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舞台灯光控制技术与DMX512(中央电视台技术制作中心-王京池)
舞台灯光控制技术与DMX512(中央电视台技术制作中心-王京池)

2017-10-10

【提要】科学技术的发展和进步,把舞台灯光控制技术带入了数字化时代。DMX512数字信号技术作为灯光 控制技术数字化的典型代表,值得我们去做进一步的了解。本文中作者通过对DMX512提出和产生过程的介绍,通过对DMX512物理特性和传输特性(数据包)的分析,以及通过对在使用DMX512过程中需要注意问题的阐述,希望能达到和大家一起来共同探讨和深入了解DMX512数字信号,更好地为舞台灯光工程服务。



谈到灯光控制,对一些非专业人士来说立刻会想到日常生活中的开灯和关灯。而我们这里所谈的是大家不太熟悉的演出舞台和电视制作中的专业灯光控制技术,谈的是现代数字化技术在灯光控制中的应用,谈的是灯光控制技术中的DMX512数字信号。


1、舞台灯光控制技术的发展与DMX512协议的产生 

回顾舞台灯光控制技术的发展历程,大体可分为三个阶段:原始控制技术阶段;模拟控制技术阶段;数字化技术控制阶段。另外,随着网络化技术的不断成熟,灯光控制技术还将会迎来一场新的革命。在这里,我们主要来讨论的是DMX512数字信号问题,也是每一位灯光工作者天天要接触到的技术问题,至于网络化技术将会如何影响舞台灯光控制技术,不在本文的讨论之列。

 

在最初的原始控制技术时期,舞台灯光的控制相当麻烦。演出过程中,在舞台四周布满大大小小的各式各样的手动控制开关,每一盏灯需要一个开关,并且还要敷设大量的灯线,其工作量是可想而知的。受控的灯具也只有亮灭两种状态,根本不可能调光,提供的纯粹是单纯的照明。我们可以想象,那时的灯光工作者只是忙于灯具的开和关,很难顾及到舞台的

效果的需求还相差很远,要想完成大范围的艺术照明几乎是不可能的。再后来,自动化技术、电子技术和半导体技术的应用,把可控硅技术应用到调光器中,产生了硅箱,这标志着模拟调光技术时期的到来。这种技术是通过模拟调光台(实际上是一个个电位器推子)输出的0~10V的模拟信号,控制可控硅的导通角来完成灯具调光功能的,它能够做到每艺术效果。

 

后来,随着技术的进步,将一些大功率的电位计,应用到灯光控制技术中,能够做到简单的调光,但与舞台艺术一个灯具具有不同的亮度输出。时至今日,这种模拟调光方式还在一些小型演出活动中使用。可以说,模拟调光技术的应用为今天灯光技术的飞速发展奠定了基础,也为当今电视舞台上丰富多彩的灯光艺术创作提供了可能。但是,这种技术需要一个推杆(Fader)对应着一个调光回路(Dimmer),同时也需 要连接一条信号线。可以想象一下,如果一台演出需要控制500个调光回路,就要有一台具有500个电位器推子的调光台,同时还需要连接500条信号控制线,这是不可能的事。

 

随着时间的推移,随着电视事业的不断发展壮大和舞台演出市场的日益活跃,要求具有强大功能的灯光控制系统的出现。到了20世纪80年代,数字化电脑技术的应用和普及,产生了新一代的灯光控制技术,即所谓的DMX512数字信号控制技术。DMX512数字信号控制技术就是在这样的背景下产生的。这种控制技术最终虽然仍采用可控硅控制灯光,但是它采用的电脑控制台只用一条信号线就可以同时输出多路串行的DMX512数字信号。它通过电脑系统来控制整个灯光控制系统,不需要一个推杆对应着一个调光器,它可以任意设置推杆和调光器之间的对应关系,通过推杆和按键可以随意调整调光台和回路之间的连接状态,可以任意选择可控硅调光曲线的斜率等重要参数。这种技术大大简化了灯光的控制方式,为大规模控制灯光提供了可能。下面,我们就对DMX512数字信号控制技术进行详细的讨论和分析。



