“声像光机”表演控制系统的集成及典型案例

叶煜晖，罗文轩，周锡韬

（1.广东广大检测科技有限公司，广东 广州 511430；2. 广州广大声像灯光科技有限公司，广东 广州 511430；3. 广东中南声像灯光设计研究院，广东 广州 510006）

在剧场、主题公园和文旅实景、光影秀、各类开闭幕式及庆典等文艺演出中，通常配置有音响、灯光、视频和机械等多种设备，如：

• 音响（audio）：调音台、处理设备、功放、音箱等。

• 视频（video）：投影机、摄像头、视频服务器、LED显示屏等。

• 灯光（lighting）：灯控台、常规灯、电脑灯等。

• 特效机械（effect machinery）：烟火、礼花炮、烟雾等。

上述设备可统称为声像光机（AVLM）设备。

通常声像光机是音响、灯光、视频和机械等各专业系统各自采用不同的控制技术，分别配置独立的控制系统，通过演出场所配备的内部通讯设备（简称“内通”）或对讲机，保持相互间的协调配合。随着技术的进步，特别是在文旅演艺领域中大量出现光影秀和主题剧场、文旅实景等被称为“声光电表演”“光影秀”“声光影视表演”的演出，通常都是声、光、影视和特效机械紧密结合的模式，从而使表演控制（show control）这一技术得以快速发展。国内对这没有统一的术语（有称“演出控制”[12]），也鲜有广泛深入的研究及探讨。

随着演出形态和技术发展，音响、灯光、视觉效果和特效机械等各个子系统逐步实现声像光机表演同步控制。最早实现声像光机表演同步控制的模式难以考证，早期可见于国外的迪士尼主题公园和太阳马戏团的《O show》等；我国最早的主题公园应是深圳的锦绣中华（1989年），最早的实景文旅演出应是印象刘三姐（2004年），而其大规模应用则是2008年8月北京奥运会和2010年广州亚运会及2010年上海世博会开闭幕式。近年文旅演艺项目在国家政策扶持下发展迅速，包括城市景观、庆典活动、灯光节、音乐节、特色小镇、夜游景观、主题剧场和文旅实景演出等项目运用了声像光机表演同步控制。由于声像光机表演控制系统能大幅度提高多种演艺活动的自动化、智能化水平，运行管理更简便安全，因而得到广泛的应用。

1 声像光机表演控制系统控制模式的分类和特点[1][2][4]

声像光机表演控制系统控制模式可以有多种不同的分类方法。

1.1 按表演场所和表演内容分类

1.1.1 景观类（landscape）

泛指城市亮化及景观灯光秀等程序相对较简单的控制系统。

1.1.2 表演类（performance）

泛指各类主题剧场、旅游实景演出和大型庆典活动的表演控制。

1.1.3 展览类（exhibition）

泛指各类博物馆、科技馆、展示厅等场所的应用。

本文只讨论声像光机表演控制系统在1.1.1及1.1.2两种类型的应用。

1.2 按控制系统的功能分类

1.2.1 简单控制

走时间线，固定程序，声光像不要求精确同步，一般无演员参加。常见于景观照明、城市亮化和中小型声光秀等。典型案例如广州市珠江两岸光亮工程和四川乐山大佛声光秀等文旅演艺项目，采用HDL show control或阿凡达（AVATAR）等智能中控系统控制，管理使用较简便、成本相对低廉。详情可參阅参考文献[1][2][4]，本文从略。

1.2.2 基本控制

时间码+事件触发+必要的人工控制，剧情较简单，多数节目无演员参加。某些节目会有演员参加表演，但不讲不唱，不用传声器，呈现的音乐、人声和环境声等听觉效果都是采用“先预录，后重放”的方式，声、光、像要求同步，演员配合动作和对口型。这是目前国内声光秀较为普遍采用的控制模式。本文将论述此种模式的特点、系统集成和工程案例。

