论文部分内容阅读
【摘 要】 以DMX512、Art-Net灯光控制协议发展过程为主线，介绍不同发展阶段控制协议的基本功能、参数。
【关键词】 灯光控制；协议；DMX512；Art-Net；信号传输
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.12.003
如今的荧屏和舞台上，每天上演着各种节目，这些节目的形式、类型不断挑战业内技术和设备的创新水平。灯光信号控制系统就在这个适应过程中一次次地提升性能。本文通过笔者近些年节目制作和设备更新过程中的体会，介绍数字灯具信号控制方法的一些变化。
1 DMX512到DMX512-A協议
灯光行业内最初的数字信号控制协议是大家熟知的DMX512协议。DMX512协议是由美国戏剧技术协会（USITT）于1987年发布，1990年修订的数字灯具信号传输之工业标准，全称为USITT DMX512/1990 DIGITAL DATA TRANSMISSION STANDARD FOR DIMMERS AND CONTROLERS。通过英文对照可以看出，协议最初是用于控制台与调光器间的数据传输，后来才广泛用于数字灯具。
下面简单介绍它的技术指标。其采用5芯卡侬接口，传输方式为单向异步串行传输，即数据只能以一个方向传送，发送端以数据帧（Frame）为单位传送数据，并且数据帧之间的间隔时间不定，具有不规则的数据传输特性。传输速度为250 kbps，每发送一个包括512个数据帧的信息包将对全部512个受控通道形成一次全面控制，每秒最多可完成44次这样的控制，即满载刷新频率为44 Hz。每个信息包中有效的信号控制信息为8位二进制数字，即信息为00000000～11111111。换算成十进制，就是我们在控台上熟悉的灯具每个通道控制范围0～255，常说的8位256级精度也是从这而来。之后的设备为提高某些功能的控制精度，就需要占用另一个或几个数据帧（通道）。如，后来的电脑灯为了定位更准确，其Pan/Tile属性具有16位或32位精度，就是通过这个原理实现的。
那么，信息是如何到达目标设备并被接受的呢？每个设备无论占用多少通道都要有个起始的地址，这个DMX512地址（就是安装电脑灯时为其设置的地址码）与信号包中帧序号对应后就会接收相应数据，从而设备做出相应动作。由于DMX采用RS-485的接口，早期的硬件水平要求每个DMX512接口上所控制的设备在不超过512个通道情况下，限制受控负载数量为32个。后期有所改进，但为了方便，应用中一直沿用了32个设备这一限制数量。在实际操作中，安全连接超过32个负载的解决办法，就是加DMX信号分配放大器。这样的数字信号让用户摆脱了模拟传输的许多不便，但还有个明显的缺点，就是只能单向传输信号。用户知道信号被送出，但是否到达、灯具状态好坏、是否按指令进行工作（如果用户看不到灯具）都不知道。支持半双工（即发送与接收交错进行）双向传输的增强版DMX512-A应运而生，典型应用就是RDM（Remote Device Management），并且最长支持300 m传输距离。
2 从Art-Net 1到Art-Net 4协议
随着终端设备功能不断增强，对控制系统要求也更高。比如，电脑灯从以前的十几通道变为几十通道、上百通道；主流控台DMX512输出口增加到6个、8个，同时又新添了以太网口。借助于硬件的改变，更大的数据量、更高的传输速度、更灵活的双向传输、更简单现场布线、真正的多用户界面操作等都在实现。更多的基于以太网的协议不断提出，ACN、Art-Net、Shownet、ETCnet等等。功能大体相同，当初最基本的目的就是实现一根网线控制更多的设备。这里重点介绍在我国使用更普及的由Artistic Licence公司开发的Art-Net协议。
之所以其应用广泛，主要是利用广泛的以太网技术来传送业界普遍使用的DMX512数据，以满足用户最迫切、最普遍的应用需求。硬件上的实现方法很自由，考虑到要与现有大量只支持DMX512的设备连接，1998年定义Art-Net 1作为最初版本提供了最多约40路DMX512的编解码，到2006年Art-Net 2升级到256路。用户可通过各个认证厂家生产的Art-Net编解码设备（见图1）转换出DMX512的输入、输出，只要它的端口号是256中的一个。
