下一代演艺灯光设备自动组网及关键技术进展（上）

下一代演艺灯光设备自动组网及关键技术进展（上）

（中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024）

根据我国下一代网络化演艺灯光控制系统的设备及组网设计理念，提出该系统的协议体系架构及实现流程，分析了设备发现、设备识别、设备描述、设备管理及会话数据传输等子协议，旨在给出一套有效的系统自动组网方法。

灯光控制系统；设备自动组网；设备发现；设备识别；设备描述；设备管理

1 引言

灯光设备是演艺工程技术的主要研究对象之一，也是各类演出（展示）必不可少的元素。面对着灯光网络化所带来的诸多优势，世界上各大灯光设备厂商纷纷推出各自的网络化灯光设备和控制系统。通常来说，灯光设备接入系统的目标是在尽量少的人工干预下，实时获取系统中控制设备所提供的数据，并能够向其他设备提供服务。这就涉及到演艺灯光控制系统的自动组网，设备自动发现、描述、识别等。即用户设备及系统应该满足以下基本要求：设备接入系统后即能根据系统环境对其自身和系统的某些参数进行自动配置，以便能和其他设备进行通信；设备能描述并声明自身提供的服务，便于其他设备的访问。此外，具有即插即用特性的设备还应能与不具备此特性的设备进行无缝的互操作，可适用于人工配置联网操作，对不同的联网环境具有良好的适应性，在必要时能对有关配置进行自动更新。达到这些条件，需要在用户设备与网络环境之间进行协调。这就要求控制系统和系统设备之间遵循一定的协议来保证信息、数据等可靠传输。但不同厂商的设备和控制系统所遵循的应用层协议不同，因此，各厂家生产的灯光设备之间的兼容、通讯、互操作等方面还存在着不同程度的问题。虽然，世界上一些研究机构和厂家已经致力于网络灯光控制协议标准的研究，具代表性的有欧洲的Art-Net协议和美国的ACN协议，但是该领域到目前为止，还没有一个统一的标准。

本文根据我国下一代网络化演艺灯光控制系统包括的设备及设计理念提出相适应的原协议体系架构，并介绍了协议体系架构包括的几个主要方面，即设备发现、设备识别、设备描述、设备管理及数据会话传输等。然后分别具体给出各个协议机制在整个协议架构中的作用及主要内容，旨在给出一套能在尽量少的用户干预的情况下，系统实现自动组网、系统设备之间实现相互通信的方法，实现演艺灯光系统更好的为艺术表现服务。

2 系统设备简要介绍

演艺灯光控制系统的设备功用均是为艺术表现服务的。下一代网络化演艺灯光控制系统中主要包括3类设备：

（1）受控设备。主要包括各种灯具、效果器等，工作环境往往是影剧院的吊杆、舞台面、灯架、马道、硅室等，直接为表现艺术效果服务。

（2）控制设备。主要包括各种灯具、效果器的控制台，为控制灯具、效果器服务，往往位于观众席后方的控制室内。

（3）监管设备。主要包括各种监视、通信、管理设备，为监督、管理系统服务，往往位于监控室内。灯光控制网络具有总体分散、局部集中的特点，基于设备分类的思想，我们将灯光控制系统划分为管理层、控制层和设备层。如图1所示。

图1 下一代网络化演艺灯光控制系统网络拓扑结构

从纵向来看，管理层、控制层与设备层体现了分散控制的思想，每层负责不同的任务；从横向来看，现场设备层也可以形成独立的控制区域，实现某一控制区域内各设备之间的通信。层与层之间以及同层的设备间都是通过双绞线或者光纤进行传输。

3 组网设计理念

作为高科技成果，网络化演艺灯光控制系统的确能为灯光操作人员带来新的使用效能，也将改变传统的灯光控制的思想观念，更新灯光控制的工作方式，它代表着一种发展趋势，确立网络化演艺灯光控制系统的发展定位是首先应明确的指导思想，通常来说，一个好的控制协议应符合以下几个基本条件：

