舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

鎖意涵，白石磊，徐開，范緒威

(1.中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024；2.視聽技術(shù)與智能控制系統(tǒng)文化部重點實驗室，北京 100024；3.湖南明和光電設(shè)備有限公司，湖南 長沙 410100)

1 引言

隨著隨著社會的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人們對藝術(shù)形式多樣化的追求也越來越高。舞臺演出是藝術(shù)呈現(xiàn)最重要的形式，舞臺視效是舞臺演出中重要的組成部分，其呈現(xiàn)主要依賴于舞臺燈光和大屏幕顯示屏，即燈效和屏效。目前，舞臺演出中的燈光控制設(shè)備及LED舞美視頻設(shè)備等各個系統(tǒng)都已經(jīng)發(fā)展成熟，且每個系統(tǒng)都有各自獨立的一套成熟控制產(chǎn)品和方案[1]。目前舞臺各類視效設(shè)備控制方式主要有以下三種形式：(1)通過計算機外加一些簡單的視頻圖像處理設(shè)備實現(xiàn)對顯示屏的控制，該種方式只能實現(xiàn)單一屏幕的控制，無法實現(xiàn)多屏幕的控制(2)純粹的視頻控制臺，如英國愛富麗公司的AI Sapphire Media一體式控臺，該類控臺只能控制輸出視頻信號，不能對外輸出ART-NET信號、DMX512信號控制舞臺燈具，該類視頻一體式操控臺非常復(fù)雜，售價極其昂貴，培訓(xùn)過程漫長，對于用戶的運營維護管理而言極不靈活；(3)網(wǎng)絡(luò)燈光控制臺與數(shù)字媒體服務(wù)器相結(jié)合的方式[2]，如英國愛富麗公司的Sapphire Touch網(wǎng)絡(luò)燈控臺與愛富麗公司的AI媒體服務(wù)器組合系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過燈控臺里面的燈庫對媒體服務(wù)器的圖層進行配接，并在控臺內(nèi)部生成與媒體服務(wù)器圖層相對應(yīng)的ID設(shè)備號，通過調(diào)用ID號和燈控臺的參數(shù)轉(zhuǎn)輪就可以改變圖層的位置、大小、旋轉(zhuǎn)、融合度、播放、停止等功能，將相關(guān)的信息存儲到燈控臺的播放推桿上，就可以實現(xiàn)對投影機或者LED屏的集中控制，該類型控制系統(tǒng)相對于視頻一體式控制臺而言，系統(tǒng)搭建更為復(fù)雜，控制視頻調(diào)試操作所需時間更長、更復(fù)雜，培訓(xùn)時間也更加漫長[3]。

對于現(xiàn)有的三種舞臺視效設(shè)備控制方案，其不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)設(shè)備之間連接復(fù)雜，且時常遇到設(shè)備之間不兼容的問題；(2)設(shè)備價格昂貴；(3)技術(shù)門檻較高，操作人員需要經(jīng)過長時間的培訓(xùn)，且需要多個操作人員之間相互配合。因此，急需一種操作簡單，集視頻、燈光等視效設(shè)備的控制為一體的性價比較高的舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)，以滿足不同演出場所，尤其是群眾文體活動中心、文化館等非專業(yè)演出場所的需求。

2 舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計原則

針對現(xiàn)有舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)在設(shè)備集成化程度不高，操控困難，以及價格昂貴、使用及維護成本高等多方面的問題，本文提出了一種面向非專業(yè)演出團體的、易操作的、一體化的舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)，開發(fā)人機交互及操控系統(tǒng)軟件，以實現(xiàn)多路、多格式媒資內(nèi)容的播放控制，并兼容常用的燈光控制，從而實現(xiàn)多種舞臺視覺效果的搭配，提升舞臺視覺呈現(xiàn)力和演出效果。系統(tǒng)研發(fā)時要遵循以下原則：

(1)對系統(tǒng)進行層次劃分，分解出子層，盡量降低各個層次之間的耦合度。這對于系統(tǒng)開發(fā)以及后期系統(tǒng)維護都有著極大的好處。

(2)對于視頻源、圖片及不同的素材格式可以直接通過DMX信號進行控制。

(3)盡可能利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)及軟硬件資源，避免重復(fù)開發(fā)，以降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。

