數位星象儀的過去、現在與未來


Minolta光學透鏡式星象儀

談到星象儀,幾乎每個進過星象館或宇宙劇場的人對於在室內觀賞滿天星斗的印象都有---星象儀---不論在黑暗中看到它透著微光散發著一股神秘的氣息或開場前後對它的一撇,總是有個映在腦中構造複雜的光學機器印象,實際上,這些傳統光學式星象儀也是以這樣的姿態伴隨著幾十年的天文教育及追星夢而歷久不歇,也是大多數人所了解的星象投影機器。

 直到二十一世紀,隨著電腦科技的成熟及液晶顯示工業技術的急速發展,如同映像管電視被液晶電視取代的情況一般,星象儀的發展在西元2000年以後有了顛覆以往的變化,新的技術及規格不斷的被提出,也是每次國際星象館學會IPSInternational Planetarium Society)每次集會所討論的重點,當然隨著各種新技術的發展及商業化的漸趨成熟,如何規範數位星象儀最終規格也是IPS努力的共識。

 對於數位星象儀而言,各主要星象儀製造廠不斷應用新的技術及自己原有的雄厚光學設計能力推陳出新,一些專門於數位投影解決方案的廠家也以一些替代方案加入這個領域,因此形成目前對於數位星象儀的看法與理解莫衷一是,遑論一般人對它的了解了。這裡先就數位式星象儀的過去歷史、現況及未來發展以IPS一些探討觀點及結論來介紹。

 數位星象儀的過去歷史

 1970年代早期

視訊投影設備配合傳統光學星象儀使用,包含全彩廣畫角的IMAX等系統及多媒體幻燈機投影系統。

 1979

美國視訊影像模擬廠商E&S推出Digistar---黑白多機式CRT全天幕投影系統。

 1995

日本星象儀製造廠MINOLTAE&S合作並提供全天幕專用魚眼投影鏡頭,發展統合式星象儀Giministar(結合大型光學星象儀Infiniumα及Digistar II CRT全天幕投影系統),並於1997年裝置世界第一部。日本製造廠GOTO2003年結合其光學星象儀及與E&S合作之VirtuariumII多機式全天幕投影系統為統合式星象儀,定名為Hybrid星象儀。

1996

多廠推出全彩多機式CRTDLP全天幕投影系統,包含E&S Digistar 3Zeiss ADLIP。後來加入多機式LCDLaser系列

2000


世界第一台
全彩單機式數位星象儀
Minolta Mediaglobe

MINOLTA運用其星象儀及先進的魚眼鏡頭技術推出世界第一台全天幕全彩單機式數位星象儀MEDIAGLOBE。單機式數位星象儀的出現從此帶動數位星象儀的急劇發展。

2003

E&S推出全天幕全彩單機式數位星象儀 Digistar3-SP2,日本GOTO銷售同型機並命名為VirtuariumII SP2

MINOLTA研發單機式宇宙型全彩色數位星象儀Super MEDIAGLOBE,已達到IPS普遍對於數位星象儀規範共識的需求,2005年並於日本裝設第一台。

2004

眾多數位投影設備廠家推出單機或雙機式圓型天幕數位投影機(魚眼鏡頭+商用液晶投影機+個人電腦),配合泛用數位星象軟體使用於小型或移動式充氣天幕。

數位星象儀現況及未來

一、多機式數位星象儀及單機式數位星象儀

多機式數位星象儀:
所謂多機式數位星象儀其全天幕影像是由二台或多台數位投影機投影部分影像後合成的,通常這些投影機裝設於天幕周圍,機種依投影元件不同有CRTDLPLCDLaser。較早期及目前單機式技術尚未成熟的18公尺以上數位星象投影領域,尚使用多機式數位星象儀,但一般相信多機式數位星象儀將於五年後完全被單機式數位星象儀取代。

單機式數位星象儀:
由一台配置專用魚眼鏡頭的數位星象主機投影出全天幕的影像,主機設置於天幕下方中心點或接近中心點位置。單機式數位星象儀也是未來數位星象儀的發展方向及標準,與多機式數位星象儀比較起來有諸多優點,詳述如下:

1、    多機式數位星象儀設計節目成本高昂且節目無法通用

無論是二機式或多機式數位星象儀,其投影節目之畫面是由二個以上的部分分割後組成的,不談二機式所製作的電腦動畫等無法在其他多機式的數位星象儀上使用,即使是同系統且投影機數目相同,也會因為機器設定及所調整的投影曲率不同而無法相互適用,節目製作時皆須分割畫面後重新組合並考慮投影機的設定調整,使得製作節目的成本大幅攀升,不論是自製或採購節目都是沉重的負擔,加上多機接合及曲率調整困難而增加人力及工作時間無形的支出,多機式數位星象儀皆有高昂的運作成本需考量,單機式數位星象儀則完全無此缺點。

