舞臺視效設備聯動控制系統設計

白石磊

【摘 要】 基于舞臺視效聯動控制系統的設計原則，闡述系統智能組網、軟件控制的設計方案，以及系統特點。

【關鍵詞】 舞臺視效設備；聯動控制系統；智能組網；開放接口；分層設計

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.08.020

The Design of an Integrated Control System for Stage Performing Equipments

BAI Shi-lei1，2， SUO Yi-han1，2， FAN Xu-wei3， WANG Jing3

（1.Information Engineering School， Communication University of China， Beijing 100024， China；

2.Key Laboratory of Acoustic Visual Technology and Intelligent Control System， Ministry of CultureBeijing 100024， China；

3.Hunan MingheOpto Tech Co.， Ltd， Changsha Hunan 410100， China）

【Abstract】Based on the design principle of the stage-visual linkage control system， this paper expounds the design scheme of intelligent networking and software control of the system， as well as the characteristics of the system.

【Key Words】stage visual equipment；linkage control system；intelligent network；open interface；the layered design

1 引言

舞臺演出是視聽覺融合的藝術，視效是其中重要的組成部分，在演出中起著舉足輕重的作用。舞臺視效的呈現主要依靠舞臺燈具、LED顯示屏、投影等設備，但分別獨立控制給舞臺整體呈現視覺效果帶來不便。目前舞臺各類視效設備控制方式主要有以下三種形式：（1）通過燈光控制臺對舞臺燈光系統及特效設備進行控制；（2）比較簡單的舞臺顯示屏控制技術直接通過計算機外加一些簡單的視頻圖像處理設備實現對顯示屏的控制，這類技術控制屏幕方式單一，無法實現多屏幕的控制；（3）在視頻處理的基礎上，增加視頻圖像拼接設備，能夠實現多屏幕的控制，但是不能實現與其他舞臺視效設備的協同。

現有的舞臺視效設備控制方案，無論是單純的視頻控制臺，還是網絡燈光控制臺加數字媒體服務器的方式控制LED顯示屏或投影機，都存在以下幾個方面的不足：（1）設備集成化程度不高，連接復雜，容易出現兼容性和連接上的故障；（2）成套設備價格昂貴；（3）對于使用人員技術門檻較高，演出中往往需要多名專業人士協同操作。

隨著舞臺視效設備數量越來越多，應用技術不斷更新，多系統控制、多舞臺產品的視覺效果搭配的需求越來越迫切。現有的單一控制設備沒有從頂層設計的角度考慮整套系統的通用性、簡便性和易操作性，不便于使用。特別是群眾文體活動中心、文化館、酒店宴會廳、企事業單位多功能廳、廣場燈光視頻秀、展覽館、陳列館等非專業演出場所，以及一些中小型劇場，亟需一種操作簡單，集視頻、燈光、景觀照明等控制為一體的性價比較高的舞臺視效聯動控制系統。

2 舞臺視效聯動控制系統設計原則

舞臺視效聯動控制系統研制目標是面向非專業演出場所及一些中小型劇場，提供簡單、易用、集成化、一體化綜合控制臺。系統研發遵循以下原則。

（1）兼容性

盡可能利用現有成熟技術和豐富的軟硬件資源，避免重復開發。網絡控制系統底層以主流網絡協議TCP/IP為基礎，應用層必須兼容現有的控制協議（如DMX-512、Art-Net、ACN等）。硬件部分采用成熟的PC機作為平臺，無需另行開發。隨著PC機的不斷更新換代可以不斷獲取更好的硬件設備，可節約大量的研發資金，降低最終產品成本。軟件部分以PC控制臺軟件、媒體服務器軟件為基礎，將其整合至PC機中，結合專業圖形卡，同時還可以將物理按鍵、推桿模塊通過PCI-E接口或USB3.0接口進行數據整合，實現功能的總體整合。

