本文刊发于《现代电影技术》2024年第11期
作 者 简 介
欧阳玥
中广电融合（北京）科技有限公司高级工程师，主要研究方向：电影工艺、沉浸式音视频技术。
中广电广播电影电视设计研究院有限公司助理工程师，主要研究方向：影视制作、影像空间造型。
刘伊晗
邢志鹏
中广电数智（北京）影视科技有限公司技术员，主要研究方向：电影与媒体、音响工程。
摘要
近年来，沉浸式球幕影院通过多维度的沉浸式技术营造出的全场景沉浸感，深受观众喜欢和追捧，成为新型观演空间的代表。本文以美国拉斯维加斯Sphere为例，通过分析其外球显示系统、内球显示系统、舞台灯光与机械、扩声系统、动感座椅、沉浸式内容等方面的技术特点，全面介绍沉浸式技术在Sphere中的应用，深入研究Sphere在营造沉浸感方面的成果亮点，并对沉浸式球幕影院技术的发展进行思考与展望。
关键词
球幕影院；全场景沉浸感；观演空间；LED球幕；沉浸式音频
1引言
2023年9月29日，坐落于美国内华达州拉斯维加斯的“网红球”Sphere迎来了首秀。其占地面积近20,000 m2，高112 m，最宽处约157 m，超过了瑞典斯德哥尔摩Avicii体育馆（原爱立信球形体育馆），成为世界上最大的球形建筑。Sphere以巨大的球体结构和内外LED屏幕相结合的方式成为了全球瞩目的国际化地标性建筑。
巨型球体结构应用于建筑设计可追溯至18世纪中叶，法国建筑师艾蒂安·路易·布雷曾设想出由直径152 m巨型球体构成的牛顿纪念堂，以纯粹的几何形体理念为建筑外观赋予宏大震撼的艺术美感。遗憾的是，过于前卫的设计受限于当时的建筑技术，牛顿纪念堂只停留在概念和草图阶段，最终没有落成，但其作为先驱对后续的球形建筑影响深远。
20世纪70年代前后，以IMAX胶片放映为代表的球幕影院（也称“穹幕影院”）逐渐兴起，其凭借特有的观演方式、出众的裸眼3D效果、环绕声音频以及动感座椅、喷雾、风机等独特的沉浸式技术吸引了诸多观众[1,2]。在科普领域，各地建设的天文馆、科技馆都将球幕影院作为标配，而在一些文旅景区，球幕影院及其变体——飞行影院，更是炙手可热的沉浸式体验项目。
球幕影院是一种自带沉浸感的呈现方式，在球幕中观众看到的画面水平方向一般可达165°～180°，垂直方向一般可达125°～135°[3]。而人的水平视域范围一旦超过150°，就会产生身临其境的错觉，因此，球幕影院的沉浸效果非常强烈，并可脱离立体眼镜或头戴设备，产生立体视觉[4,5]。因此，沉浸感一直是球幕影院吸引人的最大亮点。而今，球幕影院的建设方也越来越重视沉浸感的营造，使用各种沉浸式技术和产品，如超8K视频、3D音响（沉浸式音频系统）、激光秀、动感座椅等[6]，使球幕影院对观众的吸引力越来越大。本文将通过分析Sphere的技术特点，全面介绍沉浸式技术在Sphere中的应用。
2全场景沉浸感的技术实现
Sphere是一个巨大的球幕影院，拥有内外两个LED屏幕及宽敞开阔的内部多场景应用空间，含地下共计9层空间；设有17,600个座位，2400余个观赏站位和23间VIP套房；可用于举行音乐会、演唱会、颁奖仪式、发布会等活动及电影放映。作为一个超大型沉浸式球形观演综合体，其独特的空间优势在该场地首场大型演出“U2: UV Achtung Baby Live at Sphere”中得以充分彰显，U2乐队的现场演唱，万花筒式图像拼贴、全景滚动式符号等视觉艺术构成的背景画面互相交织，共同营造出极具沉浸感的视听盛宴。除演出外，自然纪录片《来自地球的明信片》也在Sphere放映，沉浸式科幻叙事的方式与沉浸式银幕相得益彰，让观众体验到更佳的全场景沉浸感。本章将从外球显示系统、内球显示系统、舞台灯光与机械、扩声系统、动感座椅、沉浸式内容等方面，分析Sphere营造全场景沉浸感的技术方案。
