浅析电影照明数字控制技术的现状及趋势

杨 可

电影被很多业内人赞誉为 “光影调度”或者“光影叙事”,足可见光影在电影呈现效果方面的地位,光线的运用很大程度上决定了影片的基调和品质。在前期制作中,自然光源和人工光源的控制往往是并举的,它们都有着丰富的内涵,其控制技巧和技术也不一而足。其中,照明灯具的控制是光线控制的重要基础。

随着数字灯具的普及以及DMX512协议标准的引进,高效和集中的照明数字控制技术,即对一组或多组照明灯具进行远距离数字管理和自动控制的技术,成为了很多好莱坞电影制作的标配,近些年也在国内得到了推广。电影照明数字控制技术使得摄影师对复杂照明的掌控更加自由,光效变化的调整更加直观、精细和感性,并且,原本需要耗费在技术沟通上的大量时间,可以更多的投入到创作中去。

1 照明控制的跨领域发展

从技术层面来讲,我们可以通过配置调光器、透镜、色纸、纱网、蝴蝶布、软格、反光板等附件和耗材来控制光的亮度、照度、聚散、颜色、硬度、方向等参数,也可以通过移动灯具的位置和角度来改变光线的性质,但这些常规手段往往需要通过灯光助理的近距离手动操控来实现,当灯具数量达到一定规模时,每一次调整势必需要调动大量人力,耗费大量时间。

上个世纪80年代以前的影视照明还处于模拟的时代,对照明设备的远程集控也还只是模拟控制。比如通过模拟调光箱和调光台等设备实现对灯具电压连续变化的控制,一般一个调光回路就需要一条控制线来连接;一些电子机械装置也可以控制灯具的其他属性,比如,想改变光源的颜色,就给灯具安装一个马达控制的色片轮,通过改变马达的电压来改变色片轮的位置,进而改变颜色等。

80年代末,照明控制进入了数字时代,也就是使用借助数字、字符或者其他符号对照明设备进行编程控制的自动化方法。但在一开始,仍然没有解决简化系统的问题,因为每个灯具都需要通过一根八芯的高清信号线来控制,所以当有多组灯具需要控制时,现场势必有无数条杂乱的信号线。

1990 年,数字多路复用协议DMX (Digital Multiplex)512作为一种工业标准被引入照明控制领域。DMX512协议是用来控制调光器和照明设备的一种通信网络,采用串行方式传送数字信号,控制器与一组设备之间只要一根信号线连接即可。控制器输出端称作数据链路,为512 个称之为槽(slot)的通道提供数据。通过这条链路,可以向串联的所有设备发送多个槽的控制命令,方式是从一个设备到一个设备的逐次分发。这是一种更容易加载、安装和调整、拆除的方案。

照明数字控制最早应用于舞台照明领域,因为大型的秀场、演出和展览需要实时控制大量的灯光设备,只有借助数字化控制才能实现炫酷的动态灯光效果,后来,精细的电影制作也将其引入前期流程中。

DMX512协议的统一使得各厂家的设备可相互连接,兼容性大大提高,而且它不仅可用于控制普通照明灯具,还可以控制各种特殊设备如色彩滚动器、旋转Gobo、遮光器、摇头灯、烟雾机等。但是,DMX512刚问世的时候是单向协议,即数据从控制台向设备移动,没有错误检查或校正的功能,因此不能控制烟火、激光照明或任何对工作人员有危害的设备。另外,如果大量设备已经架设完毕(特别是处于高空吊装状态时),想快速检查还是比较麻烦的。到了2006 年,出现了更新版的DMX512-A,数据可以双向传输了。这个进步使得系统的安全性和可操作性更强了。

2 DMX512控制协议的基本要素

DMX512是控制器以数据包的形式向设备发送的数据流,数据包的主体结构是一个8位二进制的协议,但是在每个8位的实际数据之前还有一个中断(BREAK)、一个终端后标记 (MAB)及一个起始位标记(SC)。DMX 是一个异步系统,没有同步信号,这样的话,一个数据包其实总共有11位,其数据刷新率是每秒44次。

图1 DMX512的帧结构

2.1 DMX512寻址

起始位标记了数据包的槽值,也是控制器向所有设备发出的第一个值,一个全域的槽值从1 到512共有512 个。每个接收设备在起始代码之后,便开始计数槽的数量,当抵达指定的地址时,便在该槽中对数据做出反应。