2、單機式數位星象儀解析度及影像品質與多機式正逐漸接近中

多機式數位星象儀由於畫面是組合的,因此規格上解析度較高,目前解析度於天幕直徑最高介於30005000畫素之間(LCDDLP機種約2000畫素)(CRT機種可達3500畫素,但因為體積龐大及元件老化問題,已漸被淘汰)(Laser機種擁有目前最高解析度可達4000畫素以上,但雷射元件平均壽命在一萬小時以內卻成為致命傷,加上內部有每分鐘3600轉的掃描鏡片等可動元件,都使得其使用壽命縮短至LCD的十分之一不到,除非雷射元件壽命可拉長,否則一般相信它是屬於過渡機種),單機式數位星象儀解析度目前最高於全天圓幕直徑上為1536畫素(MINOLTA Super MEDIAGLOBE);3000畫素在圓天幕理論上較1536畫素擁有4倍的畫素數,但是同時看過這兩種不同投影系統的人會告訴你他們幾乎在解析度上看不出明顯的差別。有許多因素會造成這樣的結果,最明顯的是多機式數位星象儀其各台投影機投影的「融合處」影像銳利度較其他區域為差,各投影機的調整差異及色彩的不連續性也影響了整體的影像解析度。

隨著技術的快速發展,星象儀製造廠所推出的單機式數位星象儀解析度躍升超越多機式數位星象儀是指日可待的。目前單機商用液晶投影機若運用於圓天幕投影模擬數位星象系統,以1024X768液晶投影機而言,其圓天幕直徑可用畫素為768畫素,因此投影解析度普遍上較單機式數位星象儀為低。

3、單機式數位星象儀投影亮度已貼近多機式數位星象儀

以往多機式數位星象儀因為是多台投影,所以亮度優於單機式數位星象儀,但因為投影及光學鏡頭技術的發展,目前情況已大不相同,可以滿足對於投影高反差星空如恆星及銀河等之需求。

 一般討論投影主機亮度會用ANSI流明數來表示,但實際亮度表現的最主要關鍵因素在於投影鏡頭的F值,一台1000ANSI的投影主機配用F3.5的魚眼鏡頭會比2000ANSI的主機配用F8的魚眼鏡頭來得明亮,投影魚眼鏡頭F值也是數位星象儀投影品質及製造成本最主要關鍵之一(如同50mm相機鏡頭,F1.8F1.2代表著完全不同的品質與成本意義),以鏡頭外觀來看,F值愈大的投影鏡頭其直徑也愈大,F值小的鏡頭意味著投影出的畫面將較昏暗,反差對比也較低,目前單機式數位星象儀投影主機都可達到7000ANSI以上,因此鏡頭製造技術便成了投影品質的重要關鍵了。

 另一項由鏡頭所影響的影像品質因素為對比值,投影魚眼鏡頭的鏡片元件數及鍍膜品質會改變最終影像對比表現;例如一般認知的DLP投影主機比起LCD投影主機會有更佳的對比值,但假使一台LCD投影主機配用優異鍍膜技術的鏡頭,將比一台DLP投影主機(即使加上黑色補強晶片技術)配用較差鍍膜技術的鏡頭在天幕上會有更好的影像對比表現。

 還有一個影響到投影星空表現對比及色彩飽和度的數值為數位星象儀投影在天幕上的反射率及突然的光亮,數位星象投影天幕的通用法則是「愈黑愈好」,一台完美的數位星象儀會明亮的投影在接近黑色的天幕上,在此狀況下,所投影的星空將如真實星空的對比及飽和表現。若星象儀主機投影反射率超過48﹪,則影像對比及色彩飽和度表現將受到嚴重影響,MEDIAGLOBE投影於6公尺天幕時已將反射率降至24﹪以下。

4、單機式數位星象儀於影像和諧穩定度遠高於多機式數位星象儀

目前沒有任何廠商所製造的多機式數位星象儀在投影色彩及亮度上看不到影像接縫;由於每台投影機所表現的色彩特性不同,多機式不論CRTLaserLCDDLP哪種投影機,都無法避免這種情況,尤其是多台投影機也有其老化速度不同而造成更大的差異;單機式數位星象儀則無上述全天幕投影色彩及亮度不一致的情形發生,即使單機式數位星象儀於全天幕影像週邊會有色差情況發生,其影響整體投影品質依然沒有多機式色彩及亮度不一致來得顯眼。

5、單機式數位星象儀擁有較佳的天幕幾何圓形效果

單機式數位星象儀因使用單一個魚眼鏡頭就可涵蓋整個圓天幕投影,因此擁有最佳的幾何圓形,多機式由多台投影機投影組合成幾何圓形,因此無法形成完美的幾何圓形效果。

就單機式魚眼鏡頭而言,各廠家所使用的鏡頭目前有投影角145度和160度兩種;145度的投影角鏡頭原先設計為其他用途,但廠家移用於全天幕投影之用,這類鏡頭因為需置放於天幕下方較低位置方能投影全天幕影像,因此放映者只要接近星象儀站立就會遮擋到影像;160度的投影角鏡頭為廠家專門開發供數位星象儀使用(如Konica-Minolta),因為它投影全天幕影像時鏡頭設定位置較高,人員站立既不會遮擋到影像且觀眾坐著觀賞視線也不會受到星象儀主機遮蔽,因此它是IPS認可的數位星象儀標準鏡頭。