2、DMX512数字信号  

(1) DMX512数字信号的概念:1986年,首先由美国剧院技术研究机构 (U•S•Institute of Theatre Technology,缩写词为USITT)提出了控制台与调光器之间的DMX512数字信号控制协议草案,这是一个极易被专业灯光人员接受的简单易行的技术方案。这个草案后来经过进一步改进,具有更广泛的通用性和兼容性,并于1990年公布实施,就是所谓的USITT DMX512 (1990)标准。这种协议后来被娱乐服务技术学会(The Entertainment Services and Technology Association,缩写词为ESTA)接受。从此,这种数字控制协议就被广泛地应用到灯光控制台中,首先用它来控制调光硅箱,后来进一步扩展了它的用途,可以通过这种信号来控制电脑灯、换色器、电动吊杆、机械灯、激光表演系统、烟机以及彩带枪等舞台常用的设备。

 

DMX 是英文 Digital Multiple X的缩写,是多路数字传输的意思。DMX512信号的传输方式是通过工业标准EIA485来完成的。这种通信协议是在控制单元和受控单元间的一组组数据流,它能够连续传输包括复位信号、开始代码和1~512的数据信号的数据包。它的最突出的优点是,当第一个数据包完成后,毫不间歇地传输第二个,如果后一个数据包与前一个相同,它也会一遍又一遍发送同一个数据包,如果因某种原因使某个数据没有得到破译,它还会在极短的时间内重新发送,直到被接收设备执行为止。

 

(2) DMX512信号的物理特性:

為台灯先控喇技木為DMX512信号是通过双绞屏蔽线传输的矩形波信号,它的传输电压在+12V-7V之间,当“+”端为高电位、“-”端为低电位时表示数字“1”,当“-”端为高电位、“+”端为低电位时表示数字 0”。


DMX512信号通过五芯XLR圆柱形插头把控制台和受控设备连接起来,根据标准要求各芯功能和导线颜色的具体规定见表1


表1  各芯功能和导线颜色

芯号

功能

线颜色

1

屏蔽地

屏蔽线

2

信号负(-)

黑线

3

信号正(+)

白线

4

预留信号负(-)

绿线

5

预留信号正(+)

红线

按通常规则,DMX信号输出端的圆柱形插头为孔(母),输入端的圆柱形插头为针(公)。有些厂商只使用三芯XLR圆柱形插头,这从技术来说是没有问题的,但从使用者的角度来说,当同时使用多种灯具时容易造成混乱。1号屏蔽地线仅仅作为信号的参考地,它的主要功能是屏蔽,用它来保护信号的正常传输,防止被其它信号干扰或干扰其它信号。DMX512信号要求正负信号间的电压差在接收端不能低于200mV,否则受控设备就难以做出正确判断。


DMX512信号采用8位异步串行协议发送数据(现在有的控制台已经开始使用16位控制信号,但基本原理相同,只是传输精度和速度上的变化)。这种8位信号带有一个开始位(低电平)和两个停止位(高电平),因此每帧有11位,每一位的宽度为4μs,所以发送每一个帧的时间为44μs。

 

DMX512信号的数据传输速率为250kbps,也就是说当每次传输512个光路(Channel)时,数据的更新速率为44次/秒。但当每次传输的光路数少于512个时,传输速率会相应地提高,如传输的光路数为24个时,数据的更新速率将达到1000次/秒。

 

由于DMX512信号有如此高的传输速率,就具有像我们熟知的“无线电波”的一些特性,当信号通过导线传播时,若导线处于“开环”状态,导线的末端就会出现像电波一样的“反射”现象,反射回来的信号(杂波)叠加在原 来的信号上,就会产生一些意想不到的怪现象,影响正常的控制功能。当在末端加接一个终端电阻(120Ω/0.25W) 形成“闭环”后,就能够解决这个问题。

 

(3)DMX512信号传输(数据包)特性:前面已经说过,DMX512信号是以电子方式传播的数据包信号,它包括高电平“1”和低电平“0”。那么,这个数据包到底是一种什么形式呢?又是怎样组成的呢?下面我们来做详细解释。

 

根据计算机语言特性来分析, DMX512数据包包括以下几部分(见图 1):无信号指示(Idle或No DMX)、 中断(Break)、中断后标志(Mark After Break 或 MAB)、开始码(Start Code或SC)、光路信息码间隔标志 (Mark Time Between Frames 或 MTBF)、光路信息码(Channel Data 或CD)、数据包间隔标志(Mark Time Between Packets 或 MTBP) 。并且DMX512标准还对每一部分的时间长度作出了明确的规定(见表2)。下面我们就对这几部分加以说明。

