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【摘 要】 基于舞台视效联动控制系统的设计原则，阐述系统智能组网、软件控制的设计方案，以及系统特点。
【关键词】 舞台视效设备；联动控制系统；智能组网；开放接口；分层设计
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.08.020
The Design of an Integrated Control System for Stage Performing Equipments
BAI Shi-lei1，2， SUO Yi-han1，2， FAN Xu-wei3， WANG Jing3
（1.Information Engineering School， Communication University of China， Beijing 100024， China；
2.Key Laboratory of Acoustic Visual Technology and Intelligent Control System， Ministry of CultureBeijing 100024， China；
3.Hunan MingheOpto Tech Co.， Ltd， Changsha Hunan 410100， China）
【Abstract】Based on the design principle of the stage-visual linkage control system， this paper expounds the design scheme of intelligent networking and software control of the system， as well as the characteristics of the system.
【Key Words】stage visual equipment；linkage control system；intelligent network；open interface；the layered design
1 引言
舞台演出是视听觉融合的艺术，视效是其中重要的组成部分，在演出中起着举足轻重的作用。舞台视效的呈现主要依靠舞台灯具、LED显示屏、投影等设备，但分别独立控制给舞台整体呈现视觉效果带来不便。目前舞台各类视效设备控制方式主要有以下三种形式：（1）通过灯光控制台对舞台灯光系统及特效设备进行控制；（2）比较简单的舞台显示屏控制技术直接通过计算机外加一些简单的视频图像处理设备实现对显示屏的控制，这类技术控制屏幕方式单一，无法实现多屏幕的控制；（3）在视频处理的基础上，增加视频图像拼接设备，能够实现多屏幕的控制，但是不能实现与其他舞台视效设备的协同。
现有的舞台视效设备控制方案，无论是单纯的视频控制台，还是网络灯光控制台加数字媒体服务器的方式控制LED显示屏或投影机，都存在以下几个方面的不足：（1）设备集成化程度不高，连接复杂，容易出现兼容性和连接上的故障；（2）成套设备价格昂贵；（3）对于使用人员技术门槛较高，演出中往往需要多名专业人士协同操作。
随着舞台视效设备数量越来越多，应用技术不断更新，多系统控制、多舞台产品的视觉效果搭配的需求越来越迫切。现有的单一控制设备没有从顶层设计的角度考虑整套系统的通用性、简便性和易操作性，不便于使用。特别是群众文体活动中心、文化馆、酒店宴会厅、企事业单位多功能厅、广场灯光视频秀、展览馆、陈列馆等非专业演出场所，以及一些中小型剧场，亟需一种操作简单，集视频、灯光、景观照明等控制为一体的性价比较高的舞台视效联动控制系统。
2 舞台视效联动控制系统设计原则
舞台视效联动控制系统研制目标是面向非专业演出场所及一些中小型剧场，提供简单、易用、集成化、一体化综合控制台。系统研发遵循以下原则。
（1）兼容性
尽可能利用现有成熟技术和丰富的软硬件资源，避免重复开发。网络控制系统底层以主流网络协议TCP/IP为基础，应用层必须兼容现有的控制协议（如DMX-512、Art-Net、ACN等）。硬件部分采用成熟的PC机作为平台，无需另行开发。随着PC机的不断更新换代可以不断获取更好的硬件设备，可节约大量的研发资金，降低最终产品成本。软件部分以PC控制台软件、媒体服务器软件为基础，将其整合至PC机中，结合专业图形卡，同时还可以将物理按键、推杆模块通过PCI-E接口或USB3.0接口进行数据整合，实现功能的总体整合。
