基于高品質(zhì)的敦煌文物數(shù)字化素材8K球幕節(jié)目制作技術(shù)

陳琨+陳亮

摘 要 隨著信息化時代的快速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)上所起的作用越來越大。將文化遺產(chǎn)數(shù)字化的價值，很大程度上取決于它數(shù)字化的精細(xì)程度。采用8K影像技術(shù)來數(shù)字化敦煌莫高窟的壁畫，清晰度可達(dá)6 000多萬像素，盡可能完整地對文物的真實效果進(jìn)行保存和還原，在視覺傳達(dá)效果上得到顯著的提升。通過制作超高清8k動態(tài)畫面來展示文化遺產(chǎn)，在國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的球幕系統(tǒng)上完成文物遺產(chǎn)的影像數(shù)字化永久保存和無損再現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化保存；敦煌文物；再現(xiàn)；8K；球幕

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0087-04

1 球幕系統(tǒng)開發(fā)與集成技術(shù)服務(wù)現(xiàn)狀

1.1 球幕影院的發(fā)展歷史

“球幕影院”又稱“穹幕影院”，最早的雛形出現(xiàn)在1939年在紐約舉辦的世界博覽會。上，有人用5臺放映機(jī)組成的畫面投射到半球形的熒幕上，當(dāng)時看到這種電影的人們贊嘆不已。第二次世界大戰(zhàn)中很多國家將這種技術(shù)應(yīng)用到飛行的模擬訓(xùn)練之中（虛擬仿真），直到20世紀(jì)70年代才發(fā)展成為真正的全穹形。現(xiàn)代球幕影院大多采用多通道投影曲面拼接技術(shù)，投影的多通道方式，使得整個畫面的分辨率有了質(zhì)的飛躍，整個環(huán)境猶如蒼穹，將觀眾包圍于其中，并伴有環(huán)繞立體聲效果，沉浸感極強(qiáng)，被譽(yù)為不需要3D效果的3D節(jié)目。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著計算機(jī)技術(shù)和顯示技術(shù)的發(fā)展，球幕影院已經(jīng)由膠片放映機(jī)過渡為計算機(jī)服務(wù)器，由播放膠片發(fā)展到4K/8K清晰度的數(shù)字電影，從簡單魚眼鏡頭的變形播放轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗤ǖ劳队皺C(jī)的拼接融合、半球全屏播放，成為異形影院展示模式中最重要的組成部分。

1.2 8K球幕影院特點

球幕和普通電影的最大區(qū)別在于幕的形狀和投影方式。球幕是個反扣的半球體，一般由多臺投影儀共同投影到這個半球體的內(nèi)部，并拼接融合后，完成整幅畫面的播放。球幕的投射面積和投影機(jī)的個數(shù)決定了球幕影片的分辨率，而此次項目中最終的分辨率定為8192×8192。

如此之高的分辨率的影片，如何保證影片展示的每個細(xì)節(jié)都是清晰的，這就決定了我們在拍攝過程中對拍攝精度有著很高的要求，但是這種精度并非越高越好，而是有區(qū)別的將重點展示內(nèi)容和一般內(nèi)容區(qū)別對待。這樣既保證影片的精度要求，也減少很多無謂的工作量，提高了工作效率。

1.3 本次工作要解決技術(shù)難點

1）針對高效三維渲染8K球幕魚眼影像的開發(fā)工作。開發(fā)基于三維渲染所需要的模擬生成魚眼影像的球幕渲染攝像機(jī)。同時為解決8192×8192影像分辨率超大，渲染速度過慢等因素造成的渲染效率低下的問題，研究基于三維渲染器的分塊渲染算法與實現(xiàn)途徑，并開發(fā)相應(yīng)的插件。

2）在三維制作中逐一體現(xiàn)壁畫、彩塑及洞窟的歷史背景和文化藝術(shù)背景，形成一套新的球幕影視語言表達(dá)方式。

研究壁畫的場景建筑物模型建模技術(shù)，依據(jù)壁畫內(nèi)容，完成壁畫背景與建筑物的三維近似建模工作。研究壁畫中角色的摳像提取方式，并結(jié)合歷史事實和實際人物，進(jìn)行近似的壁畫人物三維建模。研究壁畫中角色運(yùn)動規(guī)律的提取方式，建立符合歷史事實且能體現(xiàn)壁畫中角色動作運(yùn)動規(guī)律的，角色動畫調(diào)節(jié)方式。

