下一代演藝燈光設備自動組網及關鍵技術進展（上）

下一代演藝燈光設備自動組網及關鍵技術進展（上）

（中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024）

根據我國下一代網絡化演藝燈光控制系統的設備及組網設計理念，提出該系統的協議體系架構及實現流程，分析了設備發現、設備識別、設備描述、設備管理及會話數據傳輸等子協議，旨在給出一套有效的系統自動組網方法。

燈光控制系統；設備自動組網；設備發現；設備識別；設備描述；設備管理

1 引言

燈光設備是演藝工程技術的主要研究對象之一，也是各類演出（展示）必不可少的元素。面對著燈光網絡化所帶來的諸多優勢，世界上各大燈光設備廠商紛紛推出各自的網絡化燈光設備和控制系統。通常來說，燈光設備接入系統的目標是在盡量少的人工干預下，實時獲取系統中控制設備所提供的數據，并能夠向其他設備提供服務。這就涉及到演藝燈光控制系統的自動組網，設備自動發現、描述、識別等。即用戶設備及系統應該滿足以下基本要求：設備接入系統后即能根據系統環境對其自身和系統的某些參數進行自動配置，以便能和其他設備進行通信；設備能描述并聲明自身提供的服務，便于其他設備的訪問。此外，具有即插即用特性的設備還應能與不具備此特性的設備進行無縫的互操作，可適用于人工配置聯網操作，對不同的聯網環境具有良好的適應性，在必要時能對有關配置進行自動更新。達到這些條件，需要在用戶設備與網絡環境之間進行協調。這就要求控制系統和系統設備之間遵循一定的協議來保證信息、數據等可靠傳輸。但不同廠商的設備和控制系統所遵循的應用層協議不同，因此，各廠家生產的燈光設備之間的兼容、通訊、互操作等方面還存在著不同程度的問題。雖然，世界上一些研究機構和廠家已經致力于網絡燈光控制協議標準的研究，具代表性的有歐洲的Art-Net協議和美國的ACN協議，但是該領域到目前為止，還沒有一個統一的標準。

本文根據我國下一代網絡化演藝燈光控制系統包括的設備及設計理念提出相適應的原協議體系架構，并介紹了協議體系架構包括的幾個主要方面，即設備發現、設備識別、設備描述、設備管理及數據會話傳輸等。然后分別具體給出各個協議機制在整個協議架構中的作用及主要內容，旨在給出一套能在盡量少的用戶干預的情況下，系統實現自動組網、系統設備之間實現相互通信的方法，實現演藝燈光系統更好的為藝術表現服務。

2 系統設備簡要介紹

演藝燈光控制系統的設備功用均是為藝術表現服務的。下一代網絡化演藝燈光控制系統中主要包括3類設備：

（1）受控設備。主要包括各種燈具、效果器等，工作環境往往是影劇院的吊桿、舞臺面、燈架、馬道、硅室等，直接為表現藝術效果服務。

（2）控制設備。主要包括各種燈具、效果器的控制臺，為控制燈具、效果器服務，往往位于觀眾席后方的控制室內。

（3）監管設備。主要包括各種監視、通信、管理設備，為監督、管理系統服務，往往位于監控室內。燈光控制網絡具有總體分散、局部集中的特點，基于設備分類的思想，我們將燈光控制系統劃分為管理層、控制層和設備層。如圖1所示。

圖1 下一代網絡化演藝燈光控制系統網絡拓撲結構

從縱向來看，管理層、控制層與設備層體現了分散控制的思想，每層負責不同的任務；從橫向來看，現場設備層也可以形成獨立的控制區域，實現某一控制區域內各設備之間的通信。層與層之間以及同層的設備間都是通過雙絞線或者光纖進行傳輸。

3 組網設計理念

作為高科技成果，網絡化演藝燈光控制系統的確能為燈光操作人員帶來新的使用效能，也將改變傳統的燈光控制的思想觀念，更新燈光控制的工作方式，它代表著一種發展趨勢，確立網絡化演藝燈光控制系統的發展定位是首先應明確的指導思想，通常來說，一個好的控制協議應符合以下幾個基本條件：

