一．背景及意义 球幕电影是出现于20世纪70年代的一种特种电影类型。这种电影的观众厅为圆顶式结构，银幕呈半球形，观众被包围其中，视银幕如同苍穹。由于放映的视域范围可达180°，可自观众面前延至身后，且伴有立体声环音，使观众如置身其间。按照视觉理论，人的视域范围一旦超过150°，就会产生身临其境的错觉，因此，这种电影类型的沉浸效果非常强烈，并且可脱离立体眼镜和头盔，产生立体视觉。 传统的球幕电影采用70mm胶片和鱼眼镜头进行拍摄和放映，最典型的如加拿大IMAX公司开发的OmniMAX球幕技术。与之对应的数字球幕电影，包括两个不同层面的含义：数字制作和数字放映。 近几年，直径10米以上、采用数字放映方式的大型数字球幕电影（Fulldomedigitalmovie以下简称Fulldome，又称Large-scaleimmersivedigitalmovie）开始出现，直径超过20米的巨型Fulldome很快也将成为趋势。据统计，目前国内已建成和正在建设的Fulldome剧院已有三十余家。 基于计算机图形学的Fulldome制作技术是最近几年兴起的一个新领域，它与传统的拍摄制作方式相比，可以制作出人类无法达到的过去世界、未来世界、微观世界、外太空世界等一切人类未知或无法拍摄到的世界，其表现潜力几乎不受限制。早期Fulldome电影用在太空剧场，最初用数字天象仪来放映天象影片，随着天象影片形式的丰富和影片题材的扩展，基于计算机图形学的Fulldome制作技术应运而生。 二．存在的主要问题 目前Fulldome制作技术主要用于要求相对较低的天象题材影片。如果要进一步面向包括文物、生物、人物角色在内的更广泛题材影片，就必须面对真实感、分辨率、影片制作周期和变形处理等指标，实现对传统的鱼眼拍摄制作方式的超越。以下是对上述指标的分析： 1.三维数字制作的真实感，取决于三维数字化的精度、纹理的精度、色彩的准确度和光照处理。不管数字化的对象在现实中是否存在原型，在影视级的目标下，都必须满足客观性的要求：存在原型的，数字化的结果要求准确、要求忠实于原型，如文物；找不到原型的，也应符合科学性，如古生物，应依据化石和生物专家、考古专家的研究成果。 2.片放映清晰度的决定因素包括：影片的输出分辨率和设备、场地的因素。 其中，三维数字制作影片的输出分辨率取决于三维物体的几何精度、三维物体的纹理分辨率、三维物体与镜头距离等因素；设备、场地因素包括屏幕尺寸（在Fulldome电影里通常使用球幕直径）、观众到屏幕的距离、单个投影机的设备分辨率和投影机的个数（通道数）等。 3.片制作周期主要包括两大部分：三维数字化的周期（又分为几何建模、纹理图像处理、纹理映射、动作建模、场景空间搭建、摄像机镜头摄制、灯光处理等），影片绘制的周期（又分为三维绘制和后期特效制作）。 4.在传统的鱼眼拍摄制作方法下，影片画面的变形问题不存在，因为拍摄和放映都使用鱼眼镜头；而数字制作，必须面临从矩形画面映射到球幕的过程，并需要解决该过程所导致的变形。 三．国内外研究现状 加拿大IMAX公司研发了一套DMR(DigitalRe-Mastering)技术，可用于将普通35mm胶片转制成IMAX格式的70mm胶片，这个工作使三维数字制作的影片转为IMAX巨幕电影成为可能，但费用非常昂贵，需要近三百万美元；更重要的是，对于将三维数字制作的影片转换成OmniMAX球幕电影，IMAX目前还没有提供解决方案。 国际上对Fulldome制作技术的研究近几年才刚开始，最初用于大型天象节目的数字制作，2004年7月8日在西班牙Valencia召开的InternationalPlanetariumSocietyConference(IPS)上，第一次对Fulldome制作国际标准进行了讨论，并设立了FulldomeStandardsSummit。会上对相关各项指标提出了建议，其中在分辨率方面，建议标准提出观众观看天象的要求应达到介于“模糊感知”和“精确辨别”之间的“辩知”水平，此时相邻两象素与视点连线夹角为不低于3弧分(Arcminutes)，因此影片分辨率应至少达到3160×3160。2005年召开了三次Fulldome的国际会议，在天象题材之后，提出了Fulldome三维数字制作技术在其他题材上的广泛应用前景和要求，其中文物题材、古生物等题材影片对分辨率的要求远高于天象题材，同时三维数字化精度的要求也远比天文题材影片更高。 