3）研究魚眼影像在球幕中的影視表達(dá)語言，突破傳統(tǒng)的平面電影語言表達(dá)方式，建立符合球幕展示的影視語言體系。

2 技術(shù)實施

2.1 研究方案

CG制作行業(yè)發(fā)展至今，很多的問題已經(jīng)解決，球幕的節(jié)目制作同樣屬于CG制作行業(yè)的分支。球幕節(jié)目制作不同于普通節(jié)目制作的地方在于：需要解決如何快速渲染出符合球幕播放變形要求的魚眼畫面。

首先迫切需要研究和探索的內(nèi)容是，因為魚眼畫面不同普通畫面，即球幕電影的影視魚眼顯示形式和平面電影的顯示形式完全不同，球幕電影既要讓觀眾有較強(qiáng)的沉浸感，又不能像魚眼鏡頭一樣在邊緣產(chǎn)生如此大的變形，以致影響觀看效果。

其次，在渲染問題上，國外很多球幕制作公司在制作球幕電影過程中都選擇利用Vary渲染器，并在渲染器中設(shè)置5只攝像機(jī)，完成全景渲染。再利用后期軟件將其合成成魚眼照片。分?jǐn)z像機(jī)渲染的優(yōu)點是提高渲染速度。缺點在于分?jǐn)z像機(jī)渲染后，需要通過后期完成魚眼畫面輸出，會大大增加后期部門工作量。

本課題最終目標(biāo)是8K分辨率球幕節(jié)目制作，如此高的分辨率將帶來數(shù)據(jù)量巨大，渲染時間長，后期處理困難等一列問題。在探索球幕影視魚眼的基礎(chǔ)上，解決魚眼高分辨率畫面渲染問題，是整個任務(wù)得以順利完成的核心，如圖1所示。

2.2 研究過程

2.2.1 球幕影視語言研究

1）球幕的桶形畸變。如圖2所示，是一個8K*8K分辨率的魚眼影像示意。首先如果我們需要測試這個規(guī)格的影像，那么從分辨率上必須達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)。8K球幕魚眼影像的分辨率標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)階段還沒有準(zhǔn)確定義，但我們將8000px×8000px或者8192px×82192px都認(rèn)為是8K魚眼影像。

同時紅色區(qū)域內(nèi)的有效像素，應(yīng)該符合魚眼桶形畸變的要求。球幕（穹頂幕）在播放影像時，都要求是影像是符合魚眼成像效果的。這種帶有嚴(yán)重桶形失真的畫面，可以很好的被球幕（穹頂）這種異形銀幕所還原，最終呈現(xiàn)在觀眾面前一副符合觀影要求的全覆蓋的沉浸式場景。

2）魚眼畸變效果。如圖3所示，畫面可以看到整個畫面的主要角色都集中在畫面的中下部，同時原本的金屬桶壁的直線線條已經(jīng)變形成弧形。在制作這樣的CG節(jié)目時，我們依然用虛擬的魚眼攝像機(jī)在CG場景中去完成?？梢钥闯鲞@個時候的虛擬攝像機(jī)所正對場景的位置是紫色液體部分。而播放過程中，3個動畫角色都會呈現(xiàn)在觀眾視線正對的方向上的球型銀幕，成為畫面的主視角區(qū)域。

3）景別區(qū)別。普通影片中的近、中、遠(yuǎn)景的定義在球幕制作過程中已經(jīng)不適用了。普通影片的近、中、遠(yuǎn)景的定義為：人臉、人胸部以上位置，人的全身。而在球幕節(jié)目的近中遠(yuǎn)景只能按照渲染的面積從下到上去定義，如圖4、圖5所示。

即使球型銀幕可以糾正這部分變形，但是這個畫面也不適用于球幕畫面展示，一張碩大的臉滿布整個球幕，將給觀眾帶來嚴(yán)重的不適感。因此在球幕的景別中，我們引入了主視角的概念，主視角即觀眾座椅正前方視線60的區(qū)域內(nèi)，如圖6所示。

紅色區(qū)域?qū)⑹钦麄€畫面中重點需要表現(xiàn)的內(nèi)容，整個球幕電影中如果存在喜劇沖突等內(nèi)容，也應(yīng)被安排在這個區(qū)域，如圖7所示。

渲染這部分內(nèi)容時，攝像機(jī)鏡頭應(yīng)該正對需要表現(xiàn)的角色。

其次就是遠(yuǎn)景/全景展示，球幕和普通節(jié)目也有著本質(zhì)的區(qū)別。普通節(jié)目的全景展示如圖8所示。

球幕節(jié)目展示全景時，明顯有義于普通意義的遠(yuǎn)景展示。球幕的全景展示是展示整個世界，即鏡頭之上的世界上的所有的景物，如圖9所示。

如何展示全景呢？展示全景時，通過我們的反復(fù)測試，最好的效果就是將攝像機(jī)垂直沖上。如果完成球幕畫面的全景到重點展示部分的切換呢？讓攝像機(jī)從垂直向上的角度，按照一條下行的曲線并在Y軸方向上做垂直到水平方向的勻速旋轉(zhuǎn)，這種攝像機(jī)處理方式即保證畫面的穩(wěn)定性，帶來最好的影視視覺表達(dá)效果，讓觀眾既有沉浸感，但是沒有眩暈感。