（1）接收端能快速找到自己需要的數據段，對不認識的數據能快速跳過、屏蔽。

（2）發送端根據需要可以加上只對自己有意義的數據段，但是完全不會影響接收端。

（3）當協議升級后，保持對老版本協議的兼容。可以看出，規則（2）、（3）都是建立在規則（1）上的。

根據一個好的控制協議所應滿足的幾個基本條件，考慮到網絡化演藝燈光控制系統的實際情況與未來的發展，我國下一代網絡化演藝燈光控制系統協議機制的設計應基于以下7點設計理念：

（1）兼容性原則

控制系統要以主流網絡協議 TCP/IP 為基礎，盡可能地使用大量的第三方現有網絡硬件和軟件，同時，必須兼容現有的燈光控制協議，實現現有燈光控制協議設備信息在下一代網絡化演藝燈光控制系統無障礙傳輸。

（2）分層模塊原則

控制系統應詳細定義該協議包括的各個子協議的功能、清晰的界限和分層，并且將各子協議分為各個小的模塊，同時每個模塊相互獨立，這樣可以按需要添加、刪除或聯合模塊，并且實現不同組件的協同工作，方便協議的壓縮與擴展。此外，模塊中很多參數不是固定的，而是根據在設置其他模塊或環境因素時最佳操作來設定參數。

（3）智能化原則

控制系統需要在盡量少的人工干預下解決繁瑣的參數配置問題以及尋址問題，將設備的功能描述成一組變量或屬性，使用戶設備在聯網過程中盡可能做到由獲取屬性值來監測設備狀態和設置其屬性值來控制設備操作。

（4）端到端透明原則

端到端透明原則必須在控制系統中采納。考慮到演藝燈光網絡設備需要通過修改設備屬性完成優化升級、地址轉換等要求，所有端到端的不透明將對控制系統的發展形成很大的阻礙。因此，應該針對地址空間、安全等需求有所優化，但是端到端透明的原則也應當以不影響用戶應用為限。

（5）簡單開放原則

很多協議的成功在很大程度上取決于簡單開放原則。控制協議的相關層協議必須開放接口，才能使協議被更多的使用者所接受；功能和應用層接口只有盡可能開放，才可能使更多的用戶投入到該協議的應用中。

（6）可靠性原則

由于遵循端到端透明原則，因此，用戶通信的可靠性應當提供端到端保障；除了對協議增加魯棒性設計外，還應當在網絡上建立信任體系，并對網絡行為提供來源追查的功能。此外，對于外來設備的接入手段也應該保障適度的安全。

（7）有限邊界原則

研究前期，課題組提出將網絡化演藝燈光控制系統劃分為6個模塊（系統調光室、燈光控制室、網絡設備層、其他相關網絡系統、本地演播總監控系統與遠程控制系統），涉及演藝燈光控制系統的遠程控制，但結合實際情況，考慮到系統的實用性，后期課題組提出有限邊界原則，即演藝燈光控制系統的工作范圍不應無限擴展，而應限制在一定的范圍內，如一個歌劇院。

基于以上設計理念和設計原則，我國下一代網絡化演藝燈光控制系統協議體系架構應該由設備發現機制、設備識別機制、設備描述機制、設備管理機制和數據會話傳輸機制組成。其協議流程如圖2所示。

4 設備發現機制

4.1 背景

隨著劇院、演藝廳等演藝場所規模的擴大，演出節目對燈光、背景、效果設備的要求也越來越高，一臺晚會、一場演出需要上百臺甚至上千臺不同功能的燈。要正常使用這些設備，燈光師必須對所有燈具的品牌、型號、功能了如指掌，同時，可將這些燈具進行有效的分類，以方便具體操作。具體來說，就是給每個燈光設備一個設備地址，將控制信息發送給某一地址，就相當于將控制命令分配給該地址所對應的燈光設備。也就是說，要對每個系統內的燈具進行逐個系統地址的編寫。實際上，要求燈光師掌握成千上萬的燈具設備的品牌、型號、功能和控制方式，并對他們逐個編址，顯然是不可想象的。為了節省燈光師等工作人員花費在輸入基本數據以及手動配置參數上的精力和時間，實現設備的自我發現是很有必要的。

4.2 設備發現機制在系統中的作用

建立靈活有效的演藝燈光控制系統設備發現機制，可以使用戶設備在聯網過程中盡可能做到即插即用（UPnP），以便靈活獲取設備屬性，進而實現對設備的監視和控制，為不同廠商的設備兼容、通訊和互操作奠定基礎，為燈具產品的標準化和搭建合理的系統架構做出一定的貢獻。

