淺析常用數(shù)字信號燈光控制協(xié)議發(fā)展

郝煜

【摘 要】 以DMX512、Art-Net燈光控制協(xié)議發(fā)展過程為主線，介紹不同發(fā)展階段控制協(xié)議的基本功能、參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】 燈光控制；協(xié)議；DMX512；Art-Net；信號傳輸

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.12.003

如今的熒屏和舞臺上，每天上演著各種節(jié)目，這些節(jié)目的形式、類型不斷挑戰(zhàn)業(yè)內(nèi)技術(shù)和設(shè)備的創(chuàng)新水平。燈光信號控制系統(tǒng)就在這個適應(yīng)過程中一次次地提升性能。本文通過筆者近些年節(jié)目制作和設(shè)備更新過程中的體會，介紹數(shù)字燈具信號控制方法的一些變化。

1 DMX512到DMX512-A協(xié)議

燈光行業(yè)內(nèi)最初的數(shù)字信號控制協(xié)議是大家熟知的DMX512協(xié)議。DMX512協(xié)議是由美國戲劇技術(shù)協(xié)會（USITT）于1987年發(fā)布，1990年修訂的數(shù)字燈具信號傳輸之工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全稱為USITT DMX512/1990 DIGITAL DATA TRANSMISSION STANDARD FOR DIMMERS AND CONTROLERS。通過英文對照可以看出，協(xié)議最初是用于控制臺與調(diào)光器間的數(shù)據(jù)傳輸，后來才廣泛用于數(shù)字燈具。

下面簡單介紹它的技術(shù)指標(biāo)。其采用5芯卡儂接口，傳輸方式為單向異步串行傳輸，即數(shù)據(jù)只能以一個方向傳送，發(fā)送端以數(shù)據(jù)幀（Frame）為單位傳送數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)幀之間的間隔時間不定，具有不規(guī)則的數(shù)據(jù)傳輸特性。傳輸速度為250 kbps，每發(fā)送一個包括512個數(shù)據(jù)幀的信息包將對全部512個受控通道形成一次全面控制，每秒最多可完成44次這樣的控制，即滿載刷新頻率為44 Hz。每個信息包中有效的信號控制信息為8位二進(jìn)制數(shù)字，即信息為00000000～11111111。換算成十進(jìn)制，就是我們在控臺上熟悉的燈具每個通道控制范圍0～255，常說的8位256級精度也是從這而來。之后的設(shè)備為提高某些功能的控制精度，就需要占用另一個或幾個數(shù)據(jù)幀（通道）。如，后來的電腦燈為了定位更準(zhǔn)確，其Pan/Tile屬性具有16位或32位精度，就是通過這個原理實現(xiàn)的。

那么，信息是如何到達(dá)目標(biāo)設(shè)備并被接受的呢？每個設(shè)備無論占用多少通道都要有個起始的地址，這個DMX512地址（就是安裝電腦燈時為其設(shè)置的地址碼）與信號包中幀序號對應(yīng)后就會接收相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而設(shè)備做出相應(yīng)動作。由于DMX采用RS-485的接口，早期的硬件水平要求每個DMX512接口上所控制的設(shè)備在不超過512個通道情況下，限制受控負(fù)載數(shù)量為32個。后期有所改進(jìn)，但為了方便，應(yīng)用中一直沿用了32個設(shè)備這一限制數(shù)量。在實際操作中，安全連接超過32個負(fù)載的解決辦法，就是加DMX信號分配放大器。這樣的數(shù)字信號讓用戶擺脫了模擬傳輸?shù)脑S多不便，但還有個明顯的缺點，就是只能單向傳輸信號。用戶知道信號被送出，但是否到達(dá)、燈具狀態(tài)好壞、是否按指令進(jìn)行工作（如果用戶看不到燈具）都不知道。支持半雙工（即發(fā)送與接收交錯進(jìn)行）雙向傳輸?shù)脑鰪?qiáng)版DMX512-A應(yīng)運而生，典型應(yīng)用就是RDM（Remote Device Management），并且最長支持300 m傳輸距離。