2.2.2 魚眼畫面渲染

從135畫幅相機(jī)攝影角度而言，正圓形畸變的魚眼鏡頭是一種焦距約在8mm的短焦超廣角變形鏡頭。為使鏡頭達(dá)到最大的攝影視角，這種攝影鏡頭的前鏡片直徑且呈拋物狀向鏡頭前部凸出，與魚的眼睛頗為相似，“魚眼鏡頭”因此而得名，如圖10所示。

如何一次性的在渲染工作中完成魚眼效果渲染，首先課題組在對多重渲染器進(jìn)行研究之后，認(rèn)為Mental Ray渲染器是完全可以達(dá)到節(jié)目制作需求的。該渲染器實時計算光效，同時它有著豐富的Shader庫。課題組完全可以根據(jù)自身需求，編寫一套基于魚眼成像的渲染插件，供節(jié)目制作使用。

2.2.3 洞窟逆向復(fù)原

1）洞窟精度計算。紅色位置為畫面主視角位置，整副畫面分辨率8192px×8192px。紅色區(qū)域約占6K×6K畫面。即在該畫面情況下整個佛龕最終畫面像素精度要滿足6K×6K的畫面渲染，如圖11所示。

考慮到采集過程的一致性，在任務(wù)實施過程中，首先計算該洞窟的在球幕主畫面中需要重點展示部分的畫面分辨率，再根據(jù)最高分辨率統(tǒng)一采集該洞窟的數(shù)據(jù)。

在紋理采集過程中，還需要考慮采集畫面的拼接、疊加、拉伸、變形部分，去除掉變形部分，才是最終的可用像素采集精度，如圖12所示。

3）超高分辨率分塊渲染。實際渲染中，課題任務(wù)最終要渲染8K×8K的圖片，要么是內(nèi)存不夠，要么是計算量過大，但是渲染器為我們提供了可以分塊渲染大圖的可能。原理是將一張圖分成幾塊來渲染，最后再通過后期軟件自動合成一張足夠大的圖。

考慮到8K分辨率，課題進(jìn)行過程中，我們整個8K畫面分成64小塊。橫向是x象素，豎向是y象素；同時將所有像素等分成N×N大小的整數(shù)像素的小塊，圖14（8192×8192）的實例，分成64塊進(jìn)行渲染，圖13為32塊示意。

之后再渲染器設(shè)置中將各個分塊參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給渲染農(nóng)場上的各個節(jié)點，由每個渲染節(jié)點去渲染該像素區(qū)域內(nèi)的所有畫面。由于渲染器可以設(shè)置成CH1-CH64，64個完全獨(dú)立的通道文件夾。之后再后期軟件中按照命名規(guī)則導(dǎo)入，直接將這部分分塊文件合成為完整的球幕畫面。

這個處理方式的好處在于，單幀8K完整畫面渲染每幀需要約40min時間，分塊渲染之后，各節(jié)點綜合統(tǒng)計平均渲染一幀加合成時間為20min。整體渲染時間（含合成）縮短一半。由這部分時間消耗我們也可以得出場景內(nèi)部的光線計算時間是一定的，但是渲染時間會因為CPU＼GPU運(yùn)算能力的問題，而在生成畫面時造成渲染效率變低。適時的合理的對巨幅畫面進(jìn)行分塊渲染，非常有利于超高分辨率畫面的渲染工作。

3 結(jié)論

通過課題中8K球幕節(jié)目的制作，課題組總結(jié)了一整套關(guān)于洞窟逆向復(fù)原、球幕影視魚眼的表達(dá)方式，針對于球幕景別、主視角安排、攝像機(jī)運(yùn)動節(jié)奏、整體影片時長等都總結(jié)出一整套經(jīng)驗。同時解決了關(guān)于Mental Ray魚眼畫面渲染以及超高分辨率分塊渲染等問題。讓文化遺產(chǎn)地的8K超高分辨率魚眼畫面在球幕展示成為現(xiàn)實，填補(bǔ)國內(nèi)關(guān)于超高分辨率球幕實景內(nèi)節(jié)目制作的空白。

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