每个DMX512设备都有一个寻址界面,可能是拨盘式的,也可能是闪灯式的。每个设备的每个功能都占据一个槽,因此一个设备可能占据数个槽。比如,一个HMI镝灯镇流器使用两个槽,一个用于调整光的强度,另一个用于开关灯,而该镇流器的起始地址为010,那么镇流器将响应槽010和槽011。当然,也可以为多个设备指定同一个起始地址,这些设备都将以相同的方式对该地址的数值变化做出响应。为灯具编址需要注意采用便于记忆的顺序,同时不能造成槽值重叠,为此,可以给全域留一些空隙。

2.2 DMX值和设备协议

DMX512 的8 位二进制值,从00000000 到11111111可以代表256个不同数值,并成为我们的控制级别,当我们提高增益调节器的值,调光器就将强度从0提高到100%。每个设备使用DMX 值来触发一个特殊的响应,加上DMX 槽值对灯具功能的映射,称作该设备的DMX 协议,这在设备出厂时都已经预设好了。根据设备控制级别的程度,需要的槽数量也不一样。比如Kino Flo的Image85有两种模式,IND 模式下它需要两个槽,FIX 模式下它需要9个槽,而具体如何编址是需要视情况而定的。

对于控制光源的亮度来说,256 个级别似乎已经足够了。但是,在另外一些情况下,比如控制摇头灯超过一圈的转动,这样的级别数会显得转动不够连续平滑,这就需要使用16位(两个8位)值来生成65536个不同的级别。途径是由一个槽变为两个槽来控制,其中一个槽控制粗略摇移,另一个槽控制精细摇移。

2.3 DMX控制器

DMX 控制器是根据用户的输入而生成DMX512信号的设备。我们在拍摄现场可能会看到各种形式的控制器,比如结构简单的调光板 (Dimmer),和复杂的基于计算机的控制台,也有一些软件可以在个人电脑上运行并作为精简版的控制台使用。另外,还有一些手持控制器包括安装了相关软件的iPad,也可用于在现场直接发出指令控制DMX512设备,可以查看整个全域的时序和刷新率,检测DMX 信号、控制台配接,进行故障查询。

图2 《八佰》摄影指导曹郁在照明控制台旁工作

图2所示的照明控制台是比较复杂的,这类控制台的基本功能包括:亮度 (level)、预设 (preset)、指令 (cue)、指令列表 (cue list)、分组(group)、配接 (patch)、集控 (submaster)、调色板(palette)、特效(effect)、回放(playback)、演出文件 (showfile)、远程发送指令 (remote cueing)。

3 电影照明数字控制的应用现状

3.1 工作流程

国内绝大部分电影的灯光部门有灯光指导、灯光师及助理、预制灯光组、电工等职位,但是在使用照明数字控制的大型剧组,比如查看美国电影《复仇者联盟3》的演职员表,灯光组人数就非常多,除了以上的常规人员,还有预制灯光程序员、现场灯光程序员、调光操作员等诸多新型职位。

电影拍摄具有可重复性,前中后期几个不同层次的制作过程使得电影照明数字控制的基本工作流程完全不同于演播室或者演唱会。电影照明数字控制的大致流程包括:绘制布光图,设计系统方案,利用可视化软件进行光效预览,排布电缆设备和搭建系统,现场编程和适时调整,后期特效数据对接。

布光图是照明设备路线图,可以识别每个装置、每根管子、每个桁架和每个电路,灯光师必须随时可以依据它向调光操作员解释每个灯具的编号。布光图也为可视化软件提供了基础。

DMX 系统搭建有很大的拓展空间。一条DMX512链路可以连接31 个设备,如果想要在同一个标准输出口中运行更多的设备,就需要DMX信号分配器的支持。在一个场景中搭建多个DMX512全域系统已经很常见,有的时候甚至多达十几二十个。

布光可视化预览缘起于摇滚乐演出,适用于准确的渲染虚拟布景上的每个照明设备的各种效果。在一些预览软件中,可以将一个DMX 摄影机放置在布景中的任何位置,并从那个视角准确的观看灯光呈现的效果。

灯光程序员在编写程序之前都需要全面考察所需灯具的功能、属性与规格,比如电动轭架的运动范围和速度,并考虑是否需要提高控制分辨率。如果一个场景需要对大量照明设备编制程序的时候,可视化预览软件允许程序员在设备预制和电缆排布之前就开始进行离线编程,给在现场做出改动和完善布光指令留出足够的时间。

