舞臺調度內通系統IP網絡化方法的研究

李真，趙雪均，楊謙逸，周亦琛

(中國傳媒大學自動化系，北京100024)

1 概述

舞臺調度的內通系統應用于各種形式的劇院，是劇場工作人員在演出過程中進行內部溝通協調所必備的一套應用設備，它能夠保障演出中的各個要素得到完整的配合。由于國內劇場演出劇目的增多，使得舞臺演出的感染力、表現力與保障力的要求更為突出。其中，舞臺調度系統的需求變得更加的嚴格，尤其是在系統應用的便捷性、穩定性和規范性上提出了更高的要求。

一般情況下，舞臺調度系統涵蓋以下功能：有線內部通訊、無線內部通訊、燈光提示、呼叫系統、視頻監視系統、計時器、時鐘、場燈控制和數字開場鈴；并將功能按鍵全部集成在舞臺監督臺上。目前，現有的舞臺調度系統盡管能實現以上基本功能，但是依舊存在著一些難以解決的問題：設備和接口的標準不統一，設備繁雜且多冗余，無線信號易干擾、不穩定。為實現系統的可集成和易擴展的整體性能的提升，本文提出了舞臺調度內通系統IP網絡化方法，將系統的有線通訊、無線通訊、視頻監視等子系統利用現有的網絡框架完成整個系統的IP網絡化集成。本文重點研究舞臺調度有線、無線通訊系統的IP網絡化實現方法。

2 舞臺調度內通系統的現狀分析

早期劇院的有線內通主要依靠模擬對講機。它是將語音，信令，信號以連續波方式調制到對講機載頻上，并經過放大等優化處理的一種通信模式。但這種通話方式只能實現單路對話。到了20世紀70年代，對講系統從點對點的模擬對講系統發展到集群系統。集群系統是一個中心調度控制的對講系統，需要中心調度設備來控制整個對講系統的資源分配與用戶的接入。由于其廣泛的應用價值，集群系統的發展近年來非常迅速。

目前在一些小型演出中，通話系統采用PartyLine方式。其特點如同名稱一樣，就是實現各個站點共同通話，通過兩線或四線方式傳輸。其系統連接簡單，設備操作容易，但功能不夠靈活，擴展性差。

現在劇院運用最為廣泛的是矩陣系統。矩陣系統可以非常方便的實現點對點雙向通話、點對多點群組呼叫等功能。支持多種通信方式，并能通過一些接口提供其他輔助功能。可以通過增加矩陣端口，以及連接到矩陣的通話基站數量來進行系統擴展[1]。與PL通話系統相比，矩陣通話系統支持更多的用戶站數量，通過互聯其規模還可擴展；在可設執行方面可改變通話規則，使用方便。矩陣中可以兼容無線設備，舞臺的無線內通將載頻選在甚高頻或超高頻頻段，在需要覆蓋的地區例如馬道上安裝天線，利用天線發射載波信號，無線接收設備將信號接收后同樣給到矩陣統一處理。

綜上所述，無論是PartyLine方式還是矩陣方式，其設備的兼容性差，不同品牌的產品無法兼容，業內也沒有統一的標準。IP網絡化的系統不僅可以解決標準統一、產品兼容的問題，更可以為進一步的舞臺設備全網絡化提供可能，從而實現舞臺演出效果呈現關鍵技術的統一管理。

3 舞臺內通系統IP網絡化需求分析

3.1 舞臺內通系統應用需求

舞臺內通系統主要協調燈光、音響、機械、道具等協同作用，利用廣播進行提示和安排演員有序上場，同時還有燈光提示的輔助功能。根據劇場的內部應用，所有通道被分為燈光、音響、機械、輔助、藝術、總通道六個通道，其中總通道即舞臺調度臺，導演或舞臺監督利用調度臺對演出進行全部調度。演出過程中實際用到的呼叫分為單呼、組呼和組內呼叫應答，對應于對講機上的兩個呼叫按鍵。單呼、組呼按鍵接收調度臺的呼叫，而另一按鍵用于組內溝通協調。另外，廣播應用于化妝間、候場區和候場區，主要實現演員催場和廣播通知的作用。

3.1 舞臺內通系統IP網絡化架構

如圖1所示為整個劇場內通系統IP網絡化集成后的系統連接圖，主要分為有線內通部分、無線內通部分、廣播部分以及調度中心部分，各部分的終端最終都通過網線連接在交換機上，以IP包的形式進行信息交換。各終端獨立尋址，其IP地址、服務器IP地址、名稱等內容通過配套軟件進行寫入。設備在連入網絡后將自行與服務器進行匹配與更新。

借助于目前IP語音通信的成熟技術方案，各終端設備采用內嵌DSP芯片的設計方法來設計語音設備。由于演出過程中首要保證的是內部通訊的穩定性，所以終端設備的設計主要以單一的實現兩路通話為主，不添加多余應用。因此設備主要依靠硬件實現通話。

