome的影片輸出分辨率提高到國外現(xiàn)有水平（3160×3160）的2.5倍。 3.如何用計算機圖形學(xué)中的小孔成像模型來有效模擬等距魚眼（EquidistantFish-Eye）成像模型，從而得到象素分布均勻的等距魚眼圖像，并探尋一個與數(shù)字放映環(huán)境無關(guān)的球面映射變形解決方法。該方法的成功，將避免為不同標準的Fulldome放映環(huán)境花費的專門繪制時間，大大提高Fulldome制作對不斷涌現(xiàn)的Fulldome劇場的適應(yīng)性。