 

①无信号指示(Idle或No DMX Situation):当无DMX512信号指令输出时,信号指示永远处于高电平。

 

②中断(Break):从DMX数据包 开始发送信号前88μs,信号指示变为低电平,这就意味着用22位来表示两组信号之间的中断。另外,这个中断的时间长短,通常情况下与设计者的设定有关系,在不同的设备之间可能有所不同,但最低不能小于88μs。

 

③中断后标识(Mark After Break或MAB):紧接着中断就是一个2个位,即8μs的高电平,它标志着中断的结束。这个时间的长短在不同标准中是有所区别的,最初的DMX512标准只有一个位(4μs),在USITT DMX512(1990)中规定为两个位(8μs)。

 

④开始码(Start Code或SC):开始码标志着数据包中真正信息流的开始,它告诉接收设备开始接收光路控制信息。开始码定义为光路0,也就是表示没有光路信息存在。在开始码后面的每个光路信息码和开始码的结构形式是相同的,都包栝一个开始位和两个停止位,它的时间长度是有严格规定的,为 11个位(44μs)。开始码和光路信息码有以下几部分组成:

 

开始位(Start Bit):它由1个位组成,表现为低电平,它的时间长度是4μs。

 

光路数据位(Data Bits):它的长度为8个位元(32tarts),即前面我们所说的8位传输特性,也就是说它可用来表示在十进制数字中0~255这256个不同的值。

 

停止位(Stop Bits):它由2个位组成,表现为高电平,它的时间长度是8μs。

 

当DMX512控制信号完成一次从1到512个光路信息的发送后,在第二次发送时仍然是从开始码开始的,也就是 说在每个数据包内都要有一个开始码。

 

⑤光路信息码间隔标识(Mark Time Between Frames 或 MTBF):为了区分每个光路的信息,在每个光路控制信号的开始位前加一个高电平的标识,它的时间长度没有具体规定,但要越小越好。

 

⑥光路信息码(Channel Data或 CD):前面已经说过,在开始码后面就是1到512个光路的控制信号光路信息码。

 

⑦数据包间隔标识(Mark Time Between Packets 或 MTBP):当传输完一个包含1到512个光路的数据包后,另一个数据包又从中断(Breek)开始。 但是,要在两个数据包之间増加一个高电平的标识,标识时间的长短没有明确规定,往往是根据控制台及其软件的设计要求,可以是01s的任意设置。


3、DMX512的使用与注意事项 

了解DMX512信号特性的目的是为了更好地使用它,下面我们来看一看在使用DMX512控制信号时需要注意的几个问题。

 

(1) DMX512的负载:根据USITT DMX512协议标准,控制台每个DMX512输出口最多能控制32个串接 在一起的“单元负载”。这个“单元负载”可以是电脑灯,也可以是硅箱或其它能够接受DMX512协议的设备。因此,如果想控制更多的“单元负载”就要使用分配器。通常情况下,分配器包括一个输入口和多个输出口,理论上讲每个输出口都能控制32个“单元负载”。但是,每个DMX512输出口控制的光路 (Chanael)数最多只能是512个,所以要控制更多的光路,就需要有多个DMX512输出口。表3列出的是控制台输出口序号与所控制光路数的关系。

 

从理论上说,控制台的输出口数量是没有限制的,但实际上每个控制台有4~8个DMX512输出口就足够了。

 

例如,一个具有6个DMX512输出口的控制台,能够控制的光路数为:512x6=3072 (个)。这就表示,如果用它来控制调光立柜(硅箱),它就能控制 3072个调光回路(Dimmer)。如果用它来控制电脑灯,它就能控制3072个通道 (Chaneel)。如果一个电脑灯的通道数为20个,那么每个DMX输出口控制的电脑灯数为25台(512+ 20=25余12),所以6个DMX输出口能控制的电脑灯数为150台(6x25=150)。

 

