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1、1谈宇宙剧场的建设摘要：近年来，我国的科技馆事业面临着前所未有的发展机遇，宇宙剧场也已成为科技馆建设的重要部分。本文从宇宙剧场的建设实际出发，对宇宙剧场的功能、设备选择、建声设计、设备维护以及宇宙剧场建设中应注意的问题进行深入探讨，总结建设中经验，以期对各科技馆的宇宙剧场建设有所帮助。关键词：宇宙剧场 天象仪 穹幕电影 科普法颁布实施后，一系列有利于科技馆建设的政策、措施相继出台。2006 年 2 月 6 日，国务院在颁布的全民科学素质行动计划纲要（2006-2010-2020） 中，把科普基础设施工程列为全民科学素质行动计划的四大基础工程之一，并明确要求在十一五期间，各直辖市和省会城市、自治
2、区首府至少要拥有一座大中型科技馆。这些政策的实施，为我国科技馆事业带来了前所未有的发展机遇，一些新科技馆在国内各省市破土动工，原有的科技馆也在进行改建、扩建。在新一轮科技馆建设过程中，宇宙剧场成为各科技馆建设的重要部分。笔者参与了河北省科技馆宇宙剧场设备的前期调研、基础设施建设、设备的安装调试以及设备的后期维护，现结合实际工作，谈一些在宇宙剧场建设过程中的感受，希望对各馆宇宙剧场的建设有所帮助。1、宇宙剧场概况宇宙剧场（Cosmos Theater）又称太空剧场（Space Theater） ，是天文科普的重要设施。剧场内装有天象仪和穹幕电影放映机两套设备，银幕呈半球形，直径通常为 1530
3、米，倾斜角 1530。通过天象仪模拟星空和穹幕电影全天域电影的协调配合，使天象节目表现得寓意深刻，形象生动。再辅之以多种投影设备和多声道的立体声音响效果，给观者带来强烈的视觉、听觉冲击，并由此激发无尽的想象力，带来特殊的艺术享受。目前，宇宙剧场播放的节目主要包括宇宙探索、天体演化、物质结构及风光旅游类的内容。2、宇宙剧场设备选择随着科技的进步特别是计算机技术的飞速发展，宇宙剧场设备的各项性能也得到大幅度提高，给原本沉闷的天象节目表演赋予时代气息，特别是穹幕电影和天象仪的有机结合，为节目带来无限的活力。22.1 天象仪 人们通常把天象仪分为光学天象仪和数字天象仪两大类。其中，光学天象仪集光学、机
4、械、电于一体，通过精确的光学成像、精密的机械传动和电控设备来模拟自然星空和天体的运动。传统的哑铃式双球天象仪由两个球体组成，每个球分别投影半个天球的星空，太阳系投影器整合在哑铃型的设备上，例如北京天文馆光学厅的国产光学天象仪。另一种为单球式的光学天象仪，把太阳系投影器分离出来由计算机控制，从而使观察者能够脱离地球，漫步太阳系，例如河北省科技馆从日本引进的 GSS-VI 光学天象仪。数字天象仪则完全利用计算机图形处理技术和投影系统来产生星空，例如天津科技馆从美国益世引进的 Digistar数字天象仪。两种天象仪各有特色，光学天象仪模拟的星空异常逼真，可同观测条件良好自然星空相媲美，但在演示天体运
5、动方面受到一定的限制。同光学天象仪相比，数字天象仪的星空表演极具灵活性，几乎不受任何限制，并且天象节目可移植性强，不需改动即可在多个宇宙剧场播放，预示了天象仪的发展方向。但在模拟星空的亮度、分辨率等主要指标上，现有的数字天象仪与光学天象仪相比还存在很大的差距。目前，国际上知名的光学天象仪有德国蔡司 Universarium 系列、日本五藤光学研究所HELIOS、URANUS 系列和美能达 Infinium 系列，其中以德国蔡司的产品性能最好，售价也最高，大约 500 万美元，五藤和美能达产品的售价也在 200 万美元以上。数字天象仪以美国益世的 Digistar为代表，售价在 100 万美元左