1.2.3 实时控制

主要应用于话剧、歌剧、音乐剧等内容丰富、剧情较复杂的专业文艺演出。基本上仍是时间码+事件触发+必要的人工控制的模式作为基础。其最大特点是突出“人”的表演。主要演员配戴无线传声器，真讲、真唱、真笑、真哭，塑造出一个个“有血有肉”的动人角色。再加上现场沉浸式3D音视频系统和声像同步跟踪等技术手段，对观众有强烈的吸引力。近年的成功演出剧目如实景话剧《12.12西安事变》、歌剧《拉贝日记》，建党100周年献礼的音乐剧《新华报童》、歌剧《国·家》和歌剧《江姐》等。但由于技术和成本等条件所限，在国内应用尚不普遍。随着文旅产业的发展，加上国产系统的研发推广，成本逐步下降，此类控制技术应能够为剧场、音乐厅，特别是文旅演艺项目“转型升级、提质增效”提供更大助力。

1.3 按控制系统的结构特点分类

1.3.1 以第三方控制系统为核心的表演系统

如以HDL智能控制系统、lemuse MC-2000演出集成控制器、AVATAR中控系统以及Medialon和ALCORN等专业声像光机表演控制系统为核心的表演系统。详情可参阅参考文献[1][2][3][4]，本文从略。

1.3.2 以音视频机械各控台为中心、时间码为同步信号的表演系统

目前常用的声像光机表演控制系统以灯光音视频机械等各控台为中心、时间码为同步信号的方式，将灯光、音响、视频和机械跟随演出同步推进。本文主要分析采用运行DMX、MIDI、SMPTE等多种协议，控制常规灯具、电脑灯具、音响、投影、LED屏、喷泉、焰火、激光和机械（如冰屏或恐龙）动作等同步运行表演。该控制模式灵活可靠，有较广泛的应用。

典型案例：

1) 飞猪灯控台配合AXON媒体服务器，用于控制2010年广州亚运开闭幕式文艺演出。

2) Hod 4灯控台配合Modulo-Piplayer媒体服务器，用于庆祝中华人民共和国成立 70周年文艺晚会的演出控制。

3) grand MA2电脑灯控台配合Arkaos媒体服务器的案例较多，如：

• 2010年上海世博开幕式：5台灯控台与6台媒体服务器配合，控制浦江两岸音响、灯光、投影、LED屏、焰火、激光表演。

• 2016年9月杭州G20峰会开幕式：7台灯控台与44台Arkaos媒体服务器配合。

• 2018年2月平昌冬奥会闭幕式“北京8分钟”：3台灯控台与60台服务器配合，控制24台透明LED屏幕组成的智能机器人表演。

• 2018年6月青岛上合峰会开幕式：7台灯控台与44台Arkaos媒体服务器配合，控制灯光烟火表演。

• 2018年12月重庆“归来三峡”大型诗词文化实景演出：2台灯控台与16台Arkaos媒体服务器配合。

2 声像光机表演控制系统常用协议和接口[1][2][4]

比较完善的声像光机表演系统的设备在硬件上都需要有特定的接口（interface）来配合声像光机表演控制系统，并支持声像光机领域中的国际主流技术规格和相关协议（protocol）。传统的音视频接口（RCA、XLR、TRS、AES/EBU、DVI、HDMI）以及音视频网络(CobraNet、Ethersound、AVB、Dante、HDBaseT)等传输协议在声像光机表演系统中都普遍使用。有关上述接口和协议的内容详见参考文献[1][2]，本文从略。下面对在AVLM表演控制系统中的音视频和灯光系统同步联动的一些常用协议，如DMX 512、MIDI Timecode（MTC）、FSK、ARTNET和 SMPTE等，分别作简要介绍。

2.1 DMX512（Digitalmultiplex）数字多路复用传输协议

最先是作为灯光控制协议，随后扩展到如换色器、烟雾机和喷泉等设备的控制。512表示一对数据线上可同时传输512个通道的控制信号，通常用双芯绞合屏蔽线传输，有效传输距离250 m，条件是使用优质信号线。

2.2 ArtNet、ACN和 sACN协议

随着网络技术的发展和普及，灯光控制领域引入了TCP/IP网络传输技术，开发出由TCP/IP网络协议和DMX协议两者结合组成的网络传输灯光控制系统，其目的是采用标准的网络技术实现大量DMX 512数据的远程传输。其系统组成是将灯控台输出的DMX信号经信号转换器转换成TCP/IP网络信号，经由5类以上网络线远距离传输到灯具附近，再通过信号转换器转换成DMX信号，驱动数字调光器或直接驱功DMX控制灯具的运行。目前国际上通行有ArtNet（Artistic Network）和sACN (Lightweight streaming protocol for transport of DMX512 using ACN）两个协议，各有特点，长期共存。各大厂家生产的带网络接口的灯控台，普遍都兼容ArtNet、ACN及sACN等协议。

