舞台视效设备控制系统研究与实现

锁意涵，白石磊，徐开，范绪威

(1.中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024；2.视听技术与智能控制系统文化部重点实验室，北京 100024；3.湖南明和光电设备有限公司，湖南 长沙 410100)

1 引言

随着随着社会的发展，人民生活水平不断提高，人们对艺术形式多样化的追求也越来越高。舞台演出是艺术呈现最重要的形式，舞台视效是舞台演出中重要的组成部分，其呈现主要依赖于舞台灯光和大屏幕显示屏，即灯效和屏效。目前，舞台演出中的灯光控制设备及LED舞美视频设备等各个系统都已经发展成熟，且每个系统都有各自独立的一套成熟控制产品和方案[1]。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，该种方式只能实现单一屏幕的控制，无法实现多屏幕的控制(2)纯粹的视频控制台，如英国爱富丽公司的AI Sapphire Media一体式控台，该类控台只能控制输出视频信号，不能对外输出ART-NET信号、DMX512信号控制舞台灯具，该类视频一体式操控台非常复杂，售价极其昂贵，培训过程漫长，对于用户的运营维护管理而言极不灵活；(3)网络灯光控制台与数字媒体服务器相结合的方式[2]，如英国爱富丽公司的Sapphire Touch网络灯控台与爱富丽公司的AI媒体服务器组合系统，该系统通过灯控台里面的灯库对媒体服务器的图层进行配接，并在控台内部生成与媒体服务器图层相对应的ID设备号，通过调用ID号和灯控台的参数转轮就可以改变图层的位置、大小、旋转、融合度、播放、停止等功能，将相关的信息存储到灯控台的播放推杆上，就可以实现对投影机或者LED屏的集中控制，该类型控制系统相对于视频一体式控制台而言，系统搭建更为复杂，控制视频调试操作所需时间更长、更复杂，培训时间也更加漫长[3]。

对于现有的三种舞台视效设备控制方案，其不足主要体现在以下几个方面：(1)设备之间连接复杂，且时常遇到设备之间不兼容的问题；(2)设备价格昂贵；(3)技术门槛较高，操作人员需要经过长时间的培训，且需要多个操作人员之间相互配合。因此，急需一种操作简单，集视频、灯光等视效设备的控制为一体的性价比较高的舞台视效设备控制系统，以满足不同演出场所，尤其是群众文体活动中心、文化馆等非专业演出场所的需求。

2 舞台视效设备控制系统设计原则

针对现有舞台视效设备控制系统在设备集成化程度不高，操控困难，以及价格昂贵、使用及维护成本高等多方面的问题，本文提出了一种面向非专业演出团体的、易操作的、一体化的舞台视效设备控制系统，开发人机交互及操控系统软件，以实现多路、多格式媒资内容的播放控制，并兼容常用的灯光控制，从而实现多种舞台视觉效果的搭配，提升舞台视觉呈现力和演出效果。系统研发时要遵循以下原则：

(1)对系统进行层次划分，分解出子层，尽量降低各个层次之间的耦合度。这对于系统开发以及后期系统维护都有着极大的好处。

(2)对于视频源、图片及不同的素材格式可以直接通过DMX信号进行控制。

(3)尽可能利用现有的成熟技术及软硬件资源，避免重复开发，以降低系统的开发成本。

(4)系统应具有较好的可裁剪行，不仅可以满足最小系统的简单使用，还可以通过以太网与同类型或不同类型控制系统组成大型控制网络，以满足大型演出的复杂应用。

(5)系统要尽可能实现设备的自动检测、自动配置等，以减少操作人员的工作量。

3 舞台视效设备控制系统设计方案

3.1 系统整体方案

舞台视效设备控制系统以PC级主板结合FirePro W7000专业显卡为核心，整个系统从下至上可以分为四层，分别为底层硬件、操作系统、驱动程序和应用层。联动控制系统中采用Windows操作系统，由操作系统负责驱动接口和设备。系统的整体架构如图1所示。

图1 系统整体框架图

为了提高系统的易用性，应用层软件的开发，尤其是良好的人机交互界面是重中之重，由于非专业演出场所的视效设备位置一般较为固定，在初次使用时可以根据智能引导进行参数的设置，之后就可以直接进行视效的编辑操作。考虑到不同用户的需求不同及可能存在的客观因素，将人机交互界面分解为三层：(1)顶层：系统预置有视效库，用户可以直接调用库中的预置效果；(2)第二层：如果用户在视效库中找不到满意的效果，则可以自行设置屏效与灯效；(3)第三层：当视效设备位置等发生变化时，用户可以在改成进行视效设备的参数设置。