在国外对文物、生物题材的Fulldome的三维数字制作方面的工作中，美国E&S公司（计算机图形学之父Sutherland在1968年创建）于2004年底利用其最新的Digistar3制作出的《法老的星空》（StarsofthePharaohs），其中三维制作的部分代表该领域的最高水平，影片输出分辨率达到了3000×3000。 我们通过与中央新影导演合作承担国家发改委和敦煌研究院委托的石窟Fulldome电影的验证性课题，在国内首次进行了Fulldome制作技术的研究，目前已经能达到6000×6000的影片输出分辨率，并可在上海科技馆的Fulldome环境下实现无变形。该分辨率已经超过Fulldome的建议标准（3160×3160），但要用于直径20米以上的巨型Fulldome剧院来放映文物、古生物题材的三维Fulldome影片（如敦煌预期建成的直径22米Fulldome剧院），还需要进一步将分辨率提高到8000×8000以上。与此同时，E&S公司基于德国Zeiss专利技术的激光投影机即将投放Fulldome投影市场，这种投影机将比传统DLP和CRT投影技术分辨率更高、亮度和对比度更好，4台激光投影机可将设备分辨率提高到8000×8000（理论值），这为文物、生物题材三维巨型Fulldome的放映提供了设备基础。我们针对这种新投影机开发了样片，并送到位于美国盐湖城的激光投影机样机上进行放映，取得了非常好的效果。E&S公司CEOJamesR.Oyler盛赞该片是“目前所看到过制作最好的Fulldome电影”。 四．主要研究内容 大型Fulldome技术包括影片制作、投影以及剧场建设等多方面，本研究主要面向的是相对于传统节目摄制的数字化影片制作技术，尤其是三维影像绘制技术，其主要的研究内容包括： 1.研究影视级的三维数字化技术 前面谈到，在影视级的目标下，不管数字化的对象在现实中是否存在原型，都必须满足客观性的要求。 现有的三维数字化方法有三大类： 第一类是依*三维美工进行手工建模，这种方法显然无法满足客观性，而且工作量非常大，对美工的要求也很高。 第二类是使用3DScanner进行三维扫描。该方法能够准确地获取目标的三维形状，但由于现有的3DScanner无法有效地获取纹理、光照等其他信息，还需要手工进行贴图，因而也会引入部分主观因素；另一方面，使用该方法，部分物体的获取会受到限制；同时，该方法还会造成大量冗余数据，不利于后期处理效率的提高。 第三类是基于计算机视觉的三维数字化。目前该方法有一个很大的瓶颈：需要在拍摄时规定相机严格使用确定的基线和镜头，多数情况下，该条件无法满足，限制了基于计算机视觉三维重建技术的发展（比如对于不可移动的物体，大部分时候，实拍过程中相机会因场地而受限）。经过我们的前期工作，对采集的限制现已不复存在，相机的位置、角度、焦距、拍摄路线等不再成为拍摄时的必要条件，均可通过计算反求出，从而真正实现了严格忠实于原作（三维形状、纹理、颜色、光照），完全满足文物级要求，目前误差 2.研究基于影视级虚拟现实的实时绘制技术在计算机图形学中，绘制的真实程度与绘制的速度是一对矛盾。目前我们已经有了实时真实感图形绘制的基础： （1）通过从PC底层开始，研发了一套绘制加速框架，实现了基于PC的海量图形图像实时绘制。该框架取代操作系统的存储管理，建立了一套在多级Cache间进行动态存储和调度的机制；并通过对时间相关性和空间相关性的利用，及对用户（操作）行为模型的统计和分析，进行图形图像数据的预调度和预绘制。因此，目前可以实时处理数千倍于系统处理能力的海量图形图像数据。 （2）提出了一个光照计算模型，可实时地实现对光传输方程的近似求解，这样，既可以达到Phong模型和Gouraud模型的实时，又可在绝大多数情况下模拟出GlobalIllumination模型才能实现的真实感光照效果，甚至在玉器的光照实时实现方面，比现有GlobalIllumination的效果更好。 通过以上工作，目前对于除大场面自然灾害（如海啸、飓风）、人体头发和部分无法实时实现的后期特效外，以包括自然景观的真实再现、复杂材质的逼真光效生成、细节的精细展现（墙壁裂缝、皮肤毛孔、树叶虫眼等）、动物毛发（羽毛、绒毛）等为内容的影片绘制，除数据载入时需要数分钟时间外，载入后可达到平均帧速率25FPS。完全满足科教、文物记录片和动漫的质量需求。