Jak działa planetarium? Kulisy Planetarium Śląskiego
Jak działa planetarium od strony technicznej? Pojechałem to sprawdzić do Planetarium Śląskiego w Chorzowie. Wszedłem na salę z 23-metrową kopułą, do serwerowni i na miejsce operatora. Zobaczyłem, jakie projektory składają obraz, ile kosztują i jakie komputery je napędzają.
Na tym nie skończyłem. Później pojechałem do Warszawy, do studia Creative Planet, które robi filmy wyświetlane w planetariach na całym świecie. Pokazali mi cały proces produkcji, od szkicu postaci po gotowy plik dla planetarium, a do tego farmę renderującą. Po wcześniejszych materiałach z centrów danych i fabryk ten wyjazd był równie odjazdowy.
W skrócie
- Obraz na kopule w Chorzowie składa 10 laserowych projektorów 4K Sony VPL-GTZ380. Jeden kosztuje 319 tys. zł, a na zapleczu leży jeszcze jeden zapasowy.
- Na kopule wyświetla się łącznie około 44 milionów pikseli. Uzupełnia je projektor optomechaniczny, który pokazuje 9500 gwiazd widocznych gołym okiem.
- Każdy projektor ma własny komputer z Linuksem i kartą NVIDIA (RTX 3070 albo RTX 5070 Ti). Sygnał z nich idzie do projektorów światłowodem.
- W Creative Planet pierwszy etap renderu ich najnowszego filmu zająłby około 360 dni pracy całej farmy. Surowe rendery jednego filmu ważą do 70 TB.
- Na serwerach studia jest prawie pół petabajta danych. Archiwa trafiają na taśmy LTO-9.
Planetarium Śląskie: kopuła o średnicy 23 metrów
Planetarium Śląskie powstało w 1955 roku. Po czterech latach przebudowy i remontu otworzyło się ponownie w czerwcu 2022 roku jako Planetarium – Śląski Park Nauki. Po obiekcie oprowadzał mnie dyrektor placówki.
Główna sala robi wrażenie już samą skalą. Kopuła ma 23 metry średnicy, a na sali mieści się do 300 osób. To tak zwana kopuła z płaskim horyzontem: krzywizna obejmuje pełne 180 stopni, czyli dokładnie pół sfery. Daje to około 840 metrów kwadratowych powierzchni, na której wyświetla się obraz.
Planetaria różnią się też sposobem wyświetlania obrazu. W Chorzowie robią to projektory, ale są już obiekty w pełni LED-owe. Przykładem jest odnowione planetarium w Pradze, gdzie nie ma żadnych projektorów, a obraz świeci bezpośrednio z kopuły.
Dlaczego kopuła jest dziurkowana
Z daleka kopuła wygląda jak twarda płyta, może karton-gips. Z bliska widać jednak, że to perforowane aluminium. Gdyby powierzchnia była pełna, akustyka w takiej półkuli byłaby fatalna. Za panelami znajduje się jeszcze wełna mineralna, która dodatkowo tłumi dźwięk.
Z tego samego powodu ściany obłożono drewnianymi panelami, których konstrukcja pochłania część dźwięków. Na sali jest drewniana podłoga bez dywanu, więc echo trzeba było skompensować w inny sposób. Dźwięk na sali jest w systemie 5.1.
Projektory w planetarium: 10 sztuk po 319 tysięcy złotych
Obraz na kopule wyświetla dziesięć projektorów Sony VPL-GTZ380. To laserowe projektory 4K na matrycach SXRD o jasności 10 tysięcy lumenów. W Chorzowie pracują na około 60% mocy. Przy wyborze liczyły się głównie jasność i żywotność.
Jeden taki projektor kosztuje 319 tysięcy złotych. Dziesięć sztuk to więc ponad 3,1 mln zł za same projektory, a jedenasty, zapasowy, leży zapakowany na zapleczu na wypadek awarii.
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Model | Sony VPL-GTZ380 |
| Rozdzielczość natywna | 4K (4096 × 2160) |
| Źródło światła | laser |
| Jasność maksymalna | 10 000 lumenów |
| Jasność w planetarium | ok. 60% |
| Liczba na sali | 10 + 1 zapasowy |
| Cena jednej sztuki | 319 000 zł |
| Przepracowane godziny | nieco ponad 15 000 |
| Czas pracy dziennie | ok. 10 godzin |
Projektory pracują praktycznie codziennie po 10 godzin, więc przez ponad cztery lata nabiły już nieco ponad 15 tysięcy godzin. Sony podaje dla źródła laserowego tego modelu 20 tysięcy godzin, ale przy obniżonej jasności ten czas się wydłuża. Obsługa liczy, że projektory są mniej więcej w połowie swojego życia. W tym czasie zaliczyły zaledwie dwie awarie, co przy takim trybie pracy jest dobrym wynikiem.