(4)系統(tǒng)應(yīng)具有較好的可裁剪行，不僅可以滿足最小系統(tǒng)的簡單使用，還可以通過以太網(wǎng)與同類型或不同類型控制系統(tǒng)組成大型控制網(wǎng)絡(luò)，以滿足大型演出的復(fù)雜應(yīng)用。

(5)系統(tǒng)要盡可能實現(xiàn)設(shè)備的自動檢測、自動配置等，以減少操作人員的工作量。

3 舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)整體方案

舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)以PC級主板結(jié)合FirePro W7000專業(yè)顯卡為核心，整個系統(tǒng)從下至上可以分為四層，分別為底層硬件、操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應(yīng)用層。聯(lián)動控制系統(tǒng)中采用Windows操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)負責(zé)驅(qū)動接口和設(shè)備。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

為了提高系統(tǒng)的易用性，應(yīng)用層軟件的開發(fā)，尤其是良好的人機交互界面是重中之重，由于非專業(yè)演出場所的視效設(shè)備位置一般較為固定，在初次使用時可以根據(jù)智能引導(dǎo)進行參數(shù)的設(shè)置，之后就可以直接進行視效的編輯操作。考慮到不同用戶的需求不同及可能存在的客觀因素，將人機交互界面分解為三層：(1)頂層：系統(tǒng)預(yù)置有視效庫，用戶可以直接調(diào)用庫中的預(yù)置效果；(2)第二層：如果用戶在視效庫中找不到滿意的效果，則可以自行設(shè)置屏效與燈效；(3)第三層：當(dāng)視效設(shè)備位置等發(fā)生變化時，用戶可以在改成進行視效設(shè)備的參數(shù)設(shè)置。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件整體分為兩部分，分別是前面板和主控模塊。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示

圖2 系統(tǒng)硬件整體框圖

前面板主要負責(zé)鍵盤數(shù)據(jù)的搜集和發(fā)送，主控模塊是系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)主程序運行的平臺，負責(zé)處理邏輯運算和視效控制，通過RS485總線與前面板通信[4]。系統(tǒng)主控模塊采用了PC級別的主板，并結(jié)合FirePro W7000專業(yè)顯卡，在這類主板搭建的硬件系統(tǒng)中配有高速的CPU，配有2G以上的內(nèi)存，配有更加快捷和穩(wěn)定的固態(tài)硬盤，配有獨立顯存的顯卡，性能穩(wěn)定且功能強大[5]。通過內(nèi)置輸出板卡可以實現(xiàn)不同形式的信號的輸出，通過DMX接口輸出DMX控制信號控制燈具，通過DVI接口或DP1.4接口輸出視頻信號到投影機或者LED屏等顯示設(shè)備。采用內(nèi)置式視頻信號采集卡實現(xiàn)攝像機等設(shè)備視頻信號的輸入。此外控制臺還設(shè)置有USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。

為了降低舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)的使用門檻，實現(xiàn)“傻瓜化”操作，將系統(tǒng)的操作面板劃分成以下幾個區(qū)域：燈效控制區(qū)、屏效控制區(qū)、綜合控制區(qū)，功能及設(shè)置區(qū)，編輯操作區(qū)及接口區(qū)，其面板設(shè)計如圖3所示。

圖3 舞臺視效設(shè)備控制臺面板設(shè)計

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)采用分層的架構(gòu)設(shè)計方法，其總體的架構(gòu)設(shè)計如圖2所示，分層架構(gòu)具有以下優(yōu)點：1)降低系統(tǒng)各個模塊的耦合性；2)各層只需關(guān)注自己要實現(xiàn)的核心功能，不用考慮其他層的實現(xiàn)細節(jié)；3)各層邏輯可以復(fù)用；4)易擴展，在不改變接口的情況下，某一層的改變不會影響其它層[6]。根據(jù)功能對應(yīng)用層進行模塊劃分，可以劃分為以下幾個模塊：GUI界面、鍵盤模塊、操作編輯模塊、更新模塊和日志模塊，其中日志模塊和更新模塊作為單獨的程序運行。各模塊之間關(guān)系如圖4所示。

