Планетарий, покажи мне купола: проектирование и оснащение

Современные цифровые планетарии используют в качестве источника изображения цифровые проекторы, оснащенные специальными сверхширокоугольными объективами (один из таких можно увидеть  в нашем Инстаграм). Эти системы позволяют отображать любой видео-контент (помимо тематических программ), превращая планетарий в цифровой иммерсивный кинотеатр.  И  создавая новые возможности для бизнеса. В этой статье мы постарались собрать и описать все основные характеристики, которым должен соответствовать «настоящий современный планетарий». Можно сказать, что здесь есть то, что необходимо в первую очередь знать для проектирования и оснащения планетария.

Содержание:
Стандарты
Вызов
Яркость
Отражающая способность экрана
Разрешение
Контрастность
Выводы

Планетарий в г. Якутске (спроектировано и оснащено Magna-Tech)

Наша статья будет посвящена современным цифровым планетариям. Стоит оговориться, что это весьма экзотичный (или специфичный) бизнес-объект. И возможно, у кого-то в памяти при слове «планетарий» всплывут картины из далекого прошлого – темный тесный зал и возможность почти легально поспать на скучной школьной экскурсии. Тем не менее, все не так или не совсем так (хотя любители поспать найдутся всегда и везде).

Начать надо с того, что современный планетарий – это достаточно популярный объект так называемого «умного отдыха», которому (отдыху) исследователи в один голос прочат роль главного драйвера индустрии досуга. Проще говоря, уже сейчас жители больших городов предпочитают не просто отдыхать, а отдыхать умно. Планетарий занимает в этом смысле привилегированное положение, поскольку сочетает сразу три ипостаси: досуга, науки и искусства. Между прочим, в год планетарии посещают не менее 100 млн.чел. — данные Международного общества планетариев.

Стоит оговориться, что в этом есть и определенная проблема: неэффективно создавать планетарий просто ради демонстрации картинок в надежде на большой трафик. Деятельность планетария должна быть структурирована как образовательный процесс и без основательного научного и учебного наполнения потеряет свои конкурентные преимущества. Но развитие планетария как бизнес-объекта станет темой наших следующих публикаций, а пока мы сфокусируемся на более материальных вещах.

Екатеринбургский планетарий. Спроектировано и оснащено Magna-Tech

В материальном, самом что ни на есть железном смысле планетарий — это высокотехнологичный объект, который по сложности может дать фору самым продвинутым, но обычным кинотеатрам. По существу, это самый настоящий «иммерсивный» кинотеатр, который также представляют будущим и кинематографа, и кинопоказа (отметим в скобках, что «иммерсивный» эффект возникает когда угол обзора составляет не менее 180 градусов, а фактически это означает, что проекционные экраны окружают зрителя со всех сторон. В свою очередь, изображение, создающее иммерсивный эффект, строится в особой равнопромежуточной проекции, при которой сохраняется масштаб расстояний до объектов и которая позволяет словно заглянуть за край изображения).

Однако реализация подобного «изображения вокруг» сопряжена с целым рядом технических ограничений и нюансов. Которые в обязательном порядке нужно учитывать при проектировании и оснащении планетария. Резюме этих рекомендаций находится в самом конце статьи.

Сами же эти рекомендации были разработаны коллективом немецких экспертов, проводивших полноценные научные исследования планетариев как проекционных систем. Ссылка на оригинальные работы также будет в конце статьи.

Стандарты? Нее,не слышали

Нужно отметить, что на сегодняшний момент времени прогрессивное человечество еще не выработало общих правил и принципов, которые касались бы планетариев (в отличии от цифрового кинематографа, где таковые были сформулированы довольно быстро в рамках Digital Cinema Initiatives под чутким руководством голливудских студий-мейджоров). Кроме того, немаловажную роль играет то обстоятельство, что сейчас параллельно существуют (где-то конкурируют, где-то уживаются) два типа проекционных систем для планетариев.

Один из них – тот самый классический оптико-механический проектор, формирующий изображение звездного неба таким, каким оно видится с Земли. Изображение создается за счет использования ультра-ярких светодиодов и специальных механических конструкций. Второй – это цифровые проекторы, оснащенные сверхширокоугольными линзами (объективами). Оптико-механические проекторы идеально приспособлены для решения задач своего класса, но цифровые проекторы могут использоваться для отображения контента разных типов. Поэтому дальнейшее будет касаться в основном цифровых планетариев.

Вызов

Основная проблема полнокупольных планетариев как ни странно обусловлена их же основным достоинством – собственно куполом, точнее сказать, купольным проекционным экраном. С геометрической точки зрения этот экран представляет собой полусферу, а с физической – так называемую интегрирующую сферу.

Что бы это ни означало, подобное свойство будет причиной перекрестного рассеивания и отражения. Иначе говоря, каждый участок экрана (далее называемый «пикселем» в значении реального физического участка освещаемой поверхности) будет получать свет не только от проектора, но и от других участков экрана. Результат – «размывание» картинки и уменьшение контрастности.