2.3 SMPTE（LTC）（Society of Motion Picture and Television Engineers）时间码

用于灯光与音频视频的同步控制。较高级的声像光机控制系统除“时间线” （Time Line）功能外，还具有事件（Event）功能，即通过传感器或机械触点等方式，从音响、视频设备引入SMPTE（LTC）时间码来控制灯光系统，使灯光的变化可以与音频及视频信号精确同步。

2.4 MIDI（Music Instrument Digital Interface）接口

MIDI是乐器数字接口，原来是为电子音乐开发的一种电子乐器的控制协议，后被灯光控制借用，可用作多机联动或声光同步等控制。

2.5 CITP（Controller Interface Transport Protocol）多媒体素材协议

可在同一局域网的工作站之间实现点对点的流媒体传输，用于灯光、视频同步控制的系统中，把媒体服务器的视频素材以网络形式打包传输到灯光控制台作为预览显示。

2.6 FSK（Frequency Shift Keying）频移键控协议

常用于对时间码要求较高的特效机械设备，如烟花燃放设备等。

3 适用于声像光机表演控制系统灯光控制台的基本功能[3]

灯控台在演艺领域的灯光系统中起着控制中枢的作用，其主要功能是输出DMX控制信号，经传输网络传送到调光柜（或直通柜），或直接传送到带DMX接口的灯具进行控制。而在声像光机表演控制系统中，灯控台同时还承担灯光与音频、视频和特效机械系统同步联动控制的任务。

适用于声像光机表演控制系统的灯控台，需要具备以下的配置和功能：

• DMX协议接口——用于对灯具和特效机械的控制；

• 触摸屏——用于编程和控制；

• 显示屏——显示内容表、CUE程序表等；

• 手动和电动操作杆——控制灯具参数变化；

• 灯库管理——存储灯具各种属性和参数信息的数据库；

• 时间码（MIDI SMPTE）——用于与音频视频同步控制；

• 通讯协议——较大规模的声像光机表演项目，选用的灯控台应兼容Art-Net、sACN、CITP和RDM（远程设备管理）等协议。

4 媒体服务器的基本功能和特性简介[5][6][7][10][11]

4.1 媒体服务器的基本功能

本文只讨论声像光机表演控制系统常用的多媒体视频处理服务器（Muti-Media Video Processing Server，简称“媒体服务器”，Media Server）。业内还有多种名称，如视频服务器、表演用媒体服务器等。在各种多媒体表演模式如沉浸式幻影成像、3D投影技术（3D MAPPING）、建筑外墙秀、水舞光影秀、多媒体科技展览展示、穹顶和球幕投影以及人体互动场景漫游等等都需要用到媒体服务器作为核心部件。

媒体服务器包括软件和硬件，其主要功能如：视频信号采集、播放、实时编辑、添加特效、叠加图层、拼接融合和多点校正等视频处理功能，能在短时间内根据演出现场的实际情况对视频进行调整，即时呈现导演的视觉创意。配置有DVI、SDI、HDMI以及DMX、MIDI、AUDIO、VIDEO和USB等多种接口，可与音响、灯光、视频和特效机械等组成多媒体同步表演控制系统。

