意法半導(dǎo)體超級(jí)傳感器助Sphere打造沉浸式體驗(yàn)，開(kāi)啟全新電影時(shí)代

你能想象到這樣的觀影體驗(yàn)嗎？銀幕已完全消失，而觀眾直接置身于電影故事中心。現(xiàn)在，這種身臨其境的沉浸式觀影體驗(yàn)已在拉斯維加斯新一代娛樂(lè)媒體Sphere的球形劇場(chǎng)內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。在這個(gè)高 366 英尺、寬 516 英尺的球形劇場(chǎng)內(nèi)，一塊16K x 16K 分辨率的LED顯示屏環(huán)繞觀眾，并向上延伸到天花板，這是目前世界上分辨率最高的 LED 屏幕。

為了在 Sphere 屏幕上實(shí)現(xiàn)超高分辨率的視覺(jué)效果，Sphere團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為Big Sky的專(zhuān)用攝像系統(tǒng) 。Sphere和意法半導(dǎo)體合作，為 Big Sky攝像系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)定制的 3.16 億像素的圖像傳感器，為觀眾帶來(lái)無(wú)與倫比的觀影體驗(yàn)。

本文將探討 ST 定制圖像傳感器和 Sphere 的 Big Sky 攝像系統(tǒng)背后的技術(shù)細(xì)節(jié)，以及它們給電影未來(lái)帶來(lái)的影響。

技術(shù)細(xì)節(jié)

圖像傳感器由數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小的感光元件(像素)組成，這些感光元件可以捕捉光(光子)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電子)。這些感光元件對(duì)于拍攝數(shù)字圖像至關(guān)重要，但它們只是攝像系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)攝像機(jī)都通過(guò)鏡頭將光線(xiàn)聚焦到圖像傳感器上，將其轉(zhuǎn)換為原始數(shù)字信息，然后通過(guò)處理器(比如專(zhuān)用圖像處理器或應(yīng)用處理器)處理和分析圖像數(shù)據(jù)。最后一個(gè)環(huán)節(jié)是圖像輸出接口，將處理單元輸出的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合在設(shè)備上顯示的格式或適合進(jìn)一步分析的格式。

攝像機(jī)組件

圖像傳感器大致可分為兩類(lèi)：

●   單色圖像傳感器與彩色圖像傳感器：?jiǎn)紊珎鞲衅饔煤诎變煞N顏色描繪世界，而彩色傳感器使用紅、綠、藍(lán) (RGB)三原色像素，類(lèi)似于人眼的方式拍攝圖像。

●   除了這兩種標(biāo)準(zhǔn)傳感器結(jié)構(gòu)外，還有更先進(jìn)的“多光譜”圖像傳感器，它可以區(qū)分多個(gè)光譜范圍，不止于識(shí)別經(jīng)典RGB三原色的差異。

●   全局快門(mén)和卷簾快門(mén)圖像傳感器：全局快門(mén)傳感器同時(shí)曝光所有像素。曝光后，每個(gè)像素將信息暫時(shí)保存在緩存內(nèi)，然后按順序讀出圖像信息。而在卷簾快門(mén)傳感器內(nèi)，像素沒(méi)有緩存，因此必須一行接一行地拍攝圖像。

卷簾快門(mén)和全局快門(mén)圖像傳感器的功能

圖像傳感器是捕捉光線(xiàn)并決定最終圖像質(zhì)量的組件。高品質(zhì)傳感器可捕捉各種明暗區(qū)域(高動(dòng)態(tài)范圍HDR)。在光線(xiàn)明亮的環(huán)境中，高品質(zhì)傳感器既具有收集大量光線(xiàn)的高飽和能力，又能以短曝光時(shí)間拍攝圖像。這個(gè)特質(zhì)可避免圖像飽和與大白點(diǎn)現(xiàn)象。

在低光照條件下，感光度和暗噪聲是影響成像質(zhì)量的重要因素。HDR圖像傳感器必須充分利用亮度不足的光線(xiàn)，同時(shí)最大限度減少暗噪聲，以免淹沒(méi)傳感器捕獲的光信號(hào)。最后，高品質(zhì)圖像依賴(lài)于先進(jìn)的像素技術(shù)，因?yàn)檫@些技術(shù)可確保圖像一致，無(wú)角陰影，清晰度極佳。

發(fā)展趨勢(shì)

圖像傳感器的未來(lái)在于突破技術(shù)限制。廠商不斷追求更好的圖像質(zhì)量、更高的分辨率和更低的功耗。從超逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，到更智能的機(jī)器人和醫(yī)療設(shè)備，先進(jìn)的圖像傳感器將解鎖更多的創(chuàng)新應(yīng)用。

人眼和攝像機(jī)都可以拍攝圖像，但兩者的拍攝能力在某些方面有所不同。盡管攝像機(jī)圖像傳感器的尺寸和技術(shù)各不相同，但大都能提供高分辨率和精確的細(xì)節(jié)，而人眼在動(dòng)態(tài)范圍方面更勝一籌，可輕松適應(yīng)不同的光照度。無(wú)論是在明亮的光照條件下，還是在光線(xiàn)不足的陰影環(huán)境中，人眼都能感知圖像細(xì)節(jié)，而攝像機(jī)很難復(fù)制人眼的這個(gè)能力。此外，人眼的視野更寬，能夠快速適應(yīng)不斷變化的光照條件，提供更身臨其境和細(xì)致入微的視覺(jué)體驗(yàn)。盡管攝像機(jī)技術(shù)已取得諸多進(jìn)步，但人眼仍然是生物工程的奇跡，在多功能性和感光度方面無(wú)可比擬。為了拍攝可與人眼媲美的圖像，意法半導(dǎo)體利用先進(jìn)的成像技術(shù)，結(jié)合出色的動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲，在任何光照條件下都能拍攝出高對(duì)比度的圖像。