2.1 外球显示系统
Sphere的外球屏幕面积54,000 m2，超过3个足球场，是目前世界上最大的LED屏幕。屏幕由48个独立LED模组，以三组同心圆样式构成一个圆盘形基础像素组件，再由120万个圆盘像素组件以间距20 cm组成整个外球屏幕，排布在由八层三角形面板组成的球形框架最外层（图1）。
图1 Sphere外球结构（上）与显示组件（下）
为了建造外部球形框架，施工团队在场馆中央组装了一座86 m高的临时支撑塔，然后将154吨重的压缩环放置于顶部，32个钢桁架与之相连，构建起复杂的支撑结构，使其巨型LED屏幕稳定地安置其上[7]。外球的整体亮度超过4000 nits，超高分辨率与亮度使Sphere在画面清晰度、锐度细节及层次感上表现出众，即使在日光条件下也能进行清晰的画面展示，配合多样化定制内容以呈现震撼的视觉效果。
2.2 内球显示系统
Sphere内球屏幕面积约15,000 m2，是常规IMAX银幕的40余倍，采用定制LED产品构成了分辨率为19,000 × 13,500的内球LED屏幕。LED灯珠以9 ~ 10 mm间隔排布在条形格栅上（图2），格栅间缝隙使整个屏幕达到25%的开孔率。
图2 Sphere内球结构（左）与LED屏幕（右）
LED屏幕组成的内球穹顶通过一座重约730吨的圆拱形钢结构进行支撑，结构高度距场馆地面73 m以上，并持续延伸至观众座席区的后侧。这样的拱形结构使整个球体内部没有承重柱遮挡视线，极高分辨率的球形屏幕也使观众视野不仅局限于舞台区域，不论身处何处都能拥有来自四面八方的全景视野，带给观众沉浸式的视觉效果。
2.3 舞台灯光与机械
常规用于放映的球幕影院一般不配备舞台和灯光系统，但由于Sphere不仅是球幕影院，更是一个多功能的观演综合体，因此承接现场演出时需搭建舞台和灯光系统。本文以2023年9月“U2: UV Achtung Baby Live at Sphere”演出为例，说明其舞台灯光与机械的技术架构。演出现场巨大的球形屏幕结合创造性的主舞台及灯光效果，给现场观众带来极大的视听震撼。
这场演出的背后涉及大量的设计工作与精细的机械组装工作。实体舞台由我国LED制造商打造，造型以环境音乐大师Brian Eno的唱片机作品为蓝本，上层为直径10 m的圆形屏，下层为14 m × 14 m正方形屏幕，共同组成了一体化舞台。其中，模仿“唱片”样式的圆形屏作为创意舞台的重要组成部分，由268个常规屏箱体、32个创意屏和56个异形屏组成。为确保圆形切割边的完美弧度，舞台所使用的每一块异形屏均为单独开模，同时，设计团队专门设计了异形地砖支架以便与常规屏进行快速拼装。由于舞台采用了较多异形屏，因此团队通过对点胶、丝印、贴片等工艺进行数百次改进，保证了地砖架的定位、与常规屏幕箱体连接精度和整装平整度。通过多次工厂预搭建与优化，最终实现88块异形屏与268块常规屏的显示一致性，确保了与下层正方形立体屏的“同画面”显示效果，从而呈现出符合导演意图的完整舞美效果[8]。
2.4 扩声系统
在Sphere巨大的球形空间内实现沉浸震撼的高质量声音体验是一项充满创新与挑战的任务，利用波束成形（Beamforming）和波场合成（Wave Field Synthesis）这两项前沿技术，设计团队为此定制开发了一套沉浸式音频系统Sphere Immersive Sound。该系统将不同的声音精准覆盖到任一区域，让Sphere内的每位观众都能听到清晰真切的声音。
Sphere Immersive Sound沉浸式音频系统由1600个固定安装、300个可移动矩形阵列扬声器组成，每个扬声器含100个高、中、低音单元，分别布置在不同层；整套还音系统总计配备167,000个扬声器、放大器和信号处理通道。