（2）分層設計

系統可根據功能和耦合關系分解出子層，各子層功能明確，界限清晰。這不僅有利于系統開發，且有利于后期系統/設備維護及擴展。

（3）智能化

系統盡可能減少人工操作的工作量，最大限度實現設備的自動探測、自動配置、自動狀態監控。

（4）簡單開放

系統軟件及網絡控制協議實現開放接口，可被更多的用戶認可和使用，同時便于用戶的二次開發。

（5）易擴展性

系統應具有較好的可裁剪性，既可滿足最小系統的簡單使用，也能充分滿足大型演出的復雜應用，以適應不斷發展的應用需求。

（6）安全性和可靠性

系統的數據傳輸遵循端到端透明原則，因此，通信的可靠性應當提供端到端保障；同時還應當在網絡中建立信任體系，對外來設備的接入采取適當的認證機制，阻止網絡入侵，并對網絡行為提供來源追查功能。

3 舞臺視效聯動控制系統設計方案

3.1 總體方案

聯動控制系統是以CP 3072PRO視頻處理器為核心開發的，系統框架如圖1所示。該系統重點在于人機交換界面及程序設計開發，可以分解為三層：（1）頂層為“傻瓜式”人機交互平臺，只要按系統引導預置節目點擊調用播放即可；（2）場景設置平臺，技術人員可以根據場景的要求，設置屏幕效果和燈光控制的結合聯動，舞臺配置的技術參數，按照節目類型編輯；（3）設備設置，對于舞臺設備參數的設置可以在此層預設。

聯動控制臺總體上分為五大部分：綜合控制區、綜合編輯區、多點觸摸屏、系統輸入/輸出接口區、功能設置輔區，以屏效控制和燈效控制為主要功能，兼顧音響控制。其面板設計如圖2所示。

屏效控制的主要架構為：新的CanBUS總線和PCI-E×16高帶寬接口式視頻輸出板卡，能夠實現最高支持8K@60 Hz的視頻信號輸出，通過內置板卡可以實現不同形式的信號端口輸出視頻信號，針對投影機或LED大屏等顯示終端非常方便選取不同類型的輸入信號接口。采用控臺式面板按鍵，能夠實現對屏體亮度、節目和進度等的簡易式操作。

燈控的主要架構：集成燈光控制臺的控制編輯接口和按鍵，能夠實現對常用舞臺燈具的控制。

音效控制主要實現音量、均衡等常規功能操作。

控制臺能夠實現通過自身及外置硬盤存儲節目素材，將舞臺現場的場景控制（各個視效單元的場景技術要求以節目單元的形式存儲）存儲或調用；實現PC機的聯網控制，同時能夠對系統周邊設備進行自動探測、自動配置、自動狀態監控。設計人機交換界面，通過監視窗口對現場的各個場景進行實時的調度監控控制。

由于非專業演出場所的燈具、燈位、LED屏等視效裝置的設置一般相對較為固定，因此，在使用之前將所有的參數均設置好，以后就可以直接進行操作。開機時，界面將出現模式選擇，用戶可以根據需要選擇推薦模式或是自定義模式。采用推薦模式時，用戶可以直接根據應用場景從視效庫中選擇需要的效果，方便快捷。如果視效庫中無法找到對應的效果，用戶可以根據自己的需要進行自定義，自定義的所有流程系統將通過智能向導的模式對用戶進行指導，用戶只需要跟著系統提供的“引導助手”即可進行操作。系統操作流程如圖3所示。

接口區為控制臺與各外部設備的接口，主要包括USB接口、DMX接口、網絡接口、音頻接口、MIDI接口、DP1.4接口、DVI接口、SDI接口、HDMI接口、VGA接口等。

3.2 設備智能組網的設計

由于舞臺受控設備種類及數量繁多，需要保證系統能夠兼容這些設備，聯動控制系統的設備智能組網進行重點研發。為了簡化用戶操作，實現“即插即用”，將國際標準組織及各廠商所制定的不同設備控制協議統一為抽象模型，并進行標準化接口描述，注冊到協議管理組件庫中，以支持動態網絡通信協議配置，實現聯動控制系統的廣泛兼容性。針對各個協議進行開發，與通信組件進行溝通，實現前端協議的多種類支持，包括：DMX512、Artnet、sACN、RDM等國際主流演藝設備控制協議，其中Artnet、sACN、RDM等雙向傳輸協議是近年來發展日趨成熟的技術。設備組網的協議識別流程如圖4所示。