圖4 各模塊之間調(diào)用關(guān)系圖

視效控制模塊是整個軟件的核心模塊，主要實現(xiàn)對視效設(shè)備的配置及管理。該模塊主要由以下幾個子模塊構(gòu)成：調(diào)度子模塊、配置子模塊、功能子模塊和數(shù)據(jù)子模塊。調(diào)度子模塊主要負責(zé)任務(wù)調(diào)度，該模塊提供了調(diào)度器，幫助實現(xiàn)內(nèi)部運行的視效功能的調(diào)度和運行。配置子模塊主要負責(zé)實現(xiàn)視效設(shè)備的配置，配置文件采用XML格式，便于用戶進行直接的讀取和修改。功能子模塊主要負責(zé)實現(xiàn)單步場景、重演程序、內(nèi)置圖形、多步場景等功能。數(shù)據(jù)管理子模塊主要是對數(shù)據(jù)輸入輸出進行管理，為了適應(yīng)各類數(shù)據(jù)輸入和輸出方式，采用了插件模式進行構(gòu)建[4]。操作編輯模塊負責(zé)實現(xiàn)控制臺的具體功能，對于不同類型的功能該模塊都提供了一個獨立編輯器，這些編輯器只負責(zé)管理屬于自己的界面邏輯，通過編輯器之間進行切換即可完成不同界面和功能的切換。日志模塊負責(zé)對舞臺視效控制系統(tǒng)的日志進行搜集和存儲，該模塊采用B/S架構(gòu)，將主程序作為客戶端，通過socket接口TCP協(xié)議與作為服務(wù)端的日志程序進行通信。系統(tǒng)支持兩種更新方式，分別是U盤更新和網(wǎng)絡(luò)更新。

為了使系統(tǒng)的操作更直觀，用戶可以根據(jù)所要控制的視效設(shè)備種類在面板上相應(yīng)的區(qū)域進行操作編輯，且系統(tǒng)采用智能引導(dǎo)的方式指導(dǎo)用戶進行每一步操作。用戶可以根據(jù)自己的需要從系統(tǒng)預(yù)置的視效庫中選擇合適的視效，按下操作面板上的“場景”鍵，并通過上、下、左、右方向控制鍵選擇想要的視效，按下“確認”鍵便完成了預(yù)置效果的調(diào)用操作。如果用戶無法從預(yù)置視效庫找到滿意的視效，可以按下“新建”鍵，開始新建一個節(jié)目，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的智能引導(dǎo)進行編輯操作，完成后按下“保存”便可將新建效果保存至視效庫，以方便下次調(diào)用。對于屏效的控制，控制面板上設(shè)置了播放控制和編輯的相關(guān)按鍵，用戶按下相應(yīng)的播放控制按鍵即可完成對視頻的播放控制功能，按下“編輯”鍵進入編輯界面，編輯界面由播放窗口和控制窗口，用戶可以通過播放窗口預(yù)覽自己所要播放的內(nèi)容，根據(jù)演出場所顯示屏的多少，可以打開多個播放窗，播放窗之間相互獨立，對任何一個播放窗進行操作都不會對其他窗口造成影響?？刂拼爸饕獙崿F(xiàn)視頻等素材的播放控制及編輯操作，其中包括對播放區(qū)的位置、大小及內(nèi)容等的控制。屏效控制操作流程如圖5所示。

圖5 屏效控制操作流程

4 結(jié)論

本文首先分析了現(xiàn)有的舞臺視效設(shè)備控制方式，根據(jù)分析可得現(xiàn)有的舞臺視效設(shè)備控制方式存在的缺陷，如設(shè)備集成化程度不高，連接復(fù)雜、成套設(shè)備價格昂貴、技術(shù)門檻高等。鑒于目前舞臺視效設(shè)備控制方式存在的不足，提出了一種面向非專業(yè)演出場所的操作簡單的舞臺是視效設(shè)備控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的整體方案、硬件方案、和軟件方案做了介紹。本文提出的舞臺視效設(shè)備控制系統(tǒng)相對于現(xiàn)有的舞臺視效控制系統(tǒng)而言，主要有以下幾個優(yōu)點：

(1)集成化程度高，將對多種視效設(shè)備的控制集成到一個控制臺上。

(2)界面友好，易于操作，降低了操作人員的使用門檻。

(3)價格較為便宜，且可以根據(jù)實際屏體面積大小配置視頻輸入輸出板卡，做到資源合理利用。