Jak 10 prostokątów zamienia się w kopułę
Każdy projektor wyświetla prostokąt, a kopuła jest półkulą. Dziesięć projektorów jest potrzebne po to, żeby razem pokryć całą jej powierzchnię. Treść dla kopuły przygotowuje się jako okrąg wpisany w kwadratową klatkę. Gdy odejmie się czarne, niewyświetlane piksele w rogach i nakładki między projektorami, wychodzi około 44 milionów pikseli realnie widocznych nad głowami widzów. Planetarium opisuje to jako projekcję w rozdzielczości ponad 8K.
Ciekawy jest sposób, w jaki obrazy z projektorów się stykają. Na obiektywach są założone fizyczne maski z wyciętymi kształtami, innymi dla każdego projektora. Dzięki nim dziesięć obrazów idealnie się ze sobą składa. Skutek uboczny jest taki, że projektora nie można przesunąć nawet o milimetr, bo cała projekcja zacznie się rozjeżdżać.
Takie przycięcie dałoby się zrobić cyfrowo. Maska ma jednak przewagę: światło z sąsiednich projektorów nie nachodzi na siebie, więc kontrast jest lepszy, a obraz wyraźniejszy. W planetarium, gdzie liczy się głęboka czerń nieba, ma to znaczenie.
Projektor optomechaniczny, czyli prawdziwe gwiazdy
Na środku sali stoi jeszcze jedenasty projektor, zupełnie innego typu. To projektor optomechaniczny, który nie wyświetla pikseli, tylko punkty gwiazd. Planetarium działa w systemie hybrydowym: analogowy projektor i cyfrowe Sony pracują razem i wspólnie tworzą obraz nieba.
W obrotowej głowicy siedzi 16 projektorów, które pokazują niebo półkuli północnej i południowej. Razem wyświetlają 9500 gwiazd, czyli mniej więcej tyle, ile zobaczymy gołym okiem w idealnie ciemną noc. Do tego Drogę Mleczną złożoną ze 120 milionów punktów. Z przodu urządzenia są dodatkowe projektory od Słońca, Księżyca i planet widocznych gołym okiem.
Stanowisko operatora i SkyExplorer
Jedenastoma projektorami trzeba jakoś sterować. Usiadłem na miejscu operatora, gdzie całość obsługuje się w oprogramowaniu SkyExplorer. To panel, z którego operator kieruje całą projekcją na żywo i odpala prerenderowane filmy fulldome, czyli sferyczne.
W planetarium pracuje się w parach. Lektor opowiada, a operator podąża za jego narracją i pokazuje na niebie to, o czym akurat mowa. Kilka kliknięć wystarczy, żeby wybrać mgławicę i polecieć do niej. Wszystkie komputery i projektory zaczynają wtedy razem generować obraz, a widzowie przemieszczają się w przestrzeni kosmicznej. Podczas mojej wizyty lecieliśmy do mgławicy w gwiazdozbiorze Oriona. W ten sposób prowadzi się na przykład wstępy do seansów, w których omawia się niebo bieżącego wieczoru.
Zajęcia dla dzieci też idą na żywo, ale opierają się na skryptach przygotowanych wcześniej przez zespół planetarium. Każdy przycisk na panelu uruchamia skrypt, który mówi wszystkim komputerom, co mają zrobić: pokazać górowanie Słońca, pozycje planet albo gwiazdozbiory. Dzięki temu animacja na całej kopule pozostaje spójna.
Serwerownia planetarium: ponad 15 komputerów
Za tym wszystkim stoi serwerownia z ponad piętnastoma komputerami. Podział ról wygląda tak:
| Komputer | System | Zadanie |
|---|---|---|
| Master | Windows | główny komputer operatora, na nim działa SkyExplorer |
| Master 2 | Windows | redundantna kopia Mastera o tej samej specyfikacji |
| Hybrid | b/d | nadzoruje pracę wszystkich projektorów i łączy cyfrowe z optomechanicznym |
| 2 komputery przemysłowe | b/d | bezpośrednie sterowanie projektorem optomechanicznym |
| 10 nodów + 1 zapasowy | Linux | generowanie obrazu, po jednym na każdy projektor |
| Multimedia | b/d | zarządzanie dźwiękiem |
| NAS Synology | b/d | ok. 21 TB na projekty tworzone przez planetarium |
Jeśli Master padnie, operator przepina się fizycznym przełącznikiem KVM na Mastera 2 i seans trwa dalej.
