北京天文馆天象厅播放系统升级改造探讨

万米洋，李艳涛，张政和，李 淼

（北京天文馆，北京 100044）

0 引言

北京天文馆天象厅是我国最早建成的天象厅，也是目前世界上最好的球幕剧场之一，拥有最先进的天象设备以及最精彩的球幕天象节目。作为我国大陆地区最大的地平式天象厅，球幕内部直径达到了23 m，能容纳400 名观众同时观看影片。随着国家对天文教育的重视程度日益提高，每年有大量慕名来到北京天文馆的观众，天象厅担负着重要的科普传播工作，每年播放球幕科普节目1300 余场，接待观众达40 万人次，是北京天文馆最重要的科普教育阵地。因此保障天象厅播放系统的正常运行，提升播放效果，扩展展示内容，将有助于更好的展现众多优秀的球幕天象节目，丰富、充实天文特色科普教育活动，让观众能够更为直观的领略天文知识的魅力，不断培养和提升公众对于天文学的兴趣和爱好，满足公众多样化的科普需求，从而提升社会整体的科学素养。

1 项目开展的必要性

北京天文馆是国家一级博物馆，国家4A 级旅游景区，天象厅作为北京天文馆最重要的天文科普阵地，是北京天文馆的一面旗帜。但目前播放系统老化，演示效果不佳，无法呈现高质量的节目效果，不能开展多样的科普活动，因此对天象厅播放系统的升级改造显得尤为迫切。

1.1 天象厅现有播放系统性能提升的需要

目前，天象厅现有播放系统运行已有5 年多的时间。在日常的维修维护中，发现服务器的各部分已逐渐老化，故障率不断上升，各播放节点卡顿，播放效果不佳，不能带给游客身临其境的星空体验，也无法展现数字星空，严重影响了科普阵地的开放工作。

1.2 天象厅面向观众科普传播力的需要

天象厅的定位是北京天文馆的核心剧场，同时作为本馆最大的剧场，可容纳观众数量最多，科普传播力度大，社会影响面广。2018 年天象厅全年开放场次1261 场，科普人数达314 723人次；2019 年全年开放场次1356 场，科普人数达353 014 人次。即使在2020 年受疫情影响，天象厅严格按照防疫要求，仍开放618 场，科普人数达125 917 人次。

2 天象厅播放系统升级改造拟开展工作

北京天文馆天象厅播放系统升级改造工作需要从以下4 个方面展开，即现有系统分析、需求分析、可行性分析、制定实施方案。同时，该顺序也是本次改造的技术路线，如图1 所示。

图1 天象厅播放系统升级改造技术路线

2.1 现有系统分析

天象厅现有两套播放系统，一主一备，分别于2015 年和2017 年投入运行，使用时间较长，设备均出现了严重老化现象，整体性能急剧下降。

（1）主系统：主控服务器老化，运行卡顿，同步性欠佳；服务器节点冗杂，出现问题后，故障点判断困难；显卡、同步卡、电源等主要部件老化，时常损坏。

（2）备用系统：融合效果不佳，融合带在亮场环境显示突兀；分辨率为4096×2160，无法满足最新球幕节目对清晰度的要求。

经过综合性能评估分析，两套播放系统已无法达到天象厅的播放标准，为了提升观众的科普体验感受，让观众享受到沉浸式球幕影院的视觉效果，也为了提升播放系统的运行稳定性，扩展使用功能，拟对北京天文馆天象厅播放系统进行升级改造。

2.2 需求分析

针对现有系统存在的问题，提出以下需求：①减少服务器节点，一台投影机对应一台服务器或6 台投影机对应一台服务器，提升系统稳定性，减少运行的突发情况；②提升融合效果，彻底解决球幕融合问题，实现白场或纯色状态下没有融合带，画面不变形；③实现高码流、高分辨球幕节目播放功能，视频码流提升到300 兆，视频分辨率支持到8 K，帧率不低于60帧；④保证视频播放的基础之上，升级应用需求，实现数字天象功能。

2.3 可行性分析

经过前期的市场调研，与多家厂商的现场勘查，对比各种播放系统的效果提升方案，论证得出该项目具备可实施条件，计划由具有大型球幕剧场搭建经验的系统集成商来完成。所有涉及的硬件、软件都将通过相关的认证、测试，并能够保障与现有投影机的兼容性。项目的执行人及实施人员均具有中级工程师及以上职称，同时还有着丰富的剧场改造及设备维修经验。因此，项目的实施有着充分的可行性。

2.4 制定实施方案

通过对市场调研和实际需求分析，拟对天象厅播放系统的主控服务器、数字图形服务器及数字天象软件进行升级改造，实施方案如下：

（1）完成主控及图形服务器各零部件的选型。

（2）老旧、损坏设备的拆除及新服务器硬件安装上架。

（3）对传输设备、传输线缆检查，确保线路完好并完成与新设备连接，完成整个系统硬件设备的替换工作。

（4）完成新服务器上数字天象系统软件及配套软件的安装激活。

（5）修改、更新系统模型数据库，完成6 台投影机画面在球幕上的拼接融合。

（6）球幕画面网格矫正。

（7）根据融合软件参数，安装调试新的投影机遮光罩。

（8）与音响系统对接调试，确保正常工作。

（9）影院设备控制功能调试，增加无线控制设备。

（10）系统整体联调及问题解决。

（11）利用节假日旺季，对系统高负荷运转，测试其稳定性。

（12）对系统状况进行留档、记录，便于日后维护进行比对、诊断。

此外，还将对整套设备使用的控制显示器、机架显示器、数据线、交换机等进行检修更换，以确保设备正常稳定运行。播放系统预期实物拓扑图如图2 所示。

图2 播放系统预期实物拓扑图

3 天象厅播放系统升级改造预期目标

通过天象厅播放系统升级改造项目的顺利实施，预期实现现有高质量球幕节目的正常播放，拓展数字星空系统展示功能，提升播放效果，降低故障率，增强系统运行稳定性，从而对科普传播起到更好的支撑作用。

本项目拟在数量指标、质量指标、效益指标及服务对象满意度指标方面达到以下预期目标。

（1）数量指标：月均正常运行时间（第1 年）≥160 h。

（2）质量指标：系统故障率（第1 年）≤5%。

（3）效益指标：满足剧场开放需求，科普活动社会效益良好，院内和馆内宣传报道≥3 篇。

（4）服务对象满意度指标：节目放映、科普讲座、活动公众满意度达90%。

升级改造后的天象厅播放系统预期效果、数字星空效果如图3、图4 所示。

图3 天象厅播放系统升级改造预期效果

图4 数字星空展示预期效果

4 结语

综上所述，本文提出了北京天文馆天象厅现有播放系统升级改造的设想，对升级改造需要开展的工作进行了详细阐述，大胆提出了通过对天象厅主控服务器、数字图形服务器和数字星空软件升级改造后拟实现的目标。通过对天象厅播放系统升级改造，提升天象厅播放效果，扩充展示内容，突出天象厅天文科普传播优势，加强公共服务科普传播能力，从而更好地满足广大公众日益增长的文化需求。