4.2 国内表演控制常用的媒体服务器

表1列出国内表演控制常用的媒体服务器名称和典型案例。

表1 国内表演控制常用的媒体服务器名称和典型案例

4.3 ShowPower Arkaos媒体服务器简介

4.3.1 硬件配置

1）CPU为Intel Core17-3770，3.40 GHz；

2）固态硬盘120 GiB（可扩展至500 GiB）；

3）双显卡，4路DVI输出，最大分辨率为2 560 ×1 600；

4）支持A V I、M P E G、M P E G 2、M P E G 4、QuickTime MOV、Flash、WMV、M2V、JPG等影音格式；

5）输入接口为HD-SDI、DVI、VGA、S-video；支持PC、DMX、MIDI、Artnet、MA-NET等。

4.3.2 功能及应用案例

1）映射调色：可任意改变视频的颜色（亮度、对比度、CMY混色等）；

2）即时特效和转场叠化：基本的位移、旋转、缩放功能；对视频素材随机增添字幕、数字和动画效果，添加淡入淡出等转场效果并实时剪辑；其特效库拥有160种以上的影像特效，50种以上的文本动画（原始素材），包括色调特效、波纹效果、球体效果、立方体效果、镜面效果、分屏效果、视频分裂效果、多屏、宽屏的边缘柔化以及“门”的开合动画等影像特效。这些效果还可以组合叠加。图1～图5显示部分特效案例。

图1 原素材

图5 球体效果

3）异型校正和拼接融合；

4）媒体储存和多图层播放；

5）现场采集：支持摄像机导入功能。

4.3.3 基本的连接方式

图6和图7分别示意了ShowPower服务器与投影仪与LED屏幕的连接。

图2 波纹效果

图3 立方体效果

图4 镜面效果

图6 ShowPower服务器连接投影仪

图7 ShowPower服务器连接LED显示屏

4.4 GD-V媒体服务器

GD-V媒体服务器是一套以荷兰Resolume（瑞斯龙）为核心的软件后台，组成动能略低于Arkaos的经济型实时视频处理和显示控制系统。

4.4.1 主要特点

1）视频实时控制、实时播放4K影像、特效渲染和现场操控能力。其特效引擎有多达90款特效；

2）三维多图层系统（伺服器）：可对每一个视频层或图片层单独进行修改；

3）空中触摸、球体互动、图像跟踪等互动功能。

4.4.2 接口

前面板：USB 3.0×2（接入USB设备，加载或备份数据）；

后面板：USB 3.0×3；

Video In：预留接口；

LAN：以太网网口，实现服务器联网；

Audio：3.5 mm音频信号输出接口；

HDMI OUT×8：高清多媒体输出接口，输出音频及视频信号。

4.4.3 系统连接

广州大学声光影视技术与艺术体验中心展示了声像光机表演系统的简化示意图。通过GD-V服务器的USB、HDMI和LAN等接口，运行多种协议，分别控制音响系统I、投影系统、红外传感器（用于互动功能）、灯光系统、音响系统II、弧形大屏幕拼接、互动投影、投影和虚拟成像等多个表演项目，既可分别独立运行展示，也可以在一定范围内作同步联动表演。

图8所示为通用型的文旅实景演艺控制系统图。主控设备包括两台MA2灯控台、两台Arkaos视频服务器和以数字调音台为中心组成的音响系统。受控设备主要包括电脑灯、光束灯、激光灯、LED条灯、音乐喷泉（机械泵）和投影机等。整个系统是由调音台发送SMPTE时间码和MIDI信号进行触发，通过MA2发送DMX信号，控制全场的灯光、视频和特效机械设备与音响系统同步运行。

图8 声像光机表演控制系统示意图

5 典型工程案例

5.1 上海世博会开幕式表演系统[1][2][8]

以灯控台grand MA2和Arkao媒体服务器为中心，将灯光、视频和音响三套系统组合起来。

媒体服务器依靠MA-Net协议与MA灯控台实现双向通信。MA灯控台发送DMX信号，连接到DMX控制的电脑灯和DMX硅柜，以控制常规灯具，同时也控制电脑视频灯。

灯控台的以太网接口在Art-net和MA-Net网络的支持下通过网络交换机，用网线把灯光系统和视频系统的主要设备（摇头电脑灯、媒体服务器和网络硅柜等）连接起来，传输相关的控制信号和视频信号。

grand MA 3D软件，在电脑上呈现“可视化界面”。

音响系统：本系统基本上所有声像光机的同步，都是由音频系统发送同步命令。为使灯光、视频节目与音频节目同步，从调音台的MIDI OUT或LTC OUT（或SMPTE OUT）接口通过专用线缆将时间码连接到灯光控制台的MIDI IN（或LTC IN）接口即可实现。