信号控制信息以一个个数据包的形式送到终端，其中每个数据包主要有以下信息：
（1）512个属性通道的DMX值。
（2）包括DMX数据链号在内的5个控制字段（数据链号用以区分网络上的其他数据包，告知终端是否接收）。
（3）顺序号。
可能会有一些数据包没能按时到达目的地，接收端通过读取顺序号便知道该包是否没按顺序到达，以丢弃超时作废的数据。
基于以太网，将采用以下四种方式发送这些数据包：
（1）广播（Broadcast）：从一个发送端向网络内的所有设备发送数据。
（2）单播（Unicast）：类似一对一的关系，数据只发送到到指定的IP地址（在Art-Net 1中应用的是Broadcast，到Art-Net 2中才应用Unicast）。
（3）组播（Multicast）：是一对多的关系，比如有一组20台设备需要接受相同数据，如果用“广播”方式，不在这组中的设备也会得到这些数据，要是用“单播”同样数据就要发20次，都会占用过多的网络资源。组播是一种兼顾的方法，数据只发送一次，且只有组内设备才能接受到。
（4）“自动”（Auto）：如用户对网络中节点情况不了解或直接忽略网络中节点的设置，就可选择此模式，让系统自己选择合适的数据发送方法。具体流程是：发送端第一次以广播方式发送数据，得到响应的节点返回“数据已收到”的信号后，发送端之后就会以单播方式只向该节点发送数据，当超过40个节点做出响应时发送端将保持“广播模式”继续发送。这个网络中称为“握手”的过程是通过交换Art-Net 2中加入的Artpoll巡查数据包实现的。实际使用中，一个产生Art-Net控制数据的控制器（如灯光控制台）是如何使用这些属性的呢？以MA2为例（见图2），可以直观地设置传输模式、DMX信号数量、DMX端口号等。其中，DMX信号数量是允许用户告知控制台要使用256路DMX信号中的多少路，以省去“广播模式”下不必要的传输数据量，节省网络带宽。笔者在实际使用中将其设置为256后，用“广播模式”明显感到信号延迟。故建议使用者要尽量了解设备使用量，精确根据实际情况进行设置，可以带来更顺畅的操作体验。 随着演出形态的改变，控制数据不断增加，2011年发布的Art-Net 3将之前的256路DMX解码提高到了32 768路。只是实际能支持的数量还要看传输方式（广播/单播）和网络的物理带宽（100 BaseT/1 000 BaseT）。
可通过MA2控制台中的设置，来看具体是怎么实现的。控制台系统软件升级后的设置界面有所改变（见图3），将以前由Externstart（0～255）设置DMX512物理地址改为Net（1～128）+Subnet（0～15）+Universe（0～15）共同完成。可以解释为每个Subnet包含16个Universe，即16×16=256路DMX512解码数据，这是之前版本Art-Net协议支持的数量。Art-Net 3增加了一个Net允许设置的数值为1～128，可以理解为每个Net由16个连续的Subnet或256个连续的DMX512解码数据组成，这样就产生了128×16×16=32 768路DMX512解码数据。其实，为网络指明数据发送地址的是一个15位的二进制字符串（见图4），相当于某人的家庭住址，邮递员就是按照这个地址将信件（数据）送达收信人（DMX512設备）。
2016年9月，最新的Art-Net 4发布，在前版本基础上更新了一个用户关注的重要功能：一个使单个网关能处理更多DMX端口的方案。以前，使用超过4个DMX端口的网关就需要多个IP地址。Art-Net 4的新方案允许一个网关（或Art-Net产品）支持超过1 000个DMX端口。这样一来，用户和产品开发人员都会少了很多烦恼。由于该版本发布时间还不长，产品应用较少，还需要今后业内同行共同研究。
3 小结
总之，技术在不断地满足更大的数据量、提供更广泛的兼容性，最终目的是让在舞台前的设计者们更少地考虑到技术的限制，不制约他们的想象力。Art-Net 4甚至已经开始支持还没有处于真正应用阶段的VLC（可见光通信），他们把这叫向未来致敬。今后信号传输协议和灯光技术会向什么方向发展、能到达何种程度，让我们共同期待吧。