4.3 網絡燈光設備發現機制

服務發現是指這樣一種自發的過程：網絡實體（不僅僅是目錄服務）能自動發現網絡上的其他實體，而且能向其他實體通告自身。其主要目的是增加網絡系統的易用性和兼容性。

圖2 下一代網絡化演藝燈光控制系統協議實現流程圖

我國下一代網絡化演藝燈光控制協議體系中的設備發現機制采用設備定位協議（SLP），它定義了三種代理實體，包括服務代理（SA）、用戶代理（UA）和目錄代理（DA）。SA是運行在服務器上提供服務的實體，代表服務通告自己的服務定位信息、類型及屬性（Attribute），如設備；UA是運行在用戶計算機上用于發現服務的部件，為用戶通過查詢目錄代理中緩存的服務定位信息找到它所要的服務屬性及其在網絡中的位置，如控制器；DA是收集、緩存服務信息的可選服務器。

服務定位協議定義了3種運行模式：

（1）直接定位模式。相對簡單的網絡中沒有DA，UA可直接向SA廣播服務請求消息。客戶端請求UA為它找到一個服務；UA組播一條包含所需服務描述的服務請求（Service Request）消息；SA接收到該組播消息后，如果它所在的接收節點上有與該請求匹配的服務，就單播包含該服務定位信息的服務應答（Service Reply）數據；用戶代理收集所有的應答，并向客戶應用程序返回一張服務特性和位置信息列表，應用程序從中選出有用信息，就可以利用該服務了。

（2）間接定位模式。一般在較大規模網絡中采用。在較大規模的網絡中，客戶端與服務器間頻繁的組播信息可能會耗費大量的網絡帶寬，引入DA可以有效地限制實現服務定位所需的網絡流量。系統運行啟動初期，UA和SA以主動或被動發現方式確定網絡上是否存在DA，主動發現方式中，UA和SA在啟動時向網絡組播SLP請求，被動發現方式中，DA以組播方式通告服務，如果有任何UA或SA沒有收到這個初始的通告，DA就周期性地繼續通告服務。在特定條件下，系統也允許通過動態主機分配協議（DHCP）或手工配置方式發現DA。

（3）Scope運行模式。當網絡規模大到一定程度時，DA也會不堪重負，導致網絡阻塞，影響到服務定位性能，為解決這種問題，在服務定位協議中引入了“Scope”機制。該模式的主導思想是：將任意相關的代理實體組成一個域，不同的SA和多個DA屬于各自的域，在域中所有SA只會在支持該域內的DA注冊，域內的UA也只會向本域內的SA或DA發出服務查詢；若不指定UA所屬的域，則UA可以發現網絡提供的所有服務。建立域的目的是將必要的信息限制在域內，減少域外的數據流量，緩解系統的網絡擁塞。與Art-Net發現機制相比，大大節省了網絡帶寬。

5 設備識別機制

5.1 背景

雖然，燈光控制系統已經步入了網絡化階段，其應用的規模和智能化程度與數字時期比較已經有了很大的進步，但在目前的實際應用過程中，控制臺對入網燈光設備的識別功能還沒有達到理想的狀態。比如說，不同的演藝燈光控制系統采用不同的應用層協議，當設備接入網絡后，系統往往不能自動識別設備，而需要人工手動操作，這大大增加了系統的復雜程度，也影響了系統的實時性和智能化；而且，由于缺乏統一的燈光設備描述格式，即控制臺和受控制設備之間沒有統一的溝通語言，所以，在設備剛入網時，控制臺和受控設備之間無法立即建立有效的信息交互，甚至根本無法相互識別。

5.2 設備識別機制在系統中的作用

在演藝場所規模越來越大、舞臺燈光效果要求越來越豐富的背景下，當主燈光控制臺作為整個燈光控制系統的核心時，每一個現場燈具接入控制網絡并通電后，主控制臺即可自動實時、準確地響應新設備進入，獲取該設備的類別名稱，及可以進一步與該設備進行通信的具體地址，這是網絡化、智能化下最為理想的設備識別過程。只有實現設備識別的自動、實時和準確，才能適應現代化大型演出的要求，簡化工作人員輸入基本數據以及手動配置參數的過程，并使處于劇場各個角落的燈光設備能夠按計劃可靠無誤地工作。