（1）接收端能快速找到自己需要的数据段，对不认识的数据能快速跳过、屏蔽。

（2）发送端根据需要可以加上只对自己有意义的数据段，但是完全不会影响接收端。

（3）当协议升级后，保持对老版本协议的兼容。可以看出，规则（2）、（3）都是建立在规则（1）上的。

根据一个好的控制协议所应满足的几个基本条件，考虑到网络化演艺灯光控制系统的实际情况与未来的发展，我国下一代网络化演艺灯光控制系统协议机制的设计应基于以下7点设计理念：

（1）兼容性原则

控制系统要以主流网络协议 TCP/IP 为基础，尽可能地使用大量的第三方现有网络硬件和软件，同时，必须兼容现有的灯光控制协议，实现现有灯光控制协议设备信息在下一代网络化演艺灯光控制系统无障碍传输。

（2）分层模块原则

控制系统应详细定义该协议包括的各个子协议的功能、清晰的界限和分层，并且将各子协议分为各个小的模块，同时每个模块相互独立，这样可以按需要添加、删除或联合模块，并且实现不同组件的协同工作，方便协议的压缩与扩展。此外，模块中很多参数不是固定的，而是根据在设置其他模块或环境因素时最佳操作来设定参数。

（3）智能化原则

控制系统需要在尽量少的人工干预下解决繁琐的参数配置问题以及寻址问题，将设备的功能描述成一组变量或属性，使用户设备在联网过程中尽可能做到由获取属性值来监测设备状态和设置其属性值来控制设备操作。

（4）端到端透明原则

端到端透明原则必须在控制系统中采纳。考虑到演艺灯光网络设备需要通过修改设备属性完成优化升级、地址转换等要求，所有端到端的不透明将对控制系统的发展形成很大的阻碍。因此，应该针对地址空间、安全等需求有所优化，但是端到端透明的原则也应当以不影响用户应用为限。

（5）简单开放原则

很多协议的成功在很大程度上取决于简单开放原则。控制协议的相关层协议必须开放接口，才能使协议被更多的使用者所接受；功能和应用层接口只有尽可能开放，才可能使更多的用户投入到该协议的应用中。

（6）可靠性原则

由于遵循端到端透明原则，因此，用户通信的可靠性应当提供端到端保障；除了对协议增加鲁棒性设计外，还应当在网络上建立信任体系，并对网络行为提供来源追查的功能。此外，对于外来设备的接入手段也应该保障适度的安全。

（7）有限边界原则

研究前期，课题组提出将网络化演艺灯光控制系统划分为6个模块（系统调光室、灯光控制室、网络设备层、其他相关网络系统、本地演播总监控系统与远程控制系统），涉及演艺灯光控制系统的远程控制，但结合实际情况，考虑到系统的实用性，后期课题组提出有限边界原则，即演艺灯光控制系统的工作范围不应无限扩展，而应限制在一定的范围内，如一个歌剧院。

基于以上设计理念和设计原则，我国下一代网络化演艺灯光控制系统协议体系架构应该由设备发现机制、设备识别机制、设备描述机制、设备管理机制和数据会话传输机制组成。其协议流程如图2所示。

4 设备发现机制

4.1 背景

随着剧院、演艺厅等演艺场所规模的扩大，演出节目对灯光、背景、效果设备的要求也越来越高，一台晚会、一场演出需要上百台甚至上千台不同功能的灯。要正常使用这些设备，灯光师必须对所有灯具的品牌、型号、功能了如指掌，同时，可将这些灯具进行有效的分类，以方便具体操作。具体来说，就是给每个灯光设备一个设备地址，将控制信息发送给某一地址，就相当于将控制命令分配给该地址所对应的灯光设备。也就是说，要对每个系统内的灯具进行逐个系统地址的编写。实际上，要求灯光师掌握成千上万的灯具设备的品牌、型号、功能和控制方式，并对他们逐个编址，显然是不可想象的。为了节省灯光师等工作人员花费在输入基本数据以及手动配置参数上的精力和时间，实现设备的自我发现是很有必要的。

4.2 设备发现机制在系统中的作用

建立灵活有效的演艺灯光控制系统设备发现机制，可以使用户设备在联网过程中尽可能做到即插即用（UPnP），以便灵活获取设备属性，进而实现对设备的监视和控制，为不同厂商的设备兼容、通讯和互操作奠定基础，为灯具产品的标准化和搭建合理的系统架构做出一定的贡献。