Jeden komputer, jeden projektor
Najciekawsza jest szafa z nodami. Każdy z nich to komputer z Linuksem podłączony do dokładnie jednego projektora. Generuje i synchronizuje animacje na żywo, a podczas seansów fulldome odtwarza swój wycinek filmu. W każdym nodzie są dwa dyski: systemowy SSD Samsunga i 2-terabajtowy HDD, na którym leżą modele do animacji nieba i fragmenty filmów do wyświetlenia.
Specyfikacja jest zbliżona do Mastera: 6-rdzeniowy, 12-wątkowy Intel Xeon, 32 GB RAM-u i karta NVIDIA. W starszych jednostkach to RTX 3070, w nowszych już RTX 5070 Ti.
Dlaczego NVIDIA i to w połączeniu z Linuksem? Po pierwsze część animacji renderuje się w czasie rzeczywistym, więc każdy node potrzebuje realnej mocy GPU. Po drugie przy odtwarzaniu filmów fulldome przydają się sprzętowe dekodery. Większość projekcji jest zapisana w kodeku H.265.
Światłowody, UPS-y i dwie linie zasilania
Każdy node wypuszcza obraz przez DisplayPort, ale ten od razu trafia do konwertera na światłowód. Sala ma 23 metry średnicy, a na takich odległościach światłowód daje pewność, że sygnał dojdzie bez strat i zakłóceń. Przy projektorze drugi konwerter zamienia go z powrotem na sygnał, który projektor przyjmuje.
Ostatnia szafa jest od góry do dołu wypełniona UPS-ami. Podtrzymują nie tylko komputery, ale też projektory, dzięki czemu sala może działać przez kilkanaście minut bez prądu z sieci. Planetarium ma do tego dwie niezależne linie zasilania, więc zaniki napięcia zdarzają się bardzo rzadko. UPS-y chronią też sprzęt przed skokami napięcia, co przy projektorach za 319 tysięcy złotych za sztukę ma sens. Całość jest oczywiście klimatyzowana i w serwerowni jest naprawdę zimno.
Liczby to nie wszystko
Mogę wyliczać technikalia przez długie minuty, ale najciekawsza jest sama projekcja. Widziałem na miejscu kilka animacji i na żywo wyglądają niesamowicie. Kamera w ogóle tego nie oddaje. Obraz na kopule o średnicy 23 metrów, który rozciąga się nad całą głową, odbiera się zupełnie inaczej niż na ekranie telefonu czy monitora. Jeśli macie planetarium w okolicy albo jesteście ze Śląska, wpadnijcie zobaczyć to na własne oczy.
Dyrektor planetarium ujął to tak: „840 metrów kwadratowych kopuły, na niej 44 miliony pikseli generowane przez 10 komputerów. To wszystko są tylko liczby. Naszym najważniejszym celem jest, żeby zabrać was stąd wprost do gwiazd”.
Jak powstają filmy do planetarium: wizyta w Creative Planet
Część ujęć, które widać w moim filmie na przebitkach, pochodzi z warszawskiego studia Creative Planet. Ta firma robi filmy fulldome dla planetariów z całego świata, takich miejsc jest dosłownie kilka na całym globie. Wsiadłem w samochód i pojechałem zobaczyć, jak to wygląda od kuchni. Wszystkie etapy produkcji, stacje robocze i farma renderująca są u nich na miejscu.
Najbardziej kusi mnie oczywiście technika, czyli jak renderuje się filmy w rozdzielczości większej niż 8K. Cała praca zaczyna się jednak od scenariusza i pomysłu na historię. Dopiero gdy są gotowe kolejne części scenariusza, studio przechodzi do modeli i animacji.
Od szkicu do sceny: ZBrush, Substance Painter, Maya
Przez proces przeprowadził mnie Maciek ze studia. Każda postać zaczyna się od prostych rysunków koncepcyjnych, które ustalają styl. Potem trafia do ZBrusha, programu do rzeźbienia w 3D. Model startuje jako wersja low poly i z każdym krokiem dostaje więcej detali, aż wygląda możliwie realistycznie.
Następny przystanek to Substance Painter, gdzie model dostaje tekstury i kolory. Tu można zmieniać poszczególne elementy, na przykład kolor włosów. Gdy jest gotowych kilka modeli, w uproszczonej formie trafiają do Mai, gdzie powstaje animacja. Uproszczone modele są po to, żeby scena działała płynnie i dało się dopracować każdy szczegół ruchu.