5.3 網絡化演藝燈光設備識別機制

5.3.1 網絡化演藝燈光設備識別機制協議構成

下一代網絡化演藝燈光控制系統設備識別機制的規范是為了保證遵循該協議的不同廠家的產品能夠在同一個控制系統中實現實時準確的識別，由識別輔助協議和識別主體協議組成。其中，識別輔助協議包括尋址協議和發現協議，識別主體協議包括設備標識符規范、設備描述文檔的規范以及識別過程中調用機制的規范。

下一代網絡燈光化演藝控制系統設備識別機制基本框架如表1所示。引入DHCP、SLP來實現設備識別前對設備的發現和服務定位。識別主體協議中，選用UUID作為網絡燈光控制系統中的標識符，選用XML語言對燈光設備的基本信息、設備功能信息和設備狀態信息進行描述，以適應燈光網絡智能化管理的需求。

5.3.2 網絡化演藝燈光控制系統設備識別機制各子協議的協作關系

下一代網絡化演藝燈光控制系統為設備提供了即插即用的網絡環境，基于對設備識別機制各子協議所規范內容的梳理，下文將以首次連接到網絡的受控設備如何被控制端識別為例，對各子協議之間的協作關系做詳細的說明。各子協議之間的協作關系如圖3所示。

（1）識別準備過程。即插即用的燈光網絡是基于尋址功能的TCP/IP協議，每個受控設備都具有DHCP客戶機。當受控設備首次連接到網絡時，首先搜索DHCP服務器，通過給DHCP服務器發送請求信息DHCPDISCOVER，從DHCPOFFERS回應消息中獲得該設備IP地址，從而實現網絡中設備尋址的功能；受控設備接入網絡后，遵循SLP，受控設備通過服務代理（SD）將其服務類型以及鏈接路徑等簡單的信息通知給控制臺，其中路徑是以設備標識符CID來命名的，控制臺將受控設備的通知信息存放在一個網頁地址（URL）的列表里，從而實現控制臺對受控設備所提供服務的發現。

表1 下一代網絡化演藝燈光控制系統設備識別機制基本框架

圖3 下一代網絡化演藝燈光控制系統設備識別機制各子協議的協作關系圖

（2）設備識別過程。由于控制臺對于受控設備的了解僅限于URL列表中所提供的很少的信息。為了進一步識別受控設備的屬性，控制臺需要完成如下工作：控制臺通過設備標識符命名的鏈接路徑鏈接到受控設備，并對其發送請求進一步獲取該設備的屬性的指令；受控設備返送的設備屬性中包括該受控設備的IP地址、端口號以及設備描述文檔的根節點，控制端通過對設備描述文檔根節點的判斷，來確定是否與該類設備有過通信關系，如果有，可直接調用該類設備的設備描述文檔對其進行基于DOM的解析和識別，如果沒有，就遵循設備描述文檔的定位規則檢索該受控設備的設備描述文檔，從而實現對該設備的進一步識別。

（3）UPnP操作過程。通過“控制”、“事件”或者“表示”的操作來執行UPnP操作：

控制：控制臺通過獲取和設置XML文檔所描述的設備屬性值來實現對受控設備的控制。

事件：受控設備的狀態在接收到控制命令后會改變，則受控設備通過事件消息將其改變通知給控制臺，該事件消息是將一個或多個狀態變量的名稱和值，以XML語言，并且以事件通知結構（GENA）格式給出，這一事件在被周期更新后連續地通知給控制臺。

表示：控制臺將受控設備所有的狀態及其變化過程通過URL載入瀏覽器，用戶可以通過使用瀏覽器等瀏覽方式來實現控制和查詢該受控設備的狀態。

（編輯 張冠華）

Research on the Device Auto Networking and Key Technologies of the Entertainment Lighting System (Pt.1)

JIANG Wei, DING Li, JIANG Yu-jian, REN Hui, ZENG Ying
(School of IE, Communication University of China, Beijing 100024, China)

System device and networking design idea for the network entertainment lighting control system of the next generation were introduced in this paper; then proposed the protocol architecture and the implementation process of the system based on the design principles; fi nally, aims to give an effective system auto networking way, we give a detailed analysis of the various sub-protocol in this architecture，including device discovery, device identify, device description,device management and session data transmission.

lighting control system; device auto networking; device discovery; device identify; device description;device management

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.04.004