4.3 网络灯光设备发现机制

服务发现是指这样一种自发的过程：网络实体（不仅仅是目录服务）能自动发现网络上的其他实体，而且能向其他实体通告自身。其主要目的是增加网络系统的易用性和兼容性。

图2 下一代网络化演艺灯光控制系统协议实现流程图

我国下一代网络化演艺灯光控制协议体系中的设备发现机制采用设备定位协议（SLP），它定义了三种代理实体，包括服务代理（SA）、用户代理（UA）和目录代理（DA）。SA是运行在服务器上提供服务的实体，代表服务通告自己的服务定位信息、类型及属性（Attribute），如设备；UA是运行在用户计算机上用于发现服务的部件，为用户通过查询目录代理中缓存的服务定位信息找到它所要的服务属性及其在网络中的位置，如控制器；DA是收集、缓存服务信息的可选服务器。

服务定位协议定义了3种运行模式：

（1）直接定位模式。相对简单的网络中没有DA，UA可直接向SA广播服务请求消息。客户端请求UA为它找到一个服务；UA组播一条包含所需服务描述的服务请求（Service Request）消息；SA接收到该组播消息后，如果它所在的接收节点上有与该请求匹配的服务，就单播包含该服务定位信息的服务应答（Service Reply）数据；用户代理收集所有的应答，并向客户应用程序返回一张服务特性和位置信息列表，应用程序从中选出有用信息，就可以利用该服务了。

（2）间接定位模式。一般在较大规模网络中采用。在较大规模的网络中，客户端与服务器间频繁的组播信息可能会耗费大量的网络带宽，引入DA可以有效地限制实现服务定位所需的网络流量。系统运行启动初期，UA和SA以主动或被动发现方式确定网络上是否存在DA，主动发现方式中，UA和SA在启动时向网络组播SLP请求，被动发现方式中，DA以组播方式通告服务，如果有任何UA或SA没有收到这个初始的通告，DA就周期性地继续通告服务。在特定条件下，系统也允许通过动态主机分配协议（DHCP）或手工配置方式发现DA。

（3）Scope运行模式。当网络规模大到一定程度时，DA也会不堪重负，导致网络阻塞，影响到服务定位性能，为解决这种问题，在服务定位协议中引入了“Scope”机制。该模式的主导思想是：将任意相关的代理实体组成一个域，不同的SA和多个DA属于各自的域，在域中所有SA只会在支持该域内的DA注册，域内的UA也只会向本域内的SA或DA发出服务查询；若不指定UA所属的域，则UA可以发现网络提供的所有服务。建立域的目的是将必要的信息限制在域内，减少域外的数据流量，缓解系统的网络拥塞。与Art-Net发现机制相比，大大节省了网络带宽。

5 设备识别机制

5.1 背景

虽然，灯光控制系统已经步入了网络化阶段，其应用的规模和智能化程度与数字时期比较已经有了很大的进步，但在目前的实际应用过程中，控制台对入网灯光设备的识别功能还没有达到理想的状态。比如说，不同的演艺灯光控制系统采用不同的应用层协议，当设备接入网络后，系统往往不能自动识别设备，而需要人工手动操作，这大大增加了系统的复杂程度，也影响了系统的实时性和智能化；而且，由于缺乏统一的灯光设备描述格式，即控制台和受控制设备之间没有统一的沟通语言，所以，在设备刚入网时，控制台和受控设备之间无法立即建立有效的信息交互，甚至根本无法相互识别。

5.2 设备识别机制在系统中的作用

在演艺场所规模越来越大、舞台灯光效果要求越来越丰富的背景下，当主灯光控制台作为整个灯光控制系统的核心时，每一个现场灯具接入控制网络并通电后，主控制台即可自动实时、准确地响应新设备进入，获取该设备的类别名称，及可以进一步与该设备进行通信的具体地址，这是网络化、智能化下最为理想的设备识别过程。只有实现设备识别的自动、实时和准确，才能适应现代化大型演出的要求，简化工作人员输入基本数据以及手动配置参数的过程，并使处于剧场各个角落的灯光设备能够按计划可靠无误地工作。