6、右。2.2 穹幕电影机 穹幕电影是一种全天域的电影系统，70 mm 的胶片通过鱼眼镜头的扩展将图像覆盖在半球形的银幕上，为观众带来置身其中的绝对临场感。按照胶片的格式，穹幕电影放映机可分为以下几类：2.2.1 70mm 15 片孔格式：例如加拿大 IMAX 和美国 Ultra 公司产品。IMAX 是穹幕电影的最初开发者，使用 1520KW 氙灯，国外的大多宇宙剧场都在使用其产品，我国的上海科技馆、黑龙江科技馆的 IMAX 影院也使用IMAX 的设备。2.2.2 70mm 10 片孔格式：例如日本五藤光学的 ASTROVISION 系列产品，使用 6.5 KW 氙灯。中国科技馆穹幕影院和河北科技
7、馆宇宙剧场均采用了五藤公司此系列产品。2.2.3. 70mm 8 片孔格式：例如日本美能达 870 系列，使用 12 KW 氙灯，3天津科技馆引进了该公司产品。国内厂家（例如广东珠江影视设备有限公司（原广东电影机械厂） ）开发的 700mm 8 片孔的穹幕电影放映机在画面稳定度和清晰度方面也已达到技术要求，在价格上具有很大的优势。近几年来，国内的 70mm 影院得到快速发展，天津科技馆、沈阳科学宫、合肥科技馆等单位由于相同的胶片格式和共同的影片需求，联合成立了“穹幕影院 870 协作组” ，以期以较低的价格共同租用、拍摄 70mm 影片。2.3 视频投影设备为配合天象节目表演，天象仪还配备了多
8、种投影设备，这些附属设备大多以幻灯机为主，例如北京天文馆的光学天象厅和河北科技馆宇宙剧场，都配备了 8 台以上的幻灯机和各种投影设备。近两年，视频投影技术逐渐在新建的宇宙剧场应用。利用视频投影拼接技术，取代大量附属投影设施，为天象节目带来了动态画面，极大地丰富天象节目内容和表现形式。视频投影拼接技术以计算机多媒体技术为基础，计算机技术的飞速发展为视频投影拼接应用带来无限的前景。利用计算机强大的图形处理能力和最新的多媒体天文数据库，通过视频投影拼接，即可实现全天域的投影，为观者带来天象仪和穹幕电影协调配合般的艺术感受。虽然投影的星空还达不到光学天象仪的水平，但其灵活的演示方法、准确的空间定位、实
9、时的虚拟宇宙漫游使得该技术备受推崇。在我国，北京天文馆的 SGI 数字宇宙剧场首先采用了该技术，它也是世界上第一个全天域激光投影（ADLIP（All-dome laser Image Projection） ）的剧场。所有的图像，包括星空的表演，都是由计算机计算生成，通过 6 束激光投影出来。2006 年 9 月，笔者参加了香港电讯盈科和美国 Sky-Skan 公司在北京天文馆举办的技术展示会，考察了其 8 通道 2 SXRD 全天域数字宇宙剧场系统。该系统由 2 台配备 Sky-Skan 独有的 definiti HD 镜头的索尼 SXRD 投影机和 8 通道 Sky-Skan 系统（包括
10、DigitalSky 2 全天軟件、Digital Universe配置、SPICE 自动系统、控制台和其它硬件）组成，模拟星空的效果虽不及光学天象仪逼真，但已可为一些非天文专业的场馆接受，而其灵活的表现方式、丰富的天象节目、相对低廉的价格赢得了与会者的一致好评。在天象节目的演示中，天象仪、穹幕电影和视频投影各有特色，一些新建的科技馆、天文馆，正在考虑将光学天象仪的星空背景、穹幕电影的全天域放4影和视频投影灵活的表现结合起来，充分发挥各设备功能，构建世界一流的数字宇宙剧场。3、宇宙剧场建设在确定天象仪等设备后，即可根据所选设备进行宇宙剧场的基础设施建设，在建设过程中，通常需要作如下的考虑。3.
