北京天文館天象廳播放系統升級改造探討

萬米洋，李艷濤，張政和，李 淼

（北京天文館，北京 100044）

0 引言

北京天文館天象廳是我國最早建成的天象廳，也是目前世界上最好的球幕劇場之一，擁有最先進的天象設備以及最精彩的球幕天象節目。作為我國大陸地區最大的地平式天象廳，球幕內部直徑達到了23 m，能容納400 名觀眾同時觀看影片。隨著國家對天文教育的重視程度日益提高，每年有大量慕名來到北京天文館的觀眾，天象廳擔負著重要的科普傳播工作，每年播放球幕科普節目1300 余場，接待觀眾達40 萬人次，是北京天文館最重要的科普教育陣地。因此保障天象廳播放系統的正常運行，提升播放效果，擴展展示內容，將有助于更好的展現眾多優秀的球幕天象節目，豐富、充實天文特色科普教育活動，讓觀眾能夠更為直觀的領略天文知識的魅力，不斷培養和提升公眾對于天文學的興趣和愛好，滿足公眾多樣化的科普需求，從而提升社會整體的科學素養。

1 項目開展的必要性

北京天文館是國家一級博物館，國家4A 級旅游景區，天象廳作為北京天文館最重要的天文科普陣地，是北京天文館的一面旗幟。但目前播放系統老化，演示效果不佳，無法呈現高質量的節目效果，不能開展多樣的科普活動，因此對天象廳播放系統的升級改造顯得尤為迫切。

1.1 天象廳現有播放系統性能提升的需要

目前，天象廳現有播放系統運行已有5 年多的時間。在日常的維修維護中，發現服務器的各部分已逐漸老化，故障率不斷上升，各播放節點卡頓，播放效果不佳，不能帶給游客身臨其境的星空體驗，也無法展現數字星空，嚴重影響了科普陣地的開放工作。

1.2 天象廳面向觀眾科普傳播力的需要

天象廳的定位是北京天文館的核心劇場，同時作為本館最大的劇場，可容納觀眾數量最多，科普傳播力度大，社會影響面廣。2018 年天象廳全年開放場次1261 場，科普人數達314 723人次；2019 年全年開放場次1356 場，科普人數達353 014 人次。即使在2020 年受疫情影響，天象廳嚴格按照防疫要求，仍開放618 場，科普人數達125 917 人次。

2 天象廳播放系統升級改造擬開展工作

北京天文館天象廳播放系統升級改造工作需要從以下4 個方面展開，即現有系統分析、需求分析、可行性分析、制定實施方案。同時，該順序也是本次改造的技術路線，如圖1 所示。

圖1 天象廳播放系統升級改造技術路線

2.1 現有系統分析

天象廳現有兩套播放系統，一主一備，分別于2015 年和2017 年投入運行，使用時間較長，設備均出現了嚴重老化現象，整體性能急劇下降。

（1）主系統：主控服務器老化，運行卡頓，同步性欠佳；服務器節點冗雜，出現問題后，故障點判斷困難；顯卡、同步卡、電源等主要部件老化，時常損壞。

（2）備用系統：融合效果不佳，融合帶在亮場環境顯示突兀；分辨率為4096×2160，無法滿足最新球幕節目對清晰度的要求。

經過綜合性能評估分析，兩套播放系統已無法達到天象廳的播放標準，為了提升觀眾的科普體驗感受，讓觀眾享受到沉浸式球幕影院的視覺效果，也為了提升播放系統的運行穩定性，擴展使用功能，擬對北京天文館天象廳播放系統進行升級改造。

2.2 需求分析

針對現有系統存在的問題，提出以下需求：①減少服務器節點，一臺投影機對應一臺服務器或6 臺投影機對應一臺服務器，提升系統穩定性，減少運行的突發情況；②提升融合效果，徹底解決球幕融合問題，實現白場或純色狀態下沒有融合帶，畫面不變形；③實現高碼流、高分辨球幕節目播放功能，視頻碼流提升到300 兆，視頻分辨率支持到8 K，幀率不低于60幀；④保證視頻播放的基礎之上，升級應用需求，實現數字天象功能。

2.3 可行性分析

經過前期的市場調研，與多家廠商的現場勘查，對比各種播放系統的效果提升方案，論證得出該項目具備可實施條件，計劃由具有大型球幕劇場搭建經驗的系統集成商來完成。所有涉及的硬件、軟件都將通過相關的認證、測試，并能夠保障與現有投影機的兼容性。項目的執行人及實施人員均具有中級工程師及以上職稱，同時還有著豐富的劇場改造及設備維修經驗。因此，項目的實施有著充分的可行性。

2.4 制定實施方案

通過對市場調研和實際需求分析，擬對天象廳播放系統的主控服務器、數字圖形服務器及數字天象軟件進行升級改造，實施方案如下：

（1）完成主控及圖形服務器各零部件的選型。

（2）老舊、損壞設備的拆除及新服務器硬件安裝上架。

（3）對傳輸設備、傳輸線纜檢查，確保線路完好并完成與新設備連接，完成整個系統硬件設備的替換工作。

（4）完成新服務器上數字天象系統軟件及配套軟件的安裝激活。

（5）修改、更新系統模型數據庫，完成6 臺投影機畫面在球幕上的拼接融合。

（6）球幕畫面網格矯正。

（7）根據融合軟件參數，安裝調試新的投影機遮光罩。

（8）與音響系統對接調試，確保正常工作。

（9）影院設備控制功能調試，增加無線控制設備。

（10）系統整體聯調及問題解決。

（11）利用節假日旺季，對系統高負荷運轉，測試其穩定性。

（12）對系統狀況進行留檔、記錄，便于日后維護進行比對、診斷。

此外，還將對整套設備使用的控制顯示器、機架顯示器、數據線、交換機等進行檢修更換，以確保設備正常穩定運行。播放系統預期實物拓撲圖如圖2 所示。

圖2 播放系統預期實物拓撲圖

3 天象廳播放系統升級改造預期目標

通過天象廳播放系統升級改造項目的順利實施，預期實現現有高質量球幕節目的正常播放，拓展數字星空系統展示功能，提升播放效果，降低故障率，增強系統運行穩定性，從而對科普傳播起到更好的支撐作用。

本項目擬在數量指標、質量指標、效益指標及服務對象滿意度指標方面達到以下預期目標。

（1）數量指標：月均正常運行時間（第1 年）≥160 h。

（2）質量指標：系統故障率（第1 年）≤5%。

（3）效益指標：滿足劇場開放需求，科普活動社會效益良好，院內和館內宣傳報道≥3 篇。

（4）服務對象滿意度指標：節目放映、科普講座、活動公眾滿意度達90%。

升級改造后的天象廳播放系統預期效果、數字星空效果如圖3、圖4 所示。

圖3 天象廳播放系統升級改造預期效果

圖4 數字星空展示預期效果

4 結語

綜上所述，本文提出了北京天文館天象廳現有播放系統升級改造的設想，對升級改造需要開展的工作進行了詳細闡述，大膽提出了通過對天象廳主控服務器、數字圖形服務器和數字星空軟件升級改造后擬實現的目標。通過對天象廳播放系統升級改造，提升天象廳播放效果，擴充展示內容，突出天象廳天文科普傳播優勢，加強公共服務科普傳播能力，從而更好地滿足廣大公眾日益增長的文化需求。