2 從Art-Net 1到Art-Net 4協(xié)議

隨著終端設(shè)備功能不斷增強(qiáng)，對控制系統(tǒng)要求也更高。比如，電腦燈從以前的十幾通道變?yōu)閹资ǖ馈⑸习偻ǖ?；主流控臺DMX512輸出口增加到6個、8個，同時又新添了以太網(wǎng)口。借助于硬件的改變，更大的數(shù)據(jù)量、更高的傳輸速度、更靈活的雙向傳輸、更簡單現(xiàn)場布線、真正的多用戶界面操作等都在實現(xiàn)。更多的基于以太網(wǎng)的協(xié)議不斷提出，ACN、Art-Net、Shownet、ETCnet等等。功能大體相同，當(dāng)初最基本的目的就是實現(xiàn)一根網(wǎng)線控制更多的設(shè)備。這里重點介紹在我國使用更普及的由Artistic Licence公司開發(fā)的Art-Net協(xié)議。

之所以其應(yīng)用廣泛，主要是利用廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)來傳送業(yè)界普遍使用的DMX512數(shù)據(jù)，以滿足用戶最迫切、最普遍的應(yīng)用需求。硬件上的實現(xiàn)方法很自由，考慮到要與現(xiàn)有大量只支持DMX512的設(shè)備連接，1998年定義Art-Net 1作為最初版本提供了最多約40路DMX512的編解碼，到2006年Art-Net 2升級到256路。用戶可通過各個認(rèn)證廠家生產(chǎn)的Art-Net編解碼設(shè)備（見圖1）轉(zhuǎn)換出DMX512的輸入、輸出，只要它的端口號是256中的一個。

信號控制信息以一個個數(shù)據(jù)包的形式送到終端，其中每個數(shù)據(jù)包主要有以下信息：

（1）512個屬性通道的DMX值。

（2）包括DMX數(shù)據(jù)鏈號在內(nèi)的5個控制字段（數(shù)據(jù)鏈號用以區(qū)分網(wǎng)絡(luò)上的其他數(shù)據(jù)包，告知終端是否接收）。

（3）順序號。

可能會有一些數(shù)據(jù)包沒能按時到達(dá)目的地，接收端通過讀取順序號便知道該包是否沒按順序到達(dá)，以丟棄超時作廢的數(shù)據(jù)。

基于以太網(wǎng)，將采用以下四種方式發(fā)送這些數(shù)據(jù)包：

（1）廣播（Broadcast）：從一個發(fā)送端向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）單播（Unicast）：類似一對一的關(guān)系，數(shù)據(jù)只發(fā)送到到指定的IP地址（在Art-Net 1中應(yīng)用的是Broadcast，到Art-Net 2中才應(yīng)用Unicast）。

（3）組播（Multicast）：是一對多的關(guān)系，比如有一組20臺設(shè)備需要接受相同數(shù)據(jù)，如果用“廣播”方式，不在這組中的設(shè)備也會得到這些數(shù)據(jù)，要是用“單播”同樣數(shù)據(jù)就要發(fā)20次，都會占用過多的網(wǎng)絡(luò)資源。組播是一種兼顧的方法，數(shù)據(jù)只發(fā)送一次，且只有組內(nèi)設(shè)備才能接受到。