（2）分层设计
系统可根据功能和耦合关系分解出子层，各子层功能明确，界限清晰。这不仅有利于系统开发，且有利于后期系统/设备维护及扩展。
（3）智能化
系统尽可能减少人工操作的工作量，最大限度实现设备的自动探测、自动配置、自动状态监控。
（4）简单开放
系统软件及网络控制协议实现开放接口，可被更多的用户认可和使用，同时便于用户的二次开发。
（5）易扩展性
系统应具有较好的可裁剪性，既可满足最小系统的简单使用，也能充分满足大型演出的复杂应用，以适应不断发展的应用需求。
（6）安全性和可靠性
系统的数据传输遵循端到端透明原则，因此，通信的可靠性应当提供端到端保障；同时还应当在网络中建立信任体系，对外来设备的接入采取适当的认证机制，阻止网络入侵，并对网络行为提供来源追查功能。
3 舞台视效联动控制系统设计方案
3.1 总体方案
联动控制系统是以CP 3072PRO视频处理器为核心开发的，系统框架如图1所示。该系统重点在于人机交换界面及程序设计开发，可以分解为三层：（1）顶层为“傻瓜式”人机交互平台，只要按系统引导预置节目点击调用播放即可；（2）场景设置平台，技术人员可以根据场景的要求，设置屏幕效果和灯光控制的结合联动，舞台配置的技术参数，按照节目类型编辑；（3）设备设置，对于舞台设备参数的設置可以在此层预设。 联动控制台总体上分为五大部分：综合控制区、综合编辑区、多点触摸屏、系统输入/输出接口区、功能设置辅区，以屏效控制和灯效控制为主要功能，兼顾音响控制。其面板设计如图2所示。
屏效控制的主要架构为：新的CanBUS总线和PCI-E×16高带宽接口式视频输出板卡，能够实现最高支持8K@60 Hz的视频信号输出，通过内置板卡可以实现不同形式的信号端口输出视频信号，针对投影机或LED大屏等显示终端非常方便选取不同类型的输入信号接口。采用控台式面板按键，能够实现对屏体亮度、节目和进度等的简易式操作。
灯控的主要架构：集成灯光控制台的控制编辑接口和按键，能够实现对常用舞台灯具的控制。
音效控制主要实现音量、均衡等常规功能操作。
控制台能够实现通过自身及外置硬盘存储节目素材，将舞台现场的场景控制（各个视效单元的场景技术要求以节目单元的形式存储）存储或调用；实现PC机的联网控制，同时能够对系统周边设备进行自动探测、自动配置、自动状态监控。设计人机交换界面，通过监视窗口对现场的各个场景进行实时的调度监控控制。
由于非专业演出场所的灯具、灯位、LED屏等视效装置的设置一般相对较为固定，因此，在使用之前将所有的参数均设置好，以后就可以直接进行操作。开机时，界面将出现模式选择，用户可以根据需要选择推荐模式或是自定义模式。采用推荐模式时，用户可以直接根据应用场景从视效库中选择需要的效果，方便快捷。如果视效库中无法找到对应的效果，用户可以根据自己的需要进行自定义，自定义的所有流程系统将通过智能向导的模式对用户进行指导，用户只需要跟着系统提供的“引导助手”即可进行操作。系统操作流程如图3所示。
接口区为控制台与各外部设备的接口，主要包括USB接口、DMX接口、网络接口、音频接口、MIDI接口、DP1.4接口、DVI接口、SDI接口、HDMI接口、VGA接口等。
3.2 设备智能组网的设计
由于舞台受控设备种类及数量繁多，需要保证系统能够兼容这些设备，联动控制系统的设备智能组网进行重点研发。为了简化用户操作，实现“即插即用”，将国际标准组织及各厂商所制定的不同设备控制协议统一为抽象模型，并进行标准化接口描述，注册到协议管理组件库中，以支持动态网络通信协议配置，实现联动控制系统的广泛兼容性。针对各个协议进行开发，与通信组件进行沟通，实现前端协议的多种类支持，包括：DMX512、Artnet、sACN、RDM等国际主流演艺设备控制协议，其中Artnet、sACN、RDM等双向传输协议是近年来发展日趋成熟的技术。设备组网的协议识别流程如图4所示。
3.3 控制台操作软件的设计
控制台操作软件的设计研发也是一个工作重点。为了提高系统的易用性，良好的人机交互界面设计、智能引导设计是首要的；其次为了降低成本，软件复用、兼容性、鲁棒性、实时性也是需要重点考虑的内容。