接下来需要在此基础上，为数字电影创意制作团队设计一个UI模式，该UI模式是后续开发成三维数字电影交互创作环境的基础。一方面，数字电影创意制作团队可以通过这个UI，利用绘制内核实时地预览制作的效果；此外，大部分影片的三维绘制工作，可以直接用实时绘制内核来完成，三维绘制时间将大大缩短。 3.研究Fulldome成片分辨率的提高，以适应文物、生物等题材的要求对于文物和生物题材的Fulldome电影，观众经常需要欣赏到精细的画面或者质感，也就是说，需要达到对细节“精确辨别”的程度，对数字画面具体量化的指标，是相邻两象素与视点连线夹角1.5弧分（Arcminutes），换算成Fulldome分辨率约为8000×8000。 前面谈到全三维影片输出分辨率的决定因素，主要有三维物体的几何精度、三维物体的纹理分辨率、三维物体与镜头距离等。数字制作电影画面的清晰度不能只看输出分辨率数值的大小，如果不满足上述因素，而强制按输出分辨率的数值进行输出，则将产生锯齿，或者如果通过图像插值来抗锯齿，也会造成画面的模糊。尤其是屏幕巨大的特种电影，在画面模糊之后，非但不能让观众产生临场感，而且还会造成头晕。 对于全三维电影，三维物体与镜头的距离是一个重要问题。为了剧本和效果的需要，影片经常要把镜头与目标安排得非常近（比如特写），这对数据采集、三维数字化和绘制（尤其是实时绘制）均是巨大的挑战，是包括Fulldome在内的数字特种电影公认的难题。我们目前已经达到了6000×6000的分辨率，与8000×8000的目标还有一定距离。 4.研究适用于数字放映方式的Fulldome抗变形技术球幕影片的磁转胶非常昂贵，而且目前国内不具备此能力，因此针对数字放映方式来研究Fulldome成片是非常必要的。Fulldome图像有两种类型，正交鱼眼（OrthographicFish-Eye）图像和等距鱼眼（EquidistantFish-Eye）图像，前者会造成天顶处的拉伸和赤道处的压缩，而后者则因为能够实现象素在球面上的平均分布，因而是更理想的类型。 在成像方法上，如果采用直接鱼眼绘制（DirectFish-EyeRendering）方法，生成的是正交鱼眼图像，因而不适合我们的目标，目前我们采用的是半立方体绘制（Hemi-cubicRendering）方法，能够得到较均匀的象素分布，但需要针对不同的数字放映方式（如放映通道数目、球幕的倾斜度、球面覆盖角等），采用不同的画面裁切和边缘融合方法，否则会在球面映射的过程中产生变形，或者无法融合不同通道的边界。我们已经在上海科技馆的Fulldome放映环境（直径13米，6台DLP投影，球幕倾斜度23°）下和新研制出来的全球首台Fulldome激光投影机（位于美国盐湖城E&S总部）上实现了影片的生成，解决了变形。更进一步，我们还需要探寻出一种与数字放映环境无关的球面映射变形解决方法。 五．总结与展望 本研究是在承担敦煌大型Fulldome电影验证性课题过程中提出的，Fulldome数字制作在国内是首次，而且面对的是比国外挑战更大的文物、生物等题材，和更高的要求，同时也面临着国际标准尚待制定的机遇。在学术上、在大型影视娱乐应用前景上，本研究都有很高的价值，其中的关键问题和下一阶段的重点工作包括： 1.对于全三维制作的科教记录片和动画片，如何在绘制结果的真实程度达到影视级的前提下，提高三维绘制的实时效率，最终为数字电影创意制作人员开发出一个辅助进行交互创作的环境。 2.如何通过研究数据采集、三维数字化以及实时三维绘制的架构和方法，提高影片的输出分辨率，使其达到8000×8000象素以上。这个指标对应的像素夹角为1.5弧分，一旦满足该夹角，即可让观众在巨型Fulldome剧场（直径超过20m）中完全达到精确辨识的目标，从而使得文物、古生物题材的巨型Fulldome数字制作成为现实。同时，这个目标也将Fulldome的影片输出分辨率提高到国外现有水平（3160×3160）的2.5倍。 3.如何用计算机图形学中的小孔成像模型来有效模拟等距鱼眼（EquidistantFish-Eye）成像模型，从而得到象素分布均匀的等距鱼眼图像，并探寻一个与数字放映环境无关的球面映射变形解决方法。该方法的成功，将避免为不同标准的Fulldome放映环境花费的专门绘制时间，大大提高Fulldome制作对不断涌现的Fulldome剧场的适应性。