（4）“自動”（Auto）：如用戶對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點情況不了解或直接忽略網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的設(shè)置，就可選擇此模式，讓系統(tǒng)自己選擇合適的數(shù)據(jù)發(fā)送方法。具體流程是：發(fā)送端第一次以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，得到響應(yīng)的節(jié)點返回“數(shù)據(jù)已收到”的信號后，發(fā)送端之后就會以單播方式只向該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)超過40個節(jié)點做出響應(yīng)時發(fā)送端將保持“廣播模式”繼續(xù)發(fā)送。這個網(wǎng)絡(luò)中稱為“握手”的過程是通過交換Art-Net 2中加入的Artpoll巡查數(shù)據(jù)包實現(xiàn)的。實際使用中，一個產(chǎn)生Art-Net控制數(shù)據(jù)的控制器（如燈光控制臺）是如何使用這些屬性的呢？以MA2為例（見圖2），可以直觀地設(shè)置傳輸模式、DMX信號數(shù)量、DMX端口號等。其中，DMX信號數(shù)量是允許用戶告知控制臺要使用256路DMX信號中的多少路，以省去“廣播模式”下不必要的傳輸數(shù)據(jù)量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。筆者在實際使用中將其設(shè)置為256后，用“廣播模式”明顯感到信號延遲。故建議使用者要盡量了解設(shè)備使用量，精確根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置，可以帶來更順暢的操作體驗。endprint

隨著演出形態(tài)的改變，控制數(shù)據(jù)不斷增加，2011年發(fā)布的Art-Net 3將之前的256路DMX解碼提高到了32 768路。只是實際能支持的數(shù)量還要看傳輸方式（廣播/單播）和網(wǎng)絡(luò)的物理帶寬（100 BaseT/1 000 BaseT）。

可通過MA2控制臺中的設(shè)置，來看具體是怎么實現(xiàn)的?？刂婆_系統(tǒng)軟件升級后的設(shè)置界面有所改變（見圖3），將以前由Externstart（0～255）設(shè)置DMX512物理地址改為Net（1～128）+Subnet（0～15）+Universe（0～15）共同完成?？梢越忉尀槊總€Subnet包含16個Universe，即16×16=256路DMX512解碼數(shù)據(jù)，這是之前版本Art-Net協(xié)議支持的數(shù)量。Art-Net 3增加了一個Net允許設(shè)置的數(shù)值為1～128，可以理解為每個Net由16個連續(xù)的Subnet或256個連續(xù)的DMX512解碼數(shù)據(jù)組成，這樣就產(chǎn)生了128×16×16=32 768路DMX512解碼數(shù)據(jù)。其實，為網(wǎng)絡(luò)指明數(shù)據(jù)發(fā)送地址的是一個15位的二進(jìn)制字符串（見圖4），相當(dāng)于某人的家庭住址，郵遞員就是按照這個地址將信件（數(shù)據(jù)）送達(dá)收信人（DMX512設(shè)備）。

2016年9月，最新的Art-Net 4發(fā)布，在前版本基礎(chǔ)上更新了一個用戶關(guān)注的重要功能：一個使單個網(wǎng)關(guān)能處理更多DMX端口的方案。以前，使用超過4個DMX端口的網(wǎng)關(guān)就需要多個IP地址。Art-Net 4的新方案允許一個網(wǎng)關(guān)（或Art-Net產(chǎn)品）支持超過1 000個DMX端口。這樣一來，用戶和產(chǎn)品開發(fā)人員都會少了很多煩惱。由于該版本發(fā)布時間還不長，產(chǎn)品應(yīng)用較少，還需要今后業(yè)內(nèi)同行共同研究。

3 小結(jié)

總之，技術(shù)在不斷地滿足更大的數(shù)據(jù)量、提供更廣泛的兼容性，最終目的是讓在舞臺前的設(shè)計者們更少地考慮到技術(shù)的限制，不制約他們的想象力。Art-Net 4甚至已經(jīng)開始支持還沒有處于真正應(yīng)用階段的VLC（可見光通信），他們把這叫向未來致敬。今后信號傳輸協(xié)議和燈光技術(shù)會向什么方向發(fā)展、能到達(dá)何種程度，讓我們共同期待吧。

以上是筆者搜集相關(guān)資料和結(jié)合自身工作寫下的一些粗淺總結(jié)，個別翻譯可能存在誤差，希望同仁們指正。

參考文獻(xiàn)：

1. www.usitt.org

2. www.artisticlicence.com

3. art-net.org.uk

4. WH/T 32-2008 DMX512-A燈光控制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議.endprint