以上是笔者搜集相关资料和结合自身工作写下的一些粗浅总结，个别翻译可能存在误差，希望同仁们指正。
参考文献：
1. www.usitt.org
2. www.artisticlicence.com
3. art-net.org.uk
4. WH/T 32-2008 DMX512-A灯光控制数据传输协议.
【关键词】 灯光控制；协议；DMX512；Art-Net；信号传输
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.12.003
如今的荧屏和舞台上，每天上演着各种节目，这些节目的形式、类型不断挑战业内技术和设备的创新水平。灯光信号控制系统就在这个适应过程中一次次地提升性能。本文通过笔者近些年节目制作和设备更新过程中的体会，介绍数字灯具信号控制方法的一些变化。
1 DMX512到DMX512-A協议
灯光行业内最初的数字信号控制协议是大家熟知的DMX512协议。DMX512协议是由美国戏剧技术协会（USITT）于1987年发布，1990年修订的数字灯具信号传输之工业标准，全称为USITT DMX512/1990 DIGITAL DATA TRANSMISSION STANDARD FOR DIMMERS AND CONTROLERS。通过英文对照可以看出，协议最初是用于控制台与调光器间的数据传输，后来才广泛用于数字灯具。
下面简单介绍它的技术指标。其采用5芯卡侬接口，传输方式为单向异步串行传输，即数据只能以一个方向传送，发送端以数据帧（Frame）为单位传送数据，并且数据帧之间的间隔时间不定，具有不规则的数据传输特性。传输速度为250 kbps，每发送一个包括512个数据帧的信息包将对全部512个受控通道形成一次全面控制，每秒最多可完成44次这样的控制，即满载刷新频率为44 Hz。每个信息包中有效的信号控制信息为8位二进制数字，即信息为00000000～11111111。换算成十进制，就是我们在控台上熟悉的灯具每个通道控制范围0～255，常说的8位256级精度也是从这而来。之后的设备为提高某些功能的控制精度，就需要占用另一个或几个数据帧（通道）。如，后来的电脑灯为了定位更准确，其Pan/Tile属性具有16位或32位精度，就是通过这个原理实现的。
那么，信息是如何到达目标设备并被接受的呢？每个设备无论占用多少通道都要有个起始的地址，这个DMX512地址（就是安装电脑灯时为其设置的地址码）与信号包中帧序号对应后就会接收相应数据，从而设备做出相应动作。由于DMX采用RS-485的接口，早期的硬件水平要求每个DMX512接口上所控制的设备在不超过512个通道情况下，限制受控负载数量为32个。后期有所改进，但为了方便，应用中一直沿用了32个设备这一限制数量。在实际操作中，安全连接超过32个负载的解决办法，就是加DMX信号分配放大器。这样的数字信号让用户摆脱了模拟传输的许多不便，但还有个明显的缺点，就是只能单向传输信号。用户知道信号被送出，但是否到达、灯具状态好坏、是否按指令进行工作（如果用户看不到灯具）都不知道。支持半双工（即发送与接收交错进行）双向传输的增强版DMX512-A应运而生，典型应用就是RDM（Remote Device Management），并且最长支持300 m传输距离。
2 从Art-Net 1到Art-Net 4协议
随着终端设备功能不断增强，对控制系统要求也更高。比如，电脑灯从以前的十几通道变为几十通道、上百通道；主流控台DMX512输出口增加到6个、8个，同时又新添了以太网口。借助于硬件的改变，更大的数据量、更高的传输速度、更灵活的双向传输、更简单现场布线、真正的多用户界面操作等都在实现。更多的基于以太网的协议不断提出，ACN、Art-Net、Shownet、ETCnet等等。功能大体相同，当初最基本的目的就是实现一根网线控制更多的设备。这里重点介绍在我国使用更普及的由Artistic Licence公司开发的Art-Net协议。
之所以其应用广泛，主要是利用广泛的以太网技术来传送业界普遍使用的DMX512数据，以满足用户最迫切、最普遍的应用需求。硬件上的实现方法很自由，考虑到要与现有大量只支持DMX512的设备连接，1998年定义Art-Net 1作为最初版本提供了最多约40路DMX512的编解码，到2006年Art-Net 2升级到256路。用户可通过各个认证厂家生产的Art-Net编解码设备（见图1）转换出DMX512的输入、输出，只要它的端口号是256中的一个。