该系统只用1台灯控台和1台媒体服务器，控制1台投影机、4台常规灯具和1台电脑灯具。实际上可根据需要配置多台灯控台和多台媒体服务器进行扩展。

2010年上海世博会浦江两岸的大型音响、灯光、投影、LED屏、焰火、激光同步表演的控制系统就是采用5台MA2灯控台和6台媒体服务器组成。沿着7 km长的黃浦江岸，安装了433个“灯光塔架”，装有1 079台洗光灯、探照灯、频闪灯等灯具。另有1台长260 m、高32 m的LED显示屏，外加船载焰火表演，以及上百座建筑物的景观灯照明和音响效果，全部统一到一个控制系统。

5.2 大型诗词文化实景演艺《归来三峡》声像光机表演同步控制系统[9]

由张艺谋主持创作的大型诗词文化实景演出《归来三峡》，地点在重庆市奉节县三峡西端入口夔门，2018年12月首演。演出浮台160 m，宽54 m，高18 m。观众席1 800座。见图9。节目选取了李白、杜甫、刘禹锡、苏轼、陈子昂和李商隐等6位诗人的十首诗词，预先通过音频工作站将朗诵词和配乐录制贮存，演出时演员的动作是跟隨音响系统重放预录朗诵词和配乐同步表演。整个系统是以音响为主线，由数字调音台发出MIDI时间码信号，控制灯光、视频和特效。

图9 大型诗词文化实景演出《归来三峡》演出场地

考虑到安全等因素，所有升降、平移、旋转等舞台机械系统的运行是单独控制。

5.2.1 音响系统

由A&H C2500数字调音台2台、Symetrix数字音频处理器10台、AVID数字音频工作站1套组成音响系统的控制中心。观众区主扩系统包括EAWAnya有源自适应全频阵列音箱2×6台，分别吊挂于观众区左右两侧，QX596i音箱8台作补声，MK2326i音箱8台作效果声，加上SB528zP超低频音箱11台。舞台区返送系统包括C牌R.5COAX返听音箱22台。

图10所示为音响主要设备布置图。

图10 《归来三峡》音响主要设备布置图

5.2.2 视频系统

1）32台投影机投向演出浮台上由铁丝焊接成型的景片，营造出五彩斑斓的宫殿、山峰、树木和折扇等景观，按剧情的发展通过电动吊杆升降平移(单独控制)。见图11。

2）两台MA2灯控台和16台视频服务器提供视频素材、投影特效和控制功能，与音响及灯光系统同步运行。见图12。

3）安装在控制机房的服务器距离投影机房的距离较远，输出的DVI信号需先经由DVI/光纤转换器转换为光信号，传输到投影机房，再经光纤/DVI转换器转换为DVI信号送达投影机的DVI输入口。见图12。

5.2.3 灯光系统

演出浮台上共安装多种型号的摇头电脑灯516台、三合一电脑灯192台、染色灯61台、追光灯3台。灯光控制系统以MA2灯控台为核心，采用双向以太网与DMX网络相结合的控制，以光纤作主干道进行远距离网络传输，无线和DMX作辅助网络传输控制。

6 结语

表演控制系统是声像光机表演系统的核心组成部份。本文所述的基于以灯光、音视频、机械等各控台为中心、时间码为同步信号的方式，将灯光、音响、视频和机械跟随演出同步推进的“声像光机”表演系统的控制模式，其技术成熟，控制灵活可靠，因而在国内获得较广泛的应用。若能在主要设备国产化方面有所突破，将能够降低成本，从而有更广阔的应用前景。

对于程序较简单、固定走时间线、对声光同步无精确要求的中小型景观照明的亮化工程，建议选用一般智能中控设备控制音视频或音频播放器，可大幅度降低成本和简化管理。

另一方面，近年在国内逐步发展的“现场沉浸式3D音视频系统”和“声像实时同步跟踪”等技术手段，在话剧、歌剧、音乐剧等专业文艺演出有少量应用，对观众有强烈的吸引力和沉浸感。仅是由于技术和成本等条件所限，在国内应用尚不普遍。但随着文艺演出的发展，以及国产化系统的研发推广，成本将逐步下降。此类技术应当会成为剧场、音乐厅和文旅演艺项目“转型升级”的一个引人注目的发展方向。