Dopiero gdy animacja jest gotowa, składa się scenę z wszystkimi obiektami w pełnych detalach. Po załadowaniu modeli i animacji scena może iść do renderu.
Render w czterech etapach
Render w Creative Planet nie dzieje się raz. To kilka etapów, a każdy z nich angażuje farmę renderującą:
| Etap | Oprogramowanie | Na czym liczy | Wynik |
|---|---|---|---|
| 1. Render sceny | V-Ray z pluginem do projekcji kopułowej | CPU | pliki EXR z osobnymi warstwami |
| 2. Render kompozycji | Adobe After Effects | CPU + CUDA na kartach NVIDIA | gotowe ujęcia |
| 3. Render mastera | Adobe After Effects | CPU + CUDA na kartach NVIDIA | master, czyli finalny plik filmu |
| 4. Cięcie na projektory (opcjonalnie) | FFmpeg z własnym skryptem | NVENC, rozproszone na wielu kartach | pliki H.264 lub H.265 dla konkretnego planetarium |
Pierwszy etap idzie na procesorach, bo studio korzysta z V-Raya ze specjalnym pluginem, który renderuje obraz do okręgu poprawnie wyświetlanego na kopule. Ten plugin na razie wymaga renderu na CPU.
Z V-Raya wychodzą pliki EXR, a każda scena ma kilka przejść: osobną warstwę ze światłami, osobną z kanałem alfa, osobną z zaznaczonymi postaciami. W After Effects robi się z nich kompozycję: korektę skóry postaci, korektę światła i korektę kolorów, która nadaje scenie konkretny ton. Taka scena znowu idzie do renderu.
Wyrenderowane ujęcia układa się potem na osi czasu razem z dźwiękiem i lektorem. Z tego powstaje finalny render, tak zwany master, który można wysłać do planetarium. Jeśli placówka tego wymaga, master jest dodatkowo cięty na tyle części, ile ma projektorów. Studio napisało do tego własny skrypt do FFmpeg, który koduje materiał rozproszonym renderem na enkoderach NVENC kart NVIDIA. Dzięki temu przygotowanie filmu do wysyłki zajmuje kilka godzin.
Stacje robocze, które nocą renderują
Część pracy przejmuje farma, ale stacje robocze grafików też muszą być mocne. Większość ma RTX 3090, bo przy oteksturowanych obiektach liczy się VRAM i 24 GB naprawdę się przydaje. Część komputerów ma RTX 4070. Praktycznie każda maszyna ma 128 GB RAM-u, a widziałem na własne oczy, że przy kilku programach naraz da się to zapchać.
Każda stacja robocza ma podwójną rolę. W dzień pracują na niej graficy i animatorzy. Gdy wychodzą do domu, komputery restartują się i dołączają do farmy renderującej, liczą kolejne klatki aż do rana. Zapytałem, czy rano w biurze robi się ciepło. Odpowiedź: tak, zaczęli otwierać okna.
Ile trwa render filmu do planetarium
Uśrednić to trudno, ale studio policzyło to na przykładzie swojego najnowszego filmu. Wszystkie klatki z pierwszego etapu renderu zajęły łącznie około 360 dni obliczeń, czyli prawie rok. Gigantyczne rozdzielczości oznaczają gigantyczne czasy renderu.
Nie jest tak, że studio kończy cały film i dopiero wtedy odpala render. Praca idzie na zakładkę: gotowa scena idzie do renderu, a w tym czasie zespół pracuje nad kolejną. Do tego jeden film ma często kilka wersji: 2D, 3D, długą i krótką. Surowe rendery jednej produkcji potrafią ważyć do 70 TB.
Gotowy film trzeba jeszcze obejrzeć. Na komputerze służy do tego program, który wyświetla film na wirtualnej kopule. Rozgląda się po niej myszką jak w grze, a dla lepszej immersji można założyć gogle VR. Na koniec odbywają się przedpremierowe seanse w prawdziwym planetarium, żeby dopracować ostatnie szczegóły.
Farma renderująca Creative Planet od środka
Kiedy korespondowałem ze studiem przed wizytą, nie wiedziałem, czego się spodziewać. Myślałem o serwerach Della czy IBM-a. Okazało się, że wszystkie render nody w szafie zbudował sam pracownik studia, z konsumenckich części desktopowych.