该套还音系统隐藏在球内巨大的LED屏幕之后，通过算法对传输损失进行有效补偿，产生清晰的全频段声音。利用波束成形使音频声场可聚焦于一小片区域的观众，利用波场合成使远距离的声源也能达到声音近在咫尺的效果。通过这些技术，还可实现特定区域的观众单独播放不同语言或不同内容的音轨，为有多语种收听需求的观众提供了方便，同时也对未来大型场馆音频的传输和呈现方式进行了全新尝试。
2.5 动感座椅
在震撼的视听感受之外，Sphere还将沉浸式体验拓展至触觉与嗅觉层面，将现场10,000余个动感座椅的体感系统与次低频换能系统集成在一起，利用触觉反馈为现场观众提供更临场的身体体验。利用动感座椅中的可动磁铁组件，通过超低频音频信号触发，让座椅根据每场演出的需要振动和摇晃[9]，并根据内容的需要产生风、控制温度甚至提供气味效果。由此可见，动感座椅为Sphere的观众带来集触觉、嗅觉为一体的立体化全方位感官体验。
2.6 沉浸式内容
除了技术系统和设备设施，Sphere呈现出的震撼、沉浸视听效果还离不开沉浸式内容的制作，球体屏幕的超高分辨率使这项工作充满了挑战。
Sphere的内球分辨率高达16K，CG制作所需的渲染算力不容小觑且相当耗时。以Sphere内举办的首场大型演出为例，呈现内容由23台合计储存空间高达690 TB的媒体服务器掌控，并配备100 Gbps带宽网络用于文件传输和媒体管理，以此为基础构建了支持播放16K、60 FPS视频，并能以极高的分辨率运行实时渲染Notch引擎的强大系统。为方便预演及测试，创意团队借助Sphere舞台的3D数字孪生模型实现了效果预览，并在演出当天将16K的视频内容分割并分发至23台媒体服务器。除了按照既定节目单播放，还可通过技术手段让视觉画面随着演出的进展情况和现场即兴表演进行即时调整。此外，还可在演出期间从拍摄乐队的摄影机中获取实时素材，然后将乐队成员的面孔合成至漂浮在Sphere 屏幕四周的图形气泡[10]，进行演出过程中实时内容的合成。
除CG制作外，实拍部分使用常规的拍摄手法也难以达到16K分辨率的要求。因此，工作室Sphere Studios为满足超高清内容呈现需求，研发了一款名为“Big Sky”的全新电影摄影机系统，该系统配备31,600万像素、77.5 mm × 75.6 mm定制HDR图像传感器，可匹配Sphere内部屏幕16K×16K显示所需的光学要求[11]。创作团队仅通过该系统就可捕捉到高清晰度的大尺寸画面，而在此之前，制作团队需要10 ~ 15台电影摄影机组成大型摄影机拍摄矩阵，才能为Sphere的超高分辨率球幕拍摄画面。
除了摄影机，与之相关的视频信号传输也极具挑战。导演达伦·阿伦诺夫斯基（Darren Aronofsky）为Sphere创作的带有科幻色彩的自然纪录片《来自地球的明信片》，正是用“Big Sky”系统拍摄制作。这部全长50分钟的影片占用空间约0.5 PB [12]。在拍摄过程中，该系统每秒输出约30 ~ 32 GB、60 FPS的画面素材，且由于涉及散热、噪音、设备重量等因素，该系统需要12名工作人员调试、运行[13]。因此，该工作室研发了一套名为“Sphere Lab”的图像处理软件，用于将未压缩的每秒30 GB、60 FPS或50 GB、120 FPS原始素材，传输至其定制的32 TB媒体存储介质[14]。
3亮点分析与比较
3.1 超大球幕的建设
Sphere的第一个亮点是建筑规模极大。整个球体高112 m，打破了球形建筑的高度纪录，容纳人数多达20,000人。Sphere 2019年开工建设， 2022年5月落成，同年7月球体馆外立面点亮，并于2023年9月29日正式开幕，整个过程历时4年。建造如此巨大的异型建筑难度极高，包括整体规划、建筑设计、结构设计、消防安全、施工技术等方面都有诸多难点，其超大球幕的建设过程本身就是亮点之一。