(2)地址码的设定问题:就像我们每个人有一个名字一样,每台受控设备要具有能够确定其身份的地址码。就拿调光立柜来说,它的每一个回路对应着一个地址码,当控制台发出的信号指令是发给某个回路的时候,这个回路就要接收这个指令并执行它。当然,这种地址码是需要预先设定的,对于第一个DMX输出口来说,也许我们很容易将1~512个地址码设定,因为其最大地址码就是512。但要设定后面的DMX输出口的地址码,就需要认真地计算了。例如,我们要设定2331这个地址码,首先确定它属于哪个输出口:根据计算2331+512=4余283来确定,它属于第五个DMX512输出口。因此,在设备的地址需要设定为2331这个地址码时,就要将该设备连接到控制台的第5个输出口上,地址码设定为283。

 

(3)DMX512使用中的注意事项:正确地使用DMX512控制信号是非常重要的,但对我们每一个灯光工作者来说,也是往往容易被忽视的。因此,这里有必要和大家一起来探讨一下在使用 DMX512信号时需要注意的几个问题。

 

①随时携带一个便携式DMX512 信号测试仪非常有用,它能够随时检查 系统中出现的错误,迅速找到问题部位,及时排除故障,保证灯光控制系统的正常运行。

②使用合格的信号线能够大大减少工作中的麻烦,根据DMX512协议标准的要求,选用符合规格的双绞屏蔽线来制作信号线,决不能使用音频线来代替。圆柱形插头芯线的正确连接也要引起重视。在实际工作中,有许多故障都是因为信号线的断裂和信号线接头的脱 焊以及线号的错误连接等问題引起的,因此,在使用前查一下信号线的通断和芯线的相位,能达到事半功倍的效果。

③使用三芯DMX512圆柱形插头时,特别是在使用五转三或三转五信号转接线时,一定要特别注意,使用前要仔细了解设备对信号相位的技术要求,及时改正错误的信号连线。

 

④检查受控设备和DMX512圆柱 形插头的地线连接问题,根据DMX512标准规定圆柱形插头的1号芯和受控设备1号线都不允许接壳,只允许控制台DMX512输出口的1号线与其底盘连接。因此,在连接好控制系统的信号线后,要用测试仪或万用表检査1号线是否有接壳问題,一旦查出要立即排除,否则就可能因设备外壳意外带电对信号系统造成损坏。

 

⑤在同一个控制台上控制不同型号的电脑灯时,由于各生产厂商的设备会有所区别,混装使用时容易产生问题,因此,最好在它们之间安装隔离放大器,将不同型号的电脑灯隔离使用。另外,在租用其它公司的电脑灯或其它设备时,最好在不同公司的设备之间安装隔离放大器,这一点也很重要。

 

⑥注意将电脑灯的供电电源,与演播室或演出场所其它用电设备(如硅箱及大功率灯具等)的供电电源分开使用,否则极易产生因其它用电设备超载而造成的对电脑灯的损坏。

 

⑦要牢记在信号连接线的最末端加接120Ω终端电阻,根据DMX512信号协议的要求,在每一串信号链的末端都要连接终端电阻,以形成控制回路的“闭环”,因此,在实际工作中,我们要多准备几个终端电阻。

 

⑧注意DMX512系统的“单元负载”问題,使每个输出口的“单元负载”不能超过32个,必要时增加信号分配器。另外,根据我们的经验,从控制台或分配器到最末端受控设备的信号线长度要小于200m,才能有较好的控制效果。

 

⑨注意地址码的正确设定,特别是在使用电脑灯时,要清楚每个电脑灯的通道数和地址码的设定方法,有些电脑灯(如美国的HIGH END和意大利的SGM)有其特殊的地址码设定方法,要特别引起注意。

 

⑩在敷设DMX512信号线缆时,要尽量避免与电源电缆线和灯线平行近距离敷设,以减少电源和调光硅箱对控制信号的干扰。



综合上述,DMX512信号的使用,给舞台灯光的控制提供了极大的方便,也为灯光艺术效果的完美创作提供了可能。在享受这种技术给工作带来的方便的同时我们还要进一步熟悉它,了解它的技术特性,知道它在使用过程中需要注意的问题,为电视节目制作提供更好的技术服务。

 

本文引用中央电视台技术制作中心制作部王京池著作《舞台灯光控制技术与DMX512》

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