为了降低非专业用户的技术门槛，实现“傻瓜式”操作，任何一个区域都可以设置成相对专门的控制区域，如灯效控制区、屏效控制区、音效控制区或综合控制区域。控制面板上设置的按键包括“场景”“设置”“上翻”“下翻”“确定”“取消”“节目管理”等。并且对于每一步具体的操作，系统都会引导用户进行。系统内置有灯具信息文件，用户可以直接调用，也可在控台上进行编辑另行存储在控台或外部存储设备上。在控制台操作面板设置“场景”按键和上、下、左、右控制键，用户根据应用场景和情节需求，通过上下左右控制键对控制台灯具信息库中预置的设备信息文件进行选择预览，按下“确认”键即可完成调用操作。按下控制台操作面板上的“节目管理”按键，可进入节目管理界面，选择“新建”、“删除”或者“保存”进行节目管理，用户也可以对灯具信息库中的灯具信息文件进行再编辑或者自行设计新的演出文件，从而满足多样化、个性化的应用需求。若用户需要自行设计添加新的效果，选择“新建”按键即可新建一个节目，在智能引导下完成编辑后，选择“保存”加入灯具信息库，即可进行调用。用户创建新文件的流程如图5所示。
屏效控制要操作简便，所见即所得。控制台面板上设置播放控制键区和编辑键区。用户按下编辑键，即可进入编辑界面，由两个窗口组成，播放窗和控制窗。播放窗口是用来显示用户所要播放的文本、图像、视频等内容。软件支持多个播放窗，每个播放窗对应一块显示屏，每个播放窗中可以进行独立打开节目文件、独立播放、独立编辑等而不影响其他播放窗。控制窗是用来控制播放区的位置、大小及所要播放的内容，控制窗可以展开为编辑窗，控制窗包含菜单条和工具条以及编辑控件。“设置”菜单包含多屏组合/同步、调整大屏亮度/对比度/色温、设置大屏区域等。屏效控制操作流程如图6所示。
系统以屏幕控制和灯光控制为主要功能，兼顾基本的音效控制，实现音量、均衡等常规功能操作，主要功能包括音源选择、音量大小、音色等的简单控制。
4 系统的特点及优势
（1）集成化程度高，结构更加简单，功能齐全。可以在一个控制台上实现对舞台灯具、调光柜、数字媒体服务器、LED显示屏、投影机等多种视效设备的联动控制；整合了视频输出板卡视频图像处理和视频拼接等设备技术特点，更加方便视效设备的调度控制；通过与舞台模拟软件相结合实现在线与脱机编辑。
（2）网络设计结构建设标准化、模块化，具备多层次、多级别在线保护功能；网络备份全自动化；线路设计具有前瞻性、兼容性，充分满足未来线路延伸、节点增加及系统扩容升级等需求。
（3）界面友好，操作简单，易学易用，降低用户技术门槛。
（4）价格相对比较便宜，可用性、可维护性好。
系统从市场应用及客户的需求出发研发舞台视效设备联动控制系统，具有多用途、通用化、易操作等特点，具有良好的實用价值和市场前景。
【关键词】 舞台视效设备；联动控制系统；智能组网；开放接口；分层设计
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.08.020
The Design of an Integrated Control System for Stage Performing Equipments
BAI Shi-lei1，2， SUO Yi-han1，2， FAN Xu-wei3， WANG Jing3
（1.Information Engineering School， Communication University of China， Beijing 100024， China；
2.Key Laboratory of Acoustic Visual Technology and Intelligent Control System， Ministry of CultureBeijing 100024， China；
3.Hunan MingheOpto Tech Co.， Ltd， Changsha Hunan 410100， China）
【Abstract】Based on the design principle of the stage-visual linkage control system， this paper expounds the design scheme of intelligent networking and software control of the system， as well as the characteristics of the system.
【Key Words】stage visual equipment；linkage control system；intelligent network；open interface；the layered design
1 引言