反观国内，常见的球幕影院尺寸，例如各地天文馆、科技馆，直径多在20 m～30 m间，这在一定程度上限制了剧场（剧院）等观演场所的高度和容纳人数。根据JGJ 57—2000《剧场建筑设计规范》，国内剧场建筑的舞台净高一般不超过30 m，对应的观众厅座位数为1600 ~ 1800个。同时，根据GB 50016—2006《建筑设计防火规范》规定，剧场（剧院）属于公共娱乐场所、人员密集场所，且设计使用人数或座位数超过1500人（座）的剧场（剧院）等人员密集的公共室内场所属于重要公共建筑。因此，对超过1500个座位的电影院、剧场，超过2000个座位的会堂、礼堂，超过3000个座位的体育馆及超过5000个座位的体育场，在安全疏散和消防设施方面都有更高要求。此外，还应考虑市政规划景观限高等要求。由此可见，在现行政策下很难在国内建设Sphere这样的超大球幕影院。
3.2 透声LED屏幕在球幕里的应用
Sphere的第二个亮点是透声LED屏幕的使用。当前，绝大多数球幕影院仍采用数字光处理DLP（Digital Light Processing）技术进行放映[15]。为呈现巨大的画面，常见的球幕影院通常使用单台投影加鱼眼镜头或多台投影拼接融合的技术方案，但会存在投影在球面产生光干扰，导致亮度和对比度降低的问题，长此以往还会出现亮度衰减、拼接带偏移的情况，3D显示模式下，画质的体验劣化现象会更加明显。而LED屏幕的高亮度、高对比度、广色域等特性，能够很好地解决球幕中的画质问题。
由于在球形空间中特别容易产生声聚焦、回声、声场不均匀等问题，使用LED屏幕就相当于增加了大面积的硬质反射面，很容易形成声反射，甚至产生严重的声聚焦现象。因此在球幕影院中使用透声LED产品能够获得更佳的声音效果。通常球幕影院银幕后墙的空间均会进行吸声处理，投影幕需选择合适的穿孔率，以保证银幕后墙的吸声材质能够有效发挥作用。如果使用的LED屏幕不透声，会导致声音无法到达后墙的吸声层就被反射回观众厅，造成反射声过多，混响时间过长，声音不够清晰，甚至形成声聚焦。而透声LED可让声音穿过孔洞或格栅到达吸声层，从而避免过多的声反射。同时由于LED屏幕透声，音箱的安装位置受限这一弊端也迎刃而解。
不同于国内厂家的圆形穿孔方式，此次Sphere大面积的透声LED屏幕采用了条形开孔（图2）。由于Sphere球的直径大，观看距离远，点间距较大，采用条形开孔的镂空面积无疑比圆形开孔更大，透声率更高，较好地避免了在超大球幕中的声聚焦问题。在兼顾视觉清晰度的前提下，Sphere的条形开孔LED透声方案给行业提供了新思路。
3.3 定向发声技术在球幕中的应用
传统环绕声技术只有较小范围的“甜点”，即最佳听音区域，无法实现在Sphere超大空间里覆盖近两万名观众。Sphere使用基于对象的沉浸式音频技术，可在一定程度上解决此问题，这也是其第三个技术亮点。然而，沉浸式音频系统的声道数量多，扬声器布置较为复杂，且在如此大空间中实现声场均匀覆盖是难点所在。为此，Sphere采用波束成形和波场合成技术，使用近2000个HOLOPLOT X1扬声器，让多通道声音信号定向覆盖每个区域，让每个方位的观众都享受到沉浸式声音，基本实现了声场的均匀覆盖。
此外，该方案还考虑了分区扩声，可实现让不同区域的观众听到不同的声音，以满足多语种演出和节目收听需求。相比过去只能通过同传耳机来实现类似功能，使用扬声器定向发声技术实现分区覆盖，就很好地解决了该问题。
3.4 外球与内球的结合