11、1 宇宙剧场的建筑形式宇宙剧场半球形的银幕使剧场的外观有别于其它建筑物，精心的设计、施工能使其成为城市中一道亮丽的风景。但在宇宙剧场的建设过程中，不应过分强调建筑形式的“造型新颖” 、 “标志性建筑” ，因为独特的外观往往意味着数倍于一般建筑的工程造价和工期，同时也会对宇宙剧场的使用带来极大的影响，诸如噪音大、空间浪费、不利于使用等问题。国内外的宇宙剧场和穹幕影院的建筑外观大多呈球形，加之天象仪等设备又必须安放在最理想的位置才能满足播放需求，这又对球型建筑的内部使用功能提出了严格要求。笔者认为，在宇宙剧场的建设过程中，应充分考虑到剧场的使用功能，特别是在建筑外观和使用功能发生冲突时，应首先满足
12、使用的要求，以保证宇宙剧场的节目播放的最佳效果。3.2 宇宙剧场的消防安全作为科学普及和实施全民素质行动计划的公益性的设施，科技馆更应将观众的安全放在首位，消防设计必须符合我国规范的要求。宇宙剧场的设计也应严格按照国家规范进行，要充分考虑结构阻燃、烟雾检测、自动喷淋、火灾监测和报警等系统。但由于宇宙剧场建筑的特殊性和放映设备的高价值，往往会出现个别部位不能完全满足规范要求的情况。例如：建筑设计防火规范（GB516-87） 、 自动喷水灭火系统设计规范（GB50261-96） 都对剧场的自动喷淋提出了具体要求，在宇宙剧场的走廊、观众休息室，这些规范都可以满足，但在观众厅中却难以实现。一是半球形的
13、银幕上根本无法安装相应的消防器材，二是即使在银幕外侧设法安装了喷淋装置，一次误报就足以给安装在观众厅中央、价值千万的天象仪设备带来致命的损害。对于这些未能完全满足规范的部分，需要借鉴国外相应规范，并与相关单位、专家探讨解决的最佳方案，例如5将观众厅中所用的材料全部设计为阻燃材料，加装远红外对射系统和红外监控设备，来达到消防安全的要求。3.3 宇宙剧场的建声设计宇宙剧场的音响效果与建筑的声学特性有着密切的关系，要使音响系统发挥最佳的性能，就必须对剧场进行建声设计。严格地说，建声设计应在剧场的基础设施建设之前进行，但目前大多宇宙剧场音响系统的施工往往是在完成建筑施工后，所以剧场的建声测试、建声设计
14、显得尤为重要。宇宙剧场的建声设计主要包括“噪声控制”和“音质设计”两部分。噪声主要来源于空调系统和外界干扰，通过加装消声、减震器和隔音设施，这些噪声都可以得到有效控制。音质设计主要是声音的扩散、反射和吸声的设计与处理，音质的优劣用混响时间及其频率特性表示。适当的混响时间可使乐音丰满、语音饱满，过短会使声音枯燥发干，过长时声音会显得混淆不清。一般地说，宇宙剧场的混响时间在 1.21.5 秒之间比较合适。对于一个确定的宇宙剧场，混响时间主要取决于吸声处理，目前常用的吸声材料是地毯、丝绒和穿孔板。剧场的建声测试、设计必须请有资质的单位实施，然后依据预期音响指标进行吸声处理和音响系统的施工，使剧场的音
15、效达到最佳。3.4 宇宙剧场的防水处理对于外观呈球形的宇宙剧场而言，防水处理必不可少。剧场渗水不仅影响观众的参观，也关系到剧场内天象仪设备的安全。由于是异型建筑，增加了防水处理的施工难度。因为外壳材料的热胀冷缩和密封材料的使用期限都可能导致剧场内出现漏水现象，所以在设计、施工中必须在外壳和银幕之间增加防水措施。根据宇宙剧场和穹幕影院建设的经验，采用外堵和内疏相结合的方法，能有效防止漏水现象的出现。在外壳施工过程中严把质量关，防止水的渗入；在球壳内设置集水槽，即可将非人为因素造成的渗水收集后通过管道导出。值得注意的是，由于水的粘滞作用，在球体赤道以下也可能出现渗水现象，这一点在设计中有时会被忽略
16、。如果象上海科技馆的 IMAX 影院、北京天文馆的SGI 数字宇宙剧场那样，在设计过程中将宇宙剧场、穹幕影院设在建筑物内部，就没必要再顾虑剧场的防水问题了。64、宇宙剧场内部环境宇宙剧场的天象仪设备采用了大量的集成电路和电子设备，除了在防尘方面的严格要求外，对剧场内温度和湿度也有一定的要求。在温度低、相对湿度大时，集成电路等电子元件会受到一定程度的损害，所以，要保证设备工作时的温度要不低于 10和适当的湿度。穹幕电影胶片在环境温度 1923、相对湿度 4555 的环境中存放时，才能免受损害，从而保证胶片的质量，延长使用年限。值得注意的是，普通的家用加湿器在加湿过程中会出现水雾，不利于胶片的维护，必须采用专业的设备，例如高精密的恒温恒湿空调器或专用的加湿设备。穹幕电影放映设备的散热问题在建设过程中也需认真考虑。节目播放过程中氙灯散发的热量会使放映室温度迅速上升，如果热量不能及时排出，氙灯会因为温度过高而自保护性熄灭，导致节目播放中断。如果设计了专有的通道，就可以将热量排出剧场，既解决