舞台演出是视听觉融合的艺术，视效是其中重要的组成部分，在演出中起着举足轻重的作用。舞台视效的呈现主要依靠舞台灯具、LED显示屏、投影等设备，但分别独立控制给舞台整体呈现视觉效果带来不便。目前舞台各类视效设备控制方式主要有以下三种形式：（1）通过灯光控制台对舞台灯光系统及特效设备进行控制；（2）比较简单的舞台显示屏控制技术直接通过计算机外加一些简单的视频图像处理设备实现对显示屏的控制，这类技术控制屏幕方式单一，无法实现多屏幕的控制；（3）在视频处理的基础上，增加视频图像拼接设备，能够实现多屏幕的控制，但是不能实现与其他舞台视效设备的协同。
现有的舞台视效设备控制方案，无论是单纯的视频控制台，还是网络灯光控制台加数字媒体服务器的方式控制LED显示屏或投影机，都存在以下几个方面的不足：（1）设备集成化程度不高，连接复杂，容易出现兼容性和连接上的故障；（2）成套设备价格昂贵；（3）对于使用人员技术门槛较高，演出中往往需要多名专业人士协同操作。
随着舞台视效设备数量越来越多，应用技术不断更新，多系统控制、多舞台产品的视觉效果搭配的需求越来越迫切。现有的单一控制设备没有从顶层设计的角度考虑整套系统的通用性、简便性和易操作性，不便于使用。特别是群众文体活动中心、文化馆、酒店宴会厅、企事业单位多功能厅、广场灯光视频秀、展览馆、陈列馆等非专业演出场所，以及一些中小型剧场，亟需一种操作简单，集视频、灯光、景观照明等控制为一体的性价比较高的舞台视效联动控制系统。
2 舞台视效联动控制系统设计原则
舞台视效联动控制系统研制目标是面向非专业演出场所及一些中小型剧场，提供简单、易用、集成化、一体化综合控制台。系统研发遵循以下原则。
（1）兼容性
尽可能利用现有成熟技术和丰富的软硬件资源，避免重复开发。网络控制系统底层以主流网络协议TCP/IP为基础，应用层必须兼容现有的控制协议（如DMX-512、Art-Net、ACN等）。硬件部分采用成熟的PC机作为平台，无需另行开发。随着PC机的不断更新换代可以不断获取更好的硬件设备，可节约大量的研发资金，降低最终产品成本。软件部分以PC控制台软件、媒体服务器软件为基础，将其整合至PC机中，结合专业图形卡，同时还可以将物理按键、推杆模块通过PCI-E接口或USB3.0接口进行数据整合，实现功能的总体整合。
（2）分层设计
系统可根据功能和耦合关系分解出子层，各子层功能明确，界限清晰。这不仅有利于系统开发，且有利于后期系统/设备维护及扩展。
（3）智能化
系统尽可能减少人工操作的工作量，最大限度实现设备的自动探测、自动配置、自动状态监控。
（4）简单开放
系统软件及网络控制协议实现开放接口，可被更多的用户认可和使用，同时便于用户的二次开发。
（5）易扩展性
系统应具有较好的可裁剪性，既可满足最小系统的简单使用，也能充分满足大型演出的复杂应用，以适应不断发展的应用需求。
（6）安全性和可靠性
系统的数据传输遵循端到端透明原则，因此，通信的可靠性应当提供端到端保障；同时还应当在网络中建立信任体系，对外来设备的接入采取适当的认证机制，阻止网络入侵，并对网络行为提供来源追查功能。
3 舞台视效联动控制系统设计方案
3.1 总体方案
联动控制系统是以CP 3072PRO视频处理器为核心开发的，系统框架如图1所示。该系统重点在于人机交换界面及程序设计开发，可以分解为三层：（1）顶层为“傻瓜式”人机交互平台，只要按系统引导预置节目点击调用播放即可；（2）场景设置平台，技术人员可以根据场景的要求，设置屏幕效果和灯光控制的结合联动，舞台配置的技术参数，按照节目类型编辑；（3）设备设置，对于舞台设备参数的設置可以在此层预设。 联动控制台总体上分为五大部分：综合控制区、综合编辑区、多点触摸屏、系统输入/输出接口区、功能设置辅区，以屏效控制和灯效控制为主要功能，兼顾音响控制。其面板设计如图2所示。
屏效控制的主要架构为：新的CanBUS总线和PCI-E×16高带宽接口式视频输出板卡，能够实现最高支持8K@60 Hz的视频信号输出，通过内置板卡可以实现不同形式的信号端口输出视频信号，针对投影机或LED大屏等显示终端非常方便选取不同类型的输入信号接口。采用控台式面板按键，能够实现对屏体亮度、节目和进度等的简易式操作。
灯控的主要架构：集成灯光控制台的控制编辑接口和按键，能够实现对常用舞台灯具的控制。
音效控制主要实现音量、均衡等常规功能操作。
控制台能够实现通过自身及外置硬盘存储节目素材，将舞台现场的场景控制（各个视效单元的场景技术要求以节目单元的形式存储）存储或调用；实现PC机的联网控制，同时能够对系统周边设备进行自动探测、自动配置、自动状态监控。设计人机交换界面，通过监视窗口对现场的各个场景进行实时的调度监控控制。