3.2 远程设备管理RDM

2006年,和DMX-A 同时推出的远程设备管理RDM (Remote Device Management)也具有双向通信的功能,相比DMX512-A,RDM 的设计更加精妙,它共享了前者所用的两根线,RDM 设备和非RDM 设备可以同时工作在同一个DMX512网络上。

但是,直到2016 年,RDM 才真正开始普及,它完全改变了程序员与设备互动的方式,允许灯具将其产品型号ID、软件版本、槽足迹、DMX512特性、起始地址、传感器数量等大量信息发送回控制器。这样,可以智能的实现将灯具添加和配接到控制台中。另外,只需用手持控制器就可以远程检查和修正列表中灯具的DMX 地址、固件版本或者模式等。如今几乎所有的灯具都内置RDM 功能。

3.3 DMX512和以太网络并行

以太网标准是在计算机行业内发展起来的数字通信标准,不是专门为娱乐业开发的,于是一些照明设备厂商专门开发了基于以太网的专用通信协议,同时,目前比较高端的控制台也可以使用基于以太网的通信协议。

虽然安全可靠的DMX512目前还是占据更多优势,但以太网也有它不可替代的优点。

图3 承载多个DMX 全域的以太网系统示例

首先是扩展性和灵活性。多重链路的一种重要配置方式就是使用以太网。如果为系统建立了以太网,网络可以监测到主控台的崩溃并自动切换到备份控制台,并且自动备份录制文件。其次是速度快。以太网的传输速度要比DMX 快很多,可以在一个以太网端口上发送多个DMX 标准输出口,DMX 的传输速率是每秒250000 位,假设带宽吞吐量是100%,那么每秒10M 带宽将支持40个DMX 标准输出口,每秒100M 带宽则支持400 个DMX 标准输出口。

适用于以太网对娱乐设备进行数据分配和控制的协议包括Art-Net和sACN。如果希望把它们转回DMX512协议,需要使用网关转为DMX 输出。不过,像SkyPanel等新型灯具有内置网关,可以直接运行基于以太网的协议,就不需要外部网关了。

可以预见,在未来的若干年内,以太网和DMX512不会互相取代,而是将携手并肩、互补互利的工作。

4 电影照明数字控制的发展趋势

4.1 复杂影像照明设备

越来越多电影制作把媒体服务器或像素映射器这些具有复杂影像效果的设备作为照明设备或是道具背景。媒体服务器可以存储、播放和操控数字媒体内容,比如视频或照片,它能够与视频投影仪、数字照明设备或LED 显示器结合起来使用。像素映射器是将影像的像素映射到大型RGB LED 阵列上,每个LED 就是超大影像中的一个像素。因此为新型设备编写复杂的DMX 控制程序也开始成为占据灯光程序员未来工作的一大职责。

4.2 无线DMX

无线DMX 使用了自适应跳频扩频技术 (AFHSS),使其不间断的通过改变传输通道来搜寻没有干扰的路径,并把信号传播出去。无线DMX 和Wi-Fi的工作模式很相似,一般都在2.4千兆赫或5千兆赫频率范围内工作,但是无线DMX 的功率很高,很难被Wi-Fi或其他电磁因素干扰,反之,它很可能会干扰到工作现场的Wi-Fi。另外,在拍摄现场,一般还会存在无线跟焦、无线图传、无线音频等多重干扰。因此,使用未被占用的频段是防止干扰的重要步骤,其次就是使用定向天线。

无线DMX 的使用已经越来越经济和可靠,但是在国内的电影行业里,大部分人还是更相信又长又沉的线缆,而不是小小的发射器和接收器,这种心理可以理解,在时间就是金钱的拍摄现场,平滑连续的传输何其重要,任何错误都会让人紧张。不管怎样,这是一种重要趋势,在欧美国家已经非常普遍的这个技术,已经开始在国内找到它的地位。比如电影《坚如磐石》就大范围使用了基于CRMX与WDMX 无线协议的设备来进行数字控制,体验了设备轻量化带来的便利。

5 结语

不论在娱乐行业的哪个应用领域,照明控制技术都经历了类似的技术演进和拓展,从模拟时代到数字时代,从DMX 网络到以太网络,从有线传输到无线传输。不同于写意动感的舞台照明,电影照明更加精雕细琢,在相同的技术背景下,电影工业赋予了照明数控系统独特的流程和内容,电影照明团队也因此在技术技巧上获得更多想象的空间。