Sphere的第四个亮点是将外球与内球完美地结合在一起，实现了建筑地标和观演建筑的双重功能。运营方利用外球屏播放视频，如蔚蓝的地球、旋转的篮球、跳动的眼球等，这种标新立异的广告展示方式确实让人眼前一亮，所以微软不惜重金买下部分广告时段，宣传《星空》《地狱之刃2》《极限竞速》《赛博朋克2077》等游戏大作。而它的内球作为全球最大的观演建筑，可举办演唱会、音乐会、影片放映、颁奖典礼、发布会、体育赛事等多种形式的文艺演出和商业活动，成为炙手可热的观演场所。因此，Sphere实现了外球与内球的完美结合，也实现了两种应用场景的完美融合。反观全球其他项目，能兼顾这两种使用功能的屈指可数。
4沉浸式球幕影院技术发展思考
4.1 视频放映技术
正如前文所述，球幕影院与飞行影院是国内外科技馆、天文馆以及文旅场所的重要设施，其内容放映方式主要分为多投影机拼接、LED球幕以及IMAX数字球幕[6]。通过调研，本文统计了国内外具有代表性、直径20 m以上的大型球幕影院，其简要信息见表1。
表1 国内外大型球幕影院简要信息表(不完全统计)
如表1所示，国内外直径超过20 m的球幕影院的视频放映系统中超60%采用多台投影拼接方式，约10%采用IMAX球幕放映方式，超20%的大型球幕影院选择透声LED球幕呈现方式。IMAX球幕属于单台投影+鱼眼镜头方式，数字球幕主要基于原有IMAX胶片放映机的数字化改造[6]，总体而言均属于老一代球幕技术。目前主流的多投影机拼接融合技术，通过多台投影拼接解决了大面积投影亮度不足的问题，克服了鱼眼镜头边缘羽化、清晰度不足的弊端，技术发展逐渐成熟，得到了广泛应用。而LED球幕是近几年开发的新技术，运用发光二极管（LED）模组组成球型穹幕，属于主动发光呈现方式，其亮度、清晰度、对比度等各项技术指标领先，但资金投入较大，推广有一定难度。不过，从目前的发展情况来看，选择透声LED球幕的建设方数量呈上升趋势。
4.2 沉浸式音频技术
2022年4月，笔者在《沉浸式球幕影院中沉浸声系统的应用》[16]一文中探讨了沉浸式音频技术的发展。近年来，沉浸式音频技术在广播电视和网络视听领域应用较为广泛。特别是2023年，我国推出了完全自主的沉浸式音频技术三维菁彩声（Audio Vivid），颁布了广电行业三维声编解码和渲染标准[17]，在春晚、奥运会等多个大型节目中进行了应用，并在网络视听端（央视频、咪咕等App平台）和车载端进行了成功部署，获得了广泛认可。后续国产沉浸式音频技术有望在剧场、影院这类大空间中实现广泛应用，也可考虑在球幕影院等沉浸式场馆进行应用测试。
此外，Spere声音系统对HOLOPLOT定向发声技术的应用，很好解决了扩声声道间相互干扰及多个观众区声场覆盖不均匀问题，这为在超大空间里针对不同观众区的沉浸式扩声创造了可能性，或将成为另一个发展趋势。
4.3 内容制作技术
长期以来，因球幕影片的分辨率需达到8K甚至更高，根据国内外相关标准，还需支持高帧率 (HFR) 、 广色域 (WCG) 等技术指标[18,19]，这导致球幕影片无论是实拍还是CG制作成本均很高，因此适配球幕影院的内容普遍不足。
尽管我国球幕影院建造量逐年增加，超大型球幕影院数量已与美国基本一致，但观众量和人气略低一筹。除了影院本身功能单一外，球幕影片内容不足、租用成本高以及节目不通用是主要原因。据相关统计，我国科技博物馆球幕电影中实时类节目的播放占比为4%，缺乏高端影片服务器支持，同时约75% 的特种影院影片更新频率为1 年1次，约12%的影院几年才更新一部影片[20]。沉浸式球幕内容，特别是实拍内容极为稀缺。传统鱼眼镜头拍摄的球幕影片，其边缘存在严重的畸变现象，出现明显的弯曲和拉伸。而多机组合的拍摄方式对硬件和拍摄人员的经验要求极高，因此并不常用。由此可见，在沉浸式球幕影院的内容制作方面，我国仍然面临来自软硬件研发、内容开发、制作成本等方面的巨大挑战。
5总结与展望