W szafie pracuje 10 nodów, które renderują przez cały czas. Każdy wygląda podobnie:
| Element | Render node Creative Planet |
|---|---|
| Procesor | AMD Ryzen 9 9950X (16 rdzeni, 32 wątki) |
| Chłodzenie | przemysłowe, z wydajnym wentylatorem |
| Karta graficzna | NVIDIA GeForce RTX 3050 zasilana ze slotu PCIe |
| Obudowa | rack 2U |
| Liczba w szafie | 10 |
Karta RTX 3050 wygląda tu skromnie, ale wybrano ją celowo. Musiała być zasilana wyłącznie ze slotu PCI Express i zmieścić się w obudowie 2U, żeby w szafie zmieściło się więcej komputerów. Przy kodowaniu rozproszonym przez FFmpeg łączna wydajność kilkunastu takich nodów w zupełności wystarcza.
Prawie pół petabajta i taśmy LTO-9
Same nody to nie wszystko, bo takie produkcje potrzebują ogromnej ilości miejsca. W serwerowni stoją dwa główne magazyny danych:
| Urządzenie | Pojemność użytkowa | Przeznaczenie |
|---|---|---|
| NAS QNAP (ZFS) | ok. 250 TB | bieżące projekty i rendery |
| Serwer storage | ok. 200 TB | gotowe materiały do enkodowania i rendery dla klientów |
| Razem | ok. 450 TB |
Prawie pół petabajta danych trzeba jeszcze jakoś zabezpieczyć. W jednym z komputerów siedzi niepozorny napęd na coś, co przypomina kasetę. To napęd taśmowy LTO-9. Jedna taśma mieści 18 TB bez kompresji i do 45 TB z kompresją. Materiały wideo są już skompresowane, więc realnie zysk z kompresji jest dużo mniejszy. Mimo to przy obecnych cenach dysków 20 TB taśmy są znacznie tańszym sposobem na archiwizację niż dyski twarde.
Największe wyzwanie? Scenariusz
Po tylu liczbach zaskoczyło mnie, co studio uważa za najtrudniejsze. W studiu usłyszałem, że mimo ogromnych rozdzielczości i ilości sprzętu największym wyzwaniem wciąż jest historia. Scenariusz ma porwać widzów i opakować naukę tak, żeby dzieci i dorośli nawet nie zauważyli, że się czegoś uczą. Napisanie scenariusza trwa w studiu niemal tyle samo co produkcja całego filmu.
Wnioski
Planetarium okazało się dużo bardziej skomplikowane, niż zakładałem. W Chorzowie jeden seans to praca jedenastu projektorów, kilkunastu zsynchronizowanych komputerów, sieci światłowodowej i rozbudowanego zasilania awaryjnego. Do tego dwóch osób, które prowadzą pokaz na żywo. Po drugiej stronie są studia takie jak Creative Planet, gdzie jeden film wymaga roku renderowania, setek terabajtów danych i scenariusza pisanego niemal równie długo jak sama produkcja.
W obu miejscach powtarza się jedno: karty NVIDIA z CUDA i NVENC. W planetarium generują i dekodują obraz, w studiu przyspieszają kompozycję i kodowanie. Ale najlepiej przekonać się o efekcie samemu, siadając pod kopułą.
Materiał powstał we współpracy z morele.net i NVIDIA.
Najczęstsze pytania
Jak działa projekcja w planetarium?
W Planetarium Śląskim obraz na kopule składa 10 cyfrowych projektorów 4K, z których każdy pokrywa fragment półkuli. Każdy projektor ma własny komputer, a wszystkie są zsynchronizowane. Uzupełnia je projektor optomechaniczny, który wyświetla gwiazdy jako ostre punkty światła. Takie połączenie to system hybrydowy.
Ile kosztuje projektor w planetarium?
Laserowy projektor Sony VPL-GTZ380 używany w Planetarium Śląskim kosztuje 319 tysięcy złotych. Na sali pracuje 10 takich projektorów, a jedenasty czeka na zapleczu jako zapasowy.
Jaka jest rozdzielczość obrazu w Planetarium Śląskim?
Planetarium opisuje swoją projekcję jako ponad 8K. Realnie na kopule wyświetla się około 44 milionów pikseli, po odjęciu nakładek między projektorami i czarnych obszarów poza okręgiem kopuły.
Jak długo renderuje się film do planetarium?
W przypadku najnowszego filmu Creative Planet sam pierwszy etap renderu zajął łącznie około 360 dni obliczeń. Studio renderuje scena po scenie, równolegle z pracą nad kolejnymi, a nocą do farmy dołączają też stacje robocze grafików.
Dlaczego kopuła planetarium jest dziurkowana?
Ze względu na akustykę. Pełna półkula odbijałaby dźwięk i tworzyła echo. Perforowane aluminiowe panele przepuszczają dźwięk do warstwy wełny mineralnej, która go pochłania.