合作歷史

2020 年，F(xiàn)orza Silicon公司將ST引薦給Sphere娛樂(lè)公司。Forza Silicon是一家芯片設(shè)計(jì)公司，從 2012 年開(kāi)始與ST合作至今。Forza Silicon 擁有整體解決方案的設(shè)計(jì)能力，ST 是 CMOS 圖像傳感器的戰(zhàn)略性代工合作伙伴。2021 年， Sphere 團(tuán)隊(duì)到ST法國(guó)克羅爾工廠現(xiàn)場(chǎng)參觀，從此雙方開(kāi)始合作。

Big Sky 攝像機(jī)項(xiàng)目最初的目的是解決使用11臺(tái)到13臺(tái)8K攝像機(jī)為Sphere 顯示屏拍攝內(nèi)容面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。這種配置需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行后期制作、編輯視頻，并把多個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)容合并成一個(gè)視頻。通過(guò)與 ST 和 Forza Silicon 合作，Sphere 簡(jiǎn)化了工作流程，提高了工作效率。ST 有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的業(yè)務(wù)模式，可以處理非常復(fù)雜但產(chǎn)量相對(duì)較少的流片項(xiàng)目，而 Forza Silicon 在 CMOS 圖像傳感器等各個(gè)領(lǐng)域擁有豐富的底蘊(yùn)，這是項(xiàng)目取得成功的兩個(gè)重要因素。

Sphere傳感器晶圓 (Image credits ? Sphere Entertainment Co.)

ST 為 Big Sky 打造了一款分辨率達(dá)3.16億像素、像素間距4.3 微米的CMOS 圖像傳感器，能夠以120 fps的幀率輸出流暢的細(xì)節(jié)清晰的圖像。該傳感器的裸片尺寸相當(dāng)于一個(gè)有4 顆裸片的12 英寸(300 毫米)晶圓，具有優(yōu)異的87dB 動(dòng)態(tài)范圍，可捕捉光照部分和陰影部分的細(xì)微變化，配合RGB彩色微透鏡濾光片陣列，可以準(zhǔn)確呈現(xiàn)色彩。該傳感器采用 ST專(zhuān)有的背照式圖像傳感器制造工藝，代表ST在重新定義娛樂(lè)和電影攝影標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展。

該攝像系統(tǒng)擁有許多傲人的先進(jìn)功能，例如，直徑近 1 英尺(30 厘米)的巨型魚(yú)眼鏡頭，可拍攝廣闊的廣角照片，以及更小、更便攜的魚(yú)眼鏡頭。此外，ST針對(duì) Sphere球形劇場(chǎng)超大屏幕優(yōu)化了圖像傳感器的性能，通過(guò)使用更大的像素來(lái)增強(qiáng)捕光和細(xì)節(jié)保留能力，確保獲得無(wú)與倫比的圖像質(zhì)量。

采用ST定制傳感器的Big Sky攝像系統(tǒng)（圖片來(lái)源 ? Sphere Entertainment Co.）

采用 Sphere CMOS 圖像傳感器的 Big Sky 攝像系統(tǒng)徹底改變了電影制作方式，只用一個(gè)165 度視場(chǎng)角的便攜式攝像機(jī)即可代替一個(gè)復(fù)雜的 8K 攝像機(jī)陣列。Sphere 的攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省了數(shù)天的編輯時(shí)間，具備遠(yuǎn)程控制和攝像機(jī)光纖連接功能。32TB SSD雙硬盤(pán)的每個(gè)硬盤(pán)都能有效存儲(chǔ) 17 分鐘未壓縮的60fps視頻。該系統(tǒng)不僅簡(jiǎn)化了電影制作流程，還通過(guò)集成的視頻編輯工具改進(jìn)了創(chuàng)作流程。

《來(lái)自地球的明信片》是第一部使用 Big Sky 攝像系統(tǒng)拍攝的電影作品，也是 Sphere體驗(yàn)的一部分。這部電影于 2023 年 10 月 6 日在拉斯維加斯 Sphere球形劇場(chǎng)首映。這部電影由獲得奧斯卡獎(jiǎng)提名的Darren Aronofsky執(zhí)導(dǎo)，在拉斯維加斯 Sphere球形劇場(chǎng)的160,000 平方英尺(15,000 平方米)環(huán)形屏幕上獨(dú)家放映，利用 Big Sky 攝像系統(tǒng)技術(shù)，帶領(lǐng)觀眾穿越七大洲，深入海洋，翻越高山，進(jìn)入風(fēng)暴之眼。制作團(tuán)隊(duì)通過(guò)Big Sky 攝像系統(tǒng)能夠?yàn)榈厍蛏系母鞣N景觀拍攝無(wú)縫的全景視頻。

有了意法半導(dǎo)體 3.16 億像素圖像傳感器的加持，為 Sphere球形劇場(chǎng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的Big Sky攝像系統(tǒng)將成為電影史上的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，有望開(kāi)啟一個(gè)全新的電影時(shí)代。 

（注：本文來(lái)源于EEPW 2024年11期）