尽管面临诸多问题，沉浸式球幕影院的建设以及新兴技术的应用已在以Sphere为代表的沉浸式球幕影院中得以成功实践与蓬勃发展。
首先是LED球形屏幕的应用。值得一提的是，Sphere球体内部屏幕所使用的显示驱动和控制芯片，主舞台上层圆形屏和下层方形立体屏的建造，以及球体外部屏的控制系统搭建，都汇集了众多优秀中国企业的力量。但遗憾的是，Sphere的LED球幕不是由中国企业制造提供的。事实上，中国LED球形屏已在多个国外项目中成功落地应用。例如，深圳洲明公司在沙特阿拉伯Riyadh Season 2022的项目中，建造了一座直径35 m的LED球形屏；南京洛普公司在日本名古屋和横滨的天文馆及美国盐湖城 Cosm体验中心打造了8K透声LED球形屏。可以肯定的是，Sphere的成功会大幅推进LED在沉浸式球幕影院中的应用，特别是透声LED屏幕的应用将会成为全球的风向标。2024年5月以来，中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）与深圳洲明公司联合研发的全球首款LED透声电影屏、南京洛普公司研制的20米LED透声电影屏等国产LED透声电影屏相继通过DCI检测认证，是国产LED透声电影屏的一项重要技术突破。若我国LED屏生产企业顺势抓住此机遇，并不断对LED透声屏进行创新和优化，将会在更多的沉浸式项目中看到中国LED透声屏。
其次是沉浸式音频系统的应用。虽然国内的球幕影院数量不少，但仅有少数影院应用了沉浸式音频系统，且声道的数量和扬声器布局并没有统一标准[16]。沉浸式音频系统在Sphere的成功应用，以及定向发声和波场合成技术的加持，给沉浸式音频系统在球幕影院的应用树立了行业标杆，让球幕影院的建设方和运营方认识到声音沉浸感是塑造沉浸式影院的重要指标。相信随着我国沉浸式音频相关标准的制定与发布，沉浸式音频的需求将会迎来爆发式增长，吸引更多企业研发相关软硬件产品，如沉浸式音频渲染引擎、定向发声扬声器等，从而带动我国音频产业的高质量发展。
再次是沉浸式球幕内容的实拍。Sphere Studios研发的16K×16K电影摄影机系统“Big Sky”，用单台摄影机就能拍摄到高清晰度画面，避免了多机拍摄的近距离拍摄限制、图像间拼接处理和后期制作等难点[21]，为沉浸式内容的拍摄提供了新思路。但“Big Sky”系统问世至今还未对外销售，且几百万的预估价格让人望而却步。我们迫切希望国内摄影机厂商能针对这一高端领域研发出方便好用、经济实惠的高分辨率摄影机系统。
综上所述，笔者对沉浸式球幕影院的发展持乐观积极态度，相信在可预见的未来，随着全场景沉浸相关技术的不断发展，相适配的高质量内容不断产出，国内必定会涌现更多优秀案例，进而吸引全球观众感受沉浸视听的魅力。未来必然有更多优秀的中国企业能够乘着全球化和“一带一路”的东风，向全世界展示中国科技的智慧和力量。
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（向下滑动阅读）
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【本文项目信息】2022年度广播电视和网络视听中长期科技计划“沉浸式超高清视频移动拍摄制作关键技术研究与应用示范”（2022AC0100）。
主管单位：国家电影局
主办单位：电影技术质量检测所
标准国际刊号：ISSN 1673-3215
国内统一刊号：CN 11-5336/TB
投稿系统：ampt.crifst.ac.cn
官方网站：www.crifst.ac.cn
期刊发行：010-63245081
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