對于終端設備的硬件配置，以VoIP主芯片為核心附以必要的外圍設備，采用DSP內核結構，同時有以太網接口、音頻接口和I/O擴展電路等幾部分。主芯片完成所有語音的處理和傳送，包括回音抵消、抖動緩沖等保證高質量語音交互的功能[2]。其他部分用于設備連接和擴展。

4 舞臺內通系統IP網絡化方法研究

近年來VoIP技術在解決IP語音通信方面日漸成熟，一些技術標準(如SIP標準)的出臺大大提高了通話質量，使VoIP技術達到了大規模發展的階段[3]。而舞臺監督調度系統IP網絡化的實質是實現點對點和點對多點的IP語音通話。運用VoIP技術可以實現內通系統的全網絡化。

圖1 舞臺內通系統組成框圖

VoIP技術利用了全球IP互聯的環境，是建立在IP 技術上的數字化傳輸技術，以分組的形式傳送語音數據[4]。VoIP是一個非常復雜的系統工程，應用層面很廣，因此涉及的技術也很多。VoIP 技術的發展有兩大方向，一是遵循國際電聯H.323 標準，二是遵循IETF( The Internet EngineeringTask Force) 的SIP 協議[5]。但不論是何種協議都要以遵循基本的網絡協議作為前提，即網絡層的IP協議和傳輸層的TCP或UDP協議。由于TCP協議是通過超時重傳來保證數據的可靠性傳輸的，有較大的延時，不適合內通系統的實時性。所以本系統可以用UDP協議加上應用層的實時傳輸協議(RTP協議)來滿足系統的實時性。

4.1 語音信號網絡傳輸

實現語音信號網絡傳輸，最簡單的傳輸過程就是一個端對端的傳輸過程，內部通信傳輸過程可分成以下幾個階段。

(1)模數轉換

對內通系統而言，從終端輸入的語音信號是模擬信號，通過網絡傳輸語音，首先要對語音進行處理的工作是語音信號的模數轉換，也就是量化和編碼。通常運用的語音編解碼標準為G．729或G．923。

(2)數字數據到IP分組的轉換

語音信號數字化之后，要對語音分組進一步壓縮編碼。對分組語音再次進行分段后編碼的工作，使其符合RTP-實時應用程序傳輸協議。編碼后將分段的信息合成一個壓縮的語音包送入網絡處理器。網絡處理器為語音分組添加分組頭、時間戳和其他信息后通過網絡傳送到另一端點[6]。這樣的數據報攜帶尋址和控制信息，一站一站地轉發到接受端。

(3)傳送

在這個過程中，網絡持續不斷地從輸入端接受數據報，網絡中的路由器檢查每個IP數據報附帶的尋址信息，并使用這個信息把數據報轉發到目的地路徑的下一站。

(4)IP分組到數據的轉換

網絡末端的處理器接受到數據報之后，去掉尋址和控制信息，保留原語音信息。

(5)數字語音轉換成模擬語音

最后再次解壓縮，揚聲器按照預定的頻率播放。其整個過程如圖2所示。

圖2 語音信號網絡傳輸的基本過程

4.2 SIP協議

SIP協議是傳輸層之上的應用層協議，其功能是發起會話，它能在一個或多個參與者之間建立、修改和終結單方或多方的會話，會話包括網絡多媒體視頻會議和網絡的電話呼叫。相對于H.323采用基于ASN.1和壓縮編碼規則的方法表示其消息，SIP是在SMTP(簡單郵件傳送協議)和HTTP(超文本傳送協議)的基礎上建立起來的，本身也是文本方式的協議，這種協議簡練、靈活、開放的優越性已經在過去的實踐中得到了很好的證明。并且在建立呼叫時，SIP協議的呼叫建立時間較短。因此本系統選擇SIP協議作為建立會話的應用層協議。同時為保證系統的實時傳送，應用層中還需實時傳輸協議RTP協議。

5 結論

本文對劇場舞臺調度內通系統的現狀和應用需求進行分析研究，提出了內通調度系統的IP網絡化方法。該方法利用先進的音頻技術、多媒體技術和計算機網絡技術搭建IP網絡化的舞臺內通調度集成系統，它適應于劇場演出現場指揮、交流與業務協調，可實現更加簡潔的硬件配置、更加靈活多變的通訊需求、更加靈敏清晰的通話質量。并且在IP網絡化的基礎上，容易兼容手機或平板電腦設備，實現可視化可交互性強的應用體驗。此方法的研究為舞臺設備全網絡化的統一管理提供可能，提升了演出效果，具有實際的應用價值和廣泛的應用前景。

[1]何海燕．廣播電視內部通話系統[J]．信息科技，2012．

[2]劉洪林．IP語音通信原理、設計及組網應用[M]．北京：電子工業出版社，2009．

[3]桂海源．IP電話技術與軟交換[M]．北京：北京郵電大學出版社，2010．

[4]黃永峰．IP網絡多媒體通信技術[M]．北京：人民郵電出版社，2003．

[5]曾虹，戴國駿．VoIP 的關鍵技術及語音終端的研制[C].杭州電子科技大學，2005．

[6]劉志軍．軟交換技術協議SIP 及其在VoIP 中應用[C]．河北機電職業技術學院，2006．