由于非专业演出场所的灯具、灯位、LED屏等视效装置的设置一般相对较为固定，因此，在使用之前将所有的参数均设置好，以后就可以直接进行操作。开机时，界面将出现模式选择，用户可以根据需要选择推荐模式或是自定义模式。采用推荐模式时，用户可以直接根据应用场景从视效库中选择需要的效果，方便快捷。如果视效库中无法找到对应的效果，用户可以根据自己的需要进行自定义，自定义的所有流程系统将通过智能向导的模式对用户进行指导，用户只需要跟着系统提供的“引导助手”即可进行操作。系统操作流程如图3所示。
接口区为控制台与各外部设备的接口，主要包括USB接口、DMX接口、网络接口、音频接口、MIDI接口、DP1.4接口、DVI接口、SDI接口、HDMI接口、VGA接口等。
3.2 设备智能组网的设计
由于舞台受控设备种类及数量繁多，需要保证系统能够兼容这些设备，联动控制系统的设备智能组网进行重点研发。为了简化用户操作，实现“即插即用”，将国际标准组织及各厂商所制定的不同设备控制协议统一为抽象模型，并进行标准化接口描述，注册到协议管理组件库中，以支持动态网络通信协议配置，实现联动控制系统的广泛兼容性。针对各个协议进行开发，与通信组件进行沟通，实现前端协议的多种类支持，包括：DMX512、Artnet、sACN、RDM等国际主流演艺设备控制协议，其中Artnet、sACN、RDM等双向传输协议是近年来发展日趋成熟的技术。设备组网的协议识别流程如图4所示。
3.3 控制台操作软件的设计
控制台操作软件的设计研发也是一个工作重点。为了提高系统的易用性，良好的人机交互界面设计、智能引导设计是首要的；其次为了降低成本，软件复用、兼容性、鲁棒性、实时性也是需要重点考虑的内容。
为了降低非专业用户的技术门槛，实现“傻瓜式”操作，任何一个区域都可以设置成相对专门的控制区域，如灯效控制区、屏效控制区、音效控制区或综合控制区域。控制面板上设置的按键包括“场景”“设置”“上翻”“下翻”“确定”“取消”“节目管理”等。并且对于每一步具体的操作，系统都会引导用户进行。系统内置有灯具信息文件，用户可以直接调用，也可在控台上进行编辑另行存储在控台或外部存储设备上。在控制台操作面板设置“场景”按键和上、下、左、右控制键，用户根据应用场景和情节需求，通过上下左右控制键对控制台灯具信息库中预置的设备信息文件进行选择预览，按下“确认”键即可完成调用操作。按下控制台操作面板上的“节目管理”按键，可进入节目管理界面，选择“新建”、“删除”或者“保存”进行节目管理，用户也可以对灯具信息库中的灯具信息文件进行再编辑或者自行设计新的演出文件，从而满足多样化、个性化的应用需求。若用户需要自行设计添加新的效果，选择“新建”按键即可新建一个节目，在智能引导下完成编辑后，选择“保存”加入灯具信息库，即可进行调用。用户创建新文件的流程如图5所示。
屏效控制要操作简便，所见即所得。控制台面板上设置播放控制键区和编辑键区。用户按下编辑键，即可进入编辑界面，由两个窗口组成，播放窗和控制窗。播放窗口是用来显示用户所要播放的文本、图像、视频等内容。软件支持多个播放窗，每个播放窗对应一块显示屏，每个播放窗中可以进行独立打开节目文件、独立播放、独立编辑等而不影响其他播放窗。控制窗是用来控制播放区的位置、大小及所要播放的内容，控制窗可以展开为编辑窗，控制窗包含菜单条和工具条以及编辑控件。“设置”菜单包含多屏组合/同步、调整大屏亮度/对比度/色温、设置大屏区域等。屏效控制操作流程如图6所示。
系统以屏幕控制和灯光控制为主要功能，兼顾基本的音效控制，实现音量、均衡等常规功能操作，主要功能包括音源选择、音量大小、音色等的简单控制。
4 系统的特点及优势
（1）集成化程度高，结构更加简单，功能齐全。可以在一个控制台上实现对舞台灯具、调光柜、数字媒体服务器、LED显示屏、投影机等多种视效设备的联动控制；整合了视频输出板卡视频图像处理和视频拼接等设备技术特点，更加方便视效设备的调度控制；通过与舞台模拟软件相结合实现在线与脱机编辑。
（2）网络设计结构建设标准化、模块化，具备多层次、多级别在线保护功能；网络备份全自动化；线路设计具有前瞻性、兼容性，充分满足未来线路延伸、节点增加及系统扩容升级等需求。
（3）界面友好，操作简单，易学易用，降低用户技术门槛。
（4）价格相对比较便宜，可用性、可维护性好。
系统从市场应用及客户的需求出发研发舞台视效设备联动控制系统，具有多用途、通用化、易操作等特点，具有良好的實用价值和市场前景。