6、單機式數位星象儀設置及維護成本較多機式星象儀低

多機式星象儀不但系統組成較龐大,而且每台投影機需時常調整校正以維持影像品質,硬體維修及軟體設計也需花費更多人力物力,因此設置及維護成本都較單機式數位星象儀來得高,加上單機式數位星象儀所使用的光學元件技術成熟及成本降低,所以差距會愈來愈大。

由於數位投影技術的進步,大型單機式數位星象儀的解析度已有追上多機式的趨勢,加上單機式數位星象儀避免了多機式的許多缺點,預計2008年之後它將逐漸取代所有多機式數位星象儀;長期而言,它也將邁向全天域影片投影系統IMAX等所能投影的品質及效果,科技的躍進將使得這一天提早來臨。

二、數位星象儀及圓形天幕數位投影機

Minolta SuperMediaglobe
單機式數位星象儀

2004年起,一些數位投影設備廠家看到了為數眾多的小型針孔式光學星象儀市場被強大數位化功能投影機取代的商機,因此推出魚眼鏡頭搭配商用液晶投影機及個人電腦所組成的單機或雙機式圓型天幕數位投影系統,配合泛用數位星象軟體使用於小型或移動式充氣天幕,由於製造成本及售價都較正式數位星象儀為低,因此也逐漸的被運用在天文教育上。


Minolta 數位星象儀操控檯面及觸控螢幕

由於數位星象儀及圓形天幕數位投影
機都屬於新的星象投影設備,一般人沒有
充分的資訊來源去了解它們,因此常造成許多的困惑與不同理解;其實二者有一些明顯的差異存在,分別歸類主要區別整理如下表:

 

數位星象儀

圓形天幕數位投影機

系統構成

投影、電腦及操控系統
整合一體化

魚眼鏡頭+商用液晶投影機
+
個人電腦組成

開發用途

數位星象投影專用

圓天幕影像投影用
(運用泛用星象軟體模擬數位星象投影)

一般適用天幕

6公尺至20公尺以上

8公尺以內

投影鏡頭

星象投影專用魚眼鏡頭

影像投影商用魚眼鏡頭

鏡頭投影角

160

145

鏡頭F

鏡頭鍍膜

適用星象投影

適用一般投影

鏡頭組成元件

投影主機

專用星象投影機

商用液晶投影機

使用投影元件

LCDDLPLaser

LCDDLP

一般投影解析度

10003500畫素

1000畫素以下

正圓形幾何投影

部分機種

電腦系統

高速多重伺服電腦
(含投影控制電腦、畫像處理電腦、RAID、操作介面電腦等組成)

單一個人電腦

作業系統

LinuxWindows

Windows

動畫壓縮
解壓速度

極快

模擬宇宙
旅行效果

極佳(流暢)

星象投影軟體

數位星象專用軟體
(廠商獨自開發)

泛用星象軟體
(一般使用Stellariuma免費分享軟體或Starry Night Dome軟體)

自動放映功能

自動解說功能

自製CG節目
融入星象放映

不可

操作介面

觸控螢幕、鍵盤、滑鼠、搖桿、控制開關旋鈕

滑鼠、鍵盤、搖桿

傳統星象儀
操作模式

提供

不提供

演示操控性

快速

教學節目提供

完整

部分

設備成本

 不論是數位星象儀或是圓形天幕數位投影機,隨著光學及數位科技的進步,它們都有逐漸取代傳統光學式星象儀不可擋的趨勢;低價的圓形天幕數位投影機很快的就會取代傳統的針孔式星象儀,雖然目前光學透鏡式的傳統星象儀投影星星的細緻及真實表現暫時是數位星象儀所無法取代的,但數位星象儀強大的多媒體及模擬功能與全天幕影像投影也是光學透鏡式星象儀所無法比擬的,所以二者各佔有一席之地,但由於數位科技的驚人發展,在可預見短時間的未來,如同數位相機取代底片式相機一般,數位星象儀將是未來星象儀的代表。


Digital StarLab圓形天幕數位投影機

參考資料:

1.      IPS 2004 Summit, Valencia, Spain, 7/8 July 2004

2.      New product showcase, Digital StarLab, Sky & Telescope, p82, May 2006

3.      Proposal of Mediaglobe, Konica Minolta Planetarium Co., Ltd. , 2003

4.      Proposal of Super Mediaglobe, Konica Minolta Planetarium Co., Ltd. , 2006

5.      E & S Web Site.

6.      Goto Inc. Web Site.

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上次修改日期: 2016年12月29日