现代舞台灯光效果控制方式与技术原理分析

2016-09-16广州市浩洋电子有限公司

电子世界 2016年12期

关键词：电脑灯舞台灯光灯具

广州市浩洋电子有限公司　匡　昕

现代舞台灯光效果控制方式与技术原理分析

广州市浩洋电子有限公司匡昕

舞台表演时光束照射的角度、强弱，色彩的变换，图案的更替，频闪速度等参数的设定之类的功能，全部需要舞台灯光控制系统对多台灯具联合，单台灯具功能的调配。本文介绍了舞台灯光控制方式的发展应用，浅析控制技术及其硬件原理。

舞台灯光控制系统；DMX512；Artnet；网络协议；灯光秀

0　引言

在演出中，用灯光对比突出或隐藏表演内容、烘托气氛、感染观众，已成为约定俗成的艺术手段。舞台灯光控制，从具体功能上来说，就是调整设定光束的定位、颜色、图案、亮度、频闪速度等参数，通常需要利用灯具的机械动作来实现，实现的通道就是控制系统发出的指令到达目标灯具的方法。因此，控制系统的历史应与舞台照明的历史区分开来，前者注重的是效果变化，后者则注重舞台效果本身。

1　DMX512数字信号控制协议工作原理

控制系统的发展历程大致可以分为四个阶段：原始开关控制技术阶段，模拟调光控制技术阶段，数字信号控制技术阶段，网络建模控制技术阶段。目前DMX512数字信号控制协议为主要控制手段，总体来说，其在舞台灯光行业表现优异。

DMX512的数据传输以数据包的形式进行，信号传输的开始以1个低电平复位信号为标志，后面紧跟8位数据位，以2位连续高电平作为结束：

图1　DMX512信息包结构时序图

根据灯具本身设定的起始地址码，舞台灯具甄别控台传输的DMX512信号的起始位接收通道控制信号。一个地址码可以对应多个灯具，实现同步控制，适用于需要宏大整齐的灯光场面，但此时控台无法实现特定灯具单独控制，效果单一。

若一个地址码只对应一台灯具，则每台灯具将单独从所设定的特定起始地址开始接收DMX512控台的信号。此时单一灯具可实现独立效果，对如追光灯等类似的特效灯具更为实用。需要注意的是，独立地址码设定时需要考虑灯具操作效率，一般功能相近灯具地址码上下连续。

比如某LED灯共有2个控制通道，第一台灯具的起始地址码应设置为1 ，第二台应设为2（1+1），第三台应设为3（2+1）等，依次类推。

2　ACN/Art-Net协议工作原理与应用分析

DMX信号传输抗干扰能力不强，且本身并无自我检测与纠错功能，致使接收设备无法确定数据是否已遭破坏。其信号电缆的布置要求也较为复杂，需保持信号线不变形、无损安装，与各类线缆分开敷设，以保证其经过的是最短路径。尤其LED点阵控制的出现，使通道数量远超一般规模，控台后部已带有8个DMX接口。因而，具有可扩展性、传输速度快、规模大、网络配置简单的基于网络的灯光控制协议逐渐成为演艺灯光调控的主要方向。其中以代表北美业界的ACN协议和代表欧洲业界的Art-Net协议表现最为突出。

ACN协议与Art-Net协议的工作原理如图2所示：

图2　ACN/Art-Net协议工作流程图

Art-Net仍传输DMX类型数据，但极大扩充了控制数据传送量与传送距离，增强了数据稳定性，提升了传输速度，同时使得更为复杂的数据传送不再是问题。因此，网络传输协议还发展了可编程、可模拟的控台。

ACN不仅可以传输DMX类型的数据，还充分考虑了其他类型的数据形式，相比Art-Net来说较为全面。但正是因为ACN可以传输的数据种类过于繁多，甚至包括了从灯光到机械、音响以及其他娱乐设备的控制数据，导致其难以推广。

3　舞台灯光无线控制及3D虚拟控制系统

相比用以太网络进行数据的有线传输，无线传输方式可以省去电缆铺设与综合布线等高成本、大工程量的准备过程，因此，它的应用范围也呈现逐步增加的趋势。

不过无线网络的缺点也较为突出。一是适用范围的限制，灯具的铺设面积达到一定程度，无线设备发出的控制信号就难以被目标灯具接收；二是稳定性较差，相比有线的网络信号，无线信号易受电磁干扰，EMC标准要求较高，而且在信号发射和接收设备之间必须保证无障碍，加大了配置天线的难度；三是控制力度的不足，现代表演灯具的种类繁多，但就目前的无线通信水平来说，同一时间控制的灯具类型还达不到中大型演出所需要的水平。

3D虚拟舞台灯光控制功能，目的是减少调光师和其他工作人员现场调试的工作量，还可依据舞台场景的特殊要求对场景进行实时绘制。这项技术目前还不算成熟，所以实际的应用不是很广泛，但随着现代演出往大型化、智能化发展，很多控台都已经具备了初步的3D模拟功能。

4　灯具控制系统分析

以下位机的控制为例。嵌入电脑灯等智能化灯具中的单片机，往往会在组装之前就输入好控制程序，以便于每台灯具的详细控制。而由于电脑灯所具备的功能愈趋复杂，往往需要使用芯片组才能完成一系列的控制运作。因此，就出现了步进电机的控制模块与其他功能的控制模块。

步进电机控制模块包括X轴电机控制和定位、Y轴电机控制和定位、光圈控制或点控、特效的旋转和自转、换色器控制、光闸、CMY颜色混合器、光源温度采集以及高温保护等诸多功能。然后再通过信号的传输与总控制台相连，接受并执行具体的动作命令，其简单原理图如图3所示：

图3　电机控制系统整体原理图

而对于不同的厂家，同一厂家的不同型号灯具，以及，同一型号灯具的不同功用，其他功能模块则成为主要的区别部分，使得各个控制系统的此模块都有自己的特色。

以浩洋电子的一款电脑灯为例，其使用的是Atmega_128芯片，Atmega_128是一款高性能、低功耗的AVR®8位微处理器，具有64引脚，数据吞吐率高达1MIPS/MHz。该电脑灯产品具备声控功能与无线通信功能，在软硬件上都属于业内领先的产品。系统硬件原理图如图4所示：

5　控台工作原理

控台即控制舞台表现效果的大脑。为了确保一场表演的连贯性、流畅性和整体性，场内灯具一般由一座或几座智能控制台遥控。控台通常包括复演、存储、校正三种功能，由内设程序与编制程序共同完成。复演分为自动与手动：自动即是按存储时所确定的时间重现复演的场面，之后只要按转换控制器，就自动往下进行；手动则需要复演的场面编码，按动电钮就会根据转换控制器的转换位置而复演。将设定的灯光通过控台的亮度控制电位器和色彩变换按钮存入存储器，在自动复演过程中确定场面的持续时间和转换控制时间，即为存储。一场复杂的灯光表演需要的场面数量很多，这个过程可反复进行。而校正则是指对于所存储的各项数据分别进行个别校正或更改，或在所存储的场面指令之间加入新的指令等。不同的控台操作界面、程序语言等都会有一定区别，但控台基本功能都会保留，以便与不同灯具、使用场景对接。