3.2 系统硬件设计

系统硬件整体分为两部分，分别是前面板和主控模块。系统硬件总体框图如图2所示

图2 系统硬件整体框图

前面板主要负责键盘数据的搜集和发送，主控模块是系统的核心部分，是系统主程序运行的平台，负责处理逻辑运算和视效控制，通过RS485总线与前面板通信[4]。系统主控模块采用了PC级别的主板，并结合FirePro W7000专业显卡，在这类主板搭建的硬件系统中配有高速的CPU，配有2G以上的内存，配有更加快捷和稳定的固态硬盘，配有独立显存的显卡，性能稳定且功能强大[5]。通过内置输出板卡可以实现不同形式的信号的输出，通过DMX接口输出DMX控制信号控制灯具，通过DVI接口或DP1.4接口输出视频信号到投影机或者LED屏等显示设备。采用内置式视频信号采集卡实现摄像机等设备视频信号的输入。此外控制台还设置有USB接口、网络接口等。

为了降低舞台视效设备控制系统的使用门槛，实现“傻瓜化”操作，将系统的操作面板划分成以下几个区域：灯效控制区、屏效控制区、综合控制区，功能及设置区，编辑操作区及接口区，其面板设计如图3所示。

图3 舞台视效设备控制台面板设计

3.3 系统软件设计

该舞台视效设备控制系统采用分层的架构设计方法，其总体的架构设计如图2所示，分层架构具有以下优点：1)降低系统各个模块的耦合性；2)各层只需关注自己要实现的核心功能，不用考虑其他层的实现细节；3)各层逻辑可以复用；4)易扩展，在不改变接口的情况下，某一层的改变不会影响其它层[6]。根据功能对应用层进行模块划分，可以划分为以下几个模块：GUI界面、键盘模块、操作编辑模块、更新模块和日志模块，其中日志模块和更新模块作为单独的程序运行。各模块之间关系如图4所示。

图4 各模块之间调用关系图

视效控制模块是整个软件的核心模块，主要实现对视效设备的配置及管理。该模块主要由以下几个子模块构成：调度子模块、配置子模块、功能子模块和数据子模块。调度子模块主要负责任务调度，该模块提供了调度器，帮助实现内部运行的视效功能的调度和运行。配置子模块主要负责实现视效设备的配置，配置文件采用XML格式，便于用户进行直接的读取和修改。功能子模块主要负责实现单步场景、重演程序、内置图形、多步场景等功能。数据管理子模块主要是对数据输入输出进行管理，为了适应各类数据输入和输出方式，采用了插件模式进行构建[4]。操作编辑模块负责实现控制台的具体功能，对于不同类型的功能该模块都提供了一个独立编辑器，这些编辑器只负责管理属于自己的界面逻辑，通过编辑器之间进行切换即可完成不同界面和功能的切换。日志模块负责对舞台视效控制系统的日志进行搜集和存储，该模块采用B/S架构，将主程序作为客户端，通过socket接口TCP协议与作为服务端的日志程序进行通信。系统支持两种更新方式，分别是U盘更新和网络更新。

为了使系统的操作更直观，用户可以根据所要控制的视效设备种类在面板上相应的区域进行操作编辑，且系统采用智能引导的方式指导用户进行每一步操作。用户可以根据自己的需要从系统预置的视效库中选择合适的视效，按下操作面板上的“场景”键，并通过上、下、左、右方向控制键选择想要的视效，按下“确认”键便完成了预置效果的调用操作。如果用户无法从预置视效库找到满意的视效，可以按下“新建”键，开始新建一个节目，用户可以根据系统的智能引导进行编辑操作，完成后按下“保存”便可将新建效果保存至视效库，以方便下次调用。对于屏效的控制，控制面板上设置了播放控制和编辑的相关按键，用户按下相应的播放控制按键即可完成对视频的播放控制功能，按下“编辑”键进入编辑界面，编辑界面由播放窗口和控制窗口，用户可以通过播放窗口预览自己所要播放的内容，根据演出场所显示屏的多少，可以打开多个播放窗，播放窗之间相互独立，对任何一个播放窗进行操作都不会对其他窗口造成影响。控制窗主要实现视频等素材的播放控制及编辑操作，其中包括对播放区的位置、大小及内容等的控制。屏效控制操作流程如图5所示。

图5 屏效控制操作流程

4 结论

本文首先分析了现有的舞台视效设备控制方式，根据分析可得现有的舞台视效设备控制方式存在的缺陷，如设备集成化程度不高，连接复杂、成套设备价格昂贵、技术门槛高等。鉴于目前舞台视效设备控制方式存在的不足，提出了一种面向非专业演出场所的操作简单的舞台是视效设备控制系统，并对系统的整体方案、硬件方案、和软件方案做了介绍。本文提出的舞台视效设备控制系统相对于现有的舞台视效控制系统而言，主要有以下几个优点：

(1)集成化程度高，将对多种视效设备的控制集成到一个控制台上。

(2)界面友好，易于操作，降低了操作人员的使用门槛。

(3)价格较为便宜，且可以根据实际屏体面积大小配置视频输入输出板卡，做到资源合理利用。