3.3 控制臺操作軟件的設計

控制臺操作軟件的設計研發也是一個工作重點。為了提高系統的易用性，良好的人機交互界面設計、智能引導設計是首要的；其次為了降低成本，軟件復用、兼容性、魯棒性、實時性也是需要重點考慮的內容。

為了降低非專業用戶的技術門檻，實現“傻瓜式”操作，任何一個區域都可以設置成相對專門的控制區域，如燈效控制區、屏效控制區、音效控制區或綜合控制區域。控制面板上設置的按鍵包括“場景”“設置”“上翻”“下翻”“確定”“取消”“節目管理”等。并且對于每一步具體的操作，系統都會引導用戶進行。系統內置有燈具信息文件，用戶可以直接調用，也可在控臺上進行編輯另行存儲在控臺或外部存儲設備上。在控制臺操作面板設置“場景”按鍵和上、下、左、右控制鍵，用戶根據應用場景和情節需求，通過上下左右控制鍵對控制臺燈具信息庫中預置的設備信息文件進行選擇預覽，按下“確認”鍵即可完成調用操作。按下控制臺操作面板上的“節目管理”按鍵，可進入節目管理界面，選擇“新建”、“刪除”或者“保存”進行節目管理，用戶也可以對燈具信息庫中的燈具信息文件進行再編輯或者自行設計新的演出文件，從而滿足多樣化、個性化的應用需求。若用戶需要自行設計添加新的效果，選擇“新建”按鍵即可新建一個節目，在智能引導下完成編輯后，選擇“保存”加入燈具信息庫，即可進行調用。用戶創建新文件的流程如圖5所示。

屏效控制要操作簡便，所見即所得。控制臺面板上設置播放控制鍵區和編輯鍵區。用戶按下編輯鍵，即可進入編輯界面，由兩個窗口組成，播放窗和控制窗。播放窗口是用來顯示用戶所要播放的文本、圖像、視頻等內容。軟件支持多個播放窗，每個播放窗對應一塊顯示屏，每個播放窗中可以進行獨立打開節目文件、獨立播放、獨立編輯等而不影響其他播放窗。控制窗是用來控制播放區的位置、大小及所要播放的內容，控制窗可以展開為編輯窗，控制窗包含菜單條和工具條以及編輯控件。“設置”菜單包含多屏組合/同步、調整大屏亮度/對比度/色溫、設置大屏區域等。屏效控制操作流程如圖6所示。

系統以屏幕控制和燈光控制為主要功能，兼顧基本的音效控制，實現音量、均衡等常規功能操作，主要功能包括音源選擇、音量大小、音色等的簡單控制。

4 系統的特點及優勢

（1）集成化程度高，結構更加簡單，功能齊全。可以在一個控制臺上實現對舞臺燈具、調光柜、數字媒體服務器、LED顯示屏、投影機等多種視效設備的聯動控制；整合了視頻輸出板卡視頻圖像處理和視頻拼接等設備技術特點，更加方便視效設備的調度控制；通過與舞臺模擬軟件相結合實現在線與脫機編輯。

（2）網絡設計結構建設標準化、模塊化，具備多層次、多級別在線保護功能；網絡備份全自動化；線路設計具有前瞻性、兼容性，充分滿足未來線路延伸、節點增加及系統擴容升級等需求。

（3）界面友好，操作簡單，易學易用，降低用戶技術門檻。

（4）價格相對比較便宜，可用性、可維護性好。

系統從市場應用及客戶的需求出發研發舞臺視效設備聯動控制系統，具有多用途、通用化、易操作等特點，具有良好的實用價值和市場前景。