信号控制信息以一个个数据包的形式送到终端，其中每个数据包主要有以下信息：
（1）512个属性通道的DMX值。
（2）包括DMX数据链号在内的5个控制字段（数据链号用以区分网络上的其他数据包，告知终端是否接收）。
（3）顺序号。
可能会有一些数据包没能按时到达目的地，接收端通过读取顺序号便知道该包是否没按顺序到达，以丢弃超时作废的数据。
基于以太网，将采用以下四种方式发送这些数据包：
（1）广播（Broadcast）：从一个发送端向网络内的所有设备发送数据。
（2）单播（Unicast）：类似一对一的关系，数据只发送到到指定的IP地址（在Art-Net 1中应用的是Broadcast，到Art-Net 2中才应用Unicast）。
（3）组播（Multicast）：是一对多的关系，比如有一组20台设备需要接受相同数据，如果用“广播”方式，不在这组中的设备也会得到这些数据，要是用“单播”同样数据就要发20次，都会占用过多的网络资源。组播是一种兼顾的方法，数据只发送一次，且只有组内设备才能接受到。
（4）“自动”（Auto）：如用户对网络中节点情况不了解或直接忽略网络中节点的设置，就可选择此模式，让系统自己选择合适的数据发送方法。具体流程是：发送端第一次以广播方式发送数据，得到响应的节点返回“数据已收到”的信号后，发送端之后就会以单播方式只向该节点发送数据，当超过40个节点做出响应时发送端将保持“广播模式”继续发送。这个网络中称为“握手”的过程是通过交换Art-Net 2中加入的Artpoll巡查数据包实现的。实际使用中，一个产生Art-Net控制数据的控制器（如灯光控制台）是如何使用这些属性的呢？以MA2为例（见图2），可以直观地设置传输模式、DMX信号数量、DMX端口号等。其中，DMX信号数量是允许用户告知控制台要使用256路DMX信号中的多少路，以省去“广播模式”下不必要的传输数据量，节省网络带宽。笔者在实际使用中将其设置为256后，用“广播模式”明显感到信号延迟。故建议使用者要尽量了解设备使用量，精确根据实际情况进行设置，可以带来更顺畅的操作体验。 随着演出形态的改变，控制数据不断增加，2011年发布的Art-Net 3将之前的256路DMX解码提高到了32 768路。只是实际能支持的数量还要看传输方式（广播/单播）和网络的物理带宽（100 BaseT/1 000 BaseT）。
可通过MA2控制台中的设置，来看具体是怎么实现的。控制台系统软件升级后的设置界面有所改变（见图3），将以前由Externstart（0～255）设置DMX512物理地址改为Net（1～128）+Subnet（0～15）+Universe（0～15）共同完成。可以解释为每个Subnet包含16个Universe，即16×16=256路DMX512解码数据，这是之前版本Art-Net协议支持的数量。Art-Net 3增加了一个Net允许设置的数值为1～128，可以理解为每个Net由16个连续的Subnet或256个连续的DMX512解码数据组成，这样就产生了128×16×16=32 768路DMX512解码数据。其实，为网络指明数据发送地址的是一个15位的二进制字符串（见图4），相当于某人的家庭住址，邮递员就是按照这个地址将信件（数据）送达收信人（DMX512設备）。
2016年9月，最新的Art-Net 4发布，在前版本基础上更新了一个用户关注的重要功能：一个使单个网关能处理更多DMX端口的方案。以前，使用超过4个DMX端口的网关就需要多个IP地址。Art-Net 4的新方案允许一个网关（或Art-Net产品）支持超过1 000个DMX端口。这样一来，用户和产品开发人员都会少了很多烦恼。由于该版本发布时间还不长，产品应用较少，还需要今后业内同行共同研究。
3 小结
总之，技术在不断地满足更大的数据量、提供更广泛的兼容性，最终目的是让在舞台前的设计者们更少地考虑到技术的限制，不制约他们的想象力。Art-Net 4甚至已经开始支持还没有处于真正应用阶段的VLC（可见光通信），他们把这叫向未来致敬。今后信号传输协议和灯光技术会向什么方向发展、能到达何种程度，让我们共同期待吧。
以上是笔者搜集相关资料和结合自身工作写下的一些粗浅总结，个别翻译可能存在误差，希望同仁们指正。
参考文献：
1. www.usitt.org
2. www.artisticlicence.com
3. art-net.org.uk
4. WH/T 32-2008 DMX512-A灯光控制数据传输协议.