5.3 网络化演艺灯光设备识别机制

5.3.1 网络化演艺灯光设备识别机制协议构成

下一代网络化演艺灯光控制系统设备识别机制的规范是为了保证遵循该协议的不同厂家的产品能够在同一个控制系统中实现实时准确的识别，由识别辅助协议和识别主体协议组成。其中，识别辅助协议包括寻址协议和发现协议，识别主体协议包括设备标识符规范、设备描述文档的规范以及识别过程中调用机制的规范。

下一代网络灯光化演艺控制系统设备识别机制基本框架如表1所示。引入DHCP、SLP来实现设备识别前对设备的发现和服务定位。识别主体协议中，选用UUID作为网络灯光控制系统中的标识符，选用XML语言对灯光设备的基本信息、设备功能信息和设备状态信息进行描述，以适应灯光网络智能化管理的需求。

5.3.2 网络化演艺灯光控制系统设备识别机制各子协议的协作关系

下一代网络化演艺灯光控制系统为设备提供了即插即用的网络环境，基于对设备识别机制各子协议所规范内容的梳理，下文将以首次连接到网络的受控设备如何被控制端识别为例，对各子协议之间的协作关系做详细的说明。各子协议之间的协作关系如图3所示。

（1）识别准备过程。即插即用的灯光网络是基于寻址功能的TCP/IP协议，每个受控设备都具有DHCP客户机。当受控设备首次连接到网络时，首先搜索DHCP服务器，通过给DHCP服务器发送请求信息DHCPDISCOVER，从DHCPOFFERS回应消息中获得该设备IP地址，从而实现网络中设备寻址的功能；受控设备接入网络后，遵循SLP，受控设备通过服务代理（SD）将其服务类型以及链接路径等简单的信息通知给控制台，其中路径是以设备标识符CID来命名的，控制台将受控设备的通知信息存放在一个网页地址（URL）的列表里，从而实现控制台对受控设备所提供服务的发现。

表1 下一代网络化演艺灯光控制系统设备识别机制基本框架

图3 下一代网络化演艺灯光控制系统设备识别机制各子协议的协作关系图

（2）设备识别过程。由于控制台对于受控设备的了解仅限于URL列表中所提供的很少的信息。为了进一步识别受控设备的属性，控制台需要完成如下工作：控制台通过设备标识符命名的链接路径链接到受控设备，并对其发送请求进一步获取该设备的属性的指令；受控设备返送的设备属性中包括该受控设备的IP地址、端口号以及设备描述文档的根节点，控制端通过对设备描述文档根节点的判断，来确定是否与该类设备有过通信关系，如果有，可直接调用该类设备的设备描述文档对其进行基于DOM的解析和识别，如果没有，就遵循设备描述文档的定位规则检索该受控设备的设备描述文档，从而实现对该设备的进一步识别。

（3）UPnP操作过程。通过“控制”、“事件”或者“表示”的操作来执行UPnP操作：

控制：控制台通过获取和设置XML文档所描述的设备属性值来实现对受控设备的控制。

事件：受控设备的状态在接收到控制命令后会改变，则受控设备通过事件消息将其改变通知给控制台，该事件消息是将一个或多个状态变量的名称和值，以XML语言，并且以事件通知结构（GENA）格式给出，这一事件在被周期更新后连续地通知给控制台。

表示：控制台将受控设备所有的状态及其变化过程通过URL载入浏览器，用户可以通过使用浏览器等浏览方式来实现控制和查询该受控设备的状态。

（编辑 张冠华）

Research on the Device Auto Networking and Key Technologies of the Entertainment Lighting System (Pt.1)

JIANG Wei, DING Li, JIANG Yu-jian, REN Hui, ZENG Ying
(School of IE, Communication University of China, Beijing 100024, China)

System device and networking design idea for the network entertainment lighting control system of the next generation were introduced in this paper; then proposed the protocol architecture and the implementation process of the system based on the design principles; fi nally, aims to give an effective system auto networking way, we give a detailed analysis of the various sub-protocol in this architecture，including device discovery, device identify, device description,device management and session data transmission.

lighting control system; device auto networking; device discovery; device identify; device description;device management

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.04.004