Слева — оригинальный вид, справа — возникающий в результате перекрестного рассеивания ESO/S. Brunier

Яркость

Достаточно часто владельцы планетариев не рискуют приобретать по-настоящему мощные проекторы, дающие яркую и живую картинку. Связано это чаще всего с финансовыми ограничениями – планетарий не сравнится по прибыльности с кинотеатром. В сочетании с объективными свойствами полнокупольного экрана – тем самым перекрестным рассеиванием — это приводит к тому, что изображение оказывается намного более тусклым, чем в кино.

Рекомендация – выбирать проекционную систему (проектор плюс экран) таким образом, чтобы яркость самого светлого (белого) участка экрана была не менее 5 кандел/квадратный метр (стандартная единица яркости, далее кд/кв.м.)

Обратите внимание, что единицей измерения яркости являются именно кд/кв.м, а не люмены, в которых измеряется общее количество света. Поскольку яркость пропорциональна общему количеству света, многие производители предпочитают указывать именно его.

Отражающая способность экрана

Как уже отмечалось, конфигурация экрана задает определенные ограничения для достижения оптимального контраста. При этом производители проекторов часто если не всегда приводят данные по так называемому «межэкранному» контрасту, то есть соотношение полностью освещенного (белого) и дополнительному полностью неосвещенному (черному). Однако для полнокупольных цифровых планетариев гораздо более информативным оказывается «внутриэкранный» (ANSI) контраст, который означает соотношение наиболее светлого и наиболее темного участков экрана – при их одновременном отображении (тестом служат проецируемые черные и белые клетки).

Рекомендация – снижение отражающей способности экрана как минимум на 50 %.

Тест контрастности Взято из работы Max R. Robner, Lars Lindberg Christensen, and Claude Ganter «Characterising Fulldome Planetarium Projection Systems: The Limitations Imposed by Physics, and Suggestions on How to Mitigate

Разрешение

Разрешение сегодня является едва ли главной характеристикой, на которую обращают внимание при выборе проекционных систем. При этом существуют значительные разногласия, касающиеся того, как нужно понимать 4К, 8К и т.д. (напомним, что речь идет о физическом количестве участков освещаемой поверхности).

Хотя в целом вся индустрия согласна с тем, что это число в любом случае должно обозначать количество пикселей, равное половине площади всех больших кругов внутри полусферы.

Рекомендация — при определении разрешения использовать среднее значение для половины площади всех больших кругов.

Согласно авторитетным данным, разрешающая способность обычного человеческого глаза не превышает 1,7 угловой минуты (5 умножить на 10 в минус 4 степени радиан), в особых случаях это значение может равняться 0,8 угловой минуты. Приняв в качестве наилучшей оценки 1 угловую минуту, получаем значение примерно в 10 800 пикселей для зрителя, который находится в центре зала (угол обзора в 180 градусов умножаем на 60 угловых минут).

Можно сравнить полученное значение с разрешением для печати. Как известно, графические дизайнеры пользуются так называемым золотым правилом в 300 DPI (точек на дюйм). Для страницы формата А4 (21 см по ширине или 8.27 дюймов) количество пикселей будет равно 2480 пикселей с размером одного пикселя примерно 8,46 на 10 в минус 3 степени см. С учетом обычного расстояния для чтения в 40 см, получается 43 угловых секунды, что лишь на немного лучше значения в 1 угловую минуту.

Рекомендация — использовать разрешение в не более чем в 1 угловую минуту.

Дизайнер мог бы возразить, что печать с разрешением существенно ниже 300 DPI приводит к «пикселизации» изображения (распада на мельчайшие различимые фрагменты). Разрешение в 4К для проекционного экрана планетария примерно эквивалентно 81 DPI в так сказать в печатном эквиваленте. Таким образом разрешению в 300 DPI должно соответствовать проекционное разрешение не менее чем в 15К!

Далее, дизайнер мог бы возразить, что рекомендованное правило в 300 DPI справедливо только в отношении растровых изображений (где, собственно и фигурируют «пиксели» как цифровые элементы изображения). Для векторных объектов эти показатели должны быть существенно выше – 800 или 1200 DPI. В планетариях отображаемые объекты (звезды и т.д.) как правило являются векторными объектами, которые преобразованы в растровые и которые предполагают также высокое разрешение.

Есть, однако, еще два дополнительных соображения. Первое из них связано с различием в восприятии движущихся и неподвижных объектов – первые, при сверхвысоком разрешении, пикселизируются намного больше. Существуют также доказательства того, что 4К или 8К для мониторов в целом эквивалентно 8К для планетария.

Рекомендация — разрешение в 8К-10К является оптимальным для планетария.

Контраст и яркость черного 

При проектировании и оснащении планетария необходимо брать в расчет не только основной источник изображения – сам проектор, но также учитывать свойства экрана и человеческого восприятия. Из-за перекрестного отражения следует уменьшать отражательную способность экрана и увеличивать яркость проектора. Кажется очевидным, что стоит приобретать проектор с наибольшим значением яркости, так сказать на выходе светового потока, но это не так: следует обращать внимание на значение вторичной яркости – результат взаимодействия светового потока и материала экрана.

Рекомендация — обращать внимание не на естественные («заводские») значения контраста, но на показатели экранных тестов (значение такого контраста должно быть не менее 6:1).

Краткие выводы

1.При проектировании и оснащении планетария необходимо учитывать характеристики и взаимодействие трех компонентов: проектора, экрана (купола) и субъективного восприятия.