基于DSP的大型焰火燃放控制信號集成系統

大型焰火燃放活動的應用場景一般情況下會有多種形式，例如北京奧運會焰火、2014年APEC焰火、2012年的中部投資貿易博覽會焰火等政府舉辦的大型演出活動，各種地方性慶典活動以及商業演出活動中也會應用到焰火燃放，根據多年參與各種大型焰火燃放活動的經驗，在對各種大型焰火活動應用場景的研究中，我們發現一個比較突出的問題，在某一場大型的演出活動中，往往會綜合多種演出元素如燈光、激光、焰火、水幕、音樂、LED大屏、視頻等進行表演，而不同的演出單元分別有自己獨立的演出控制系統以及與之配套的信號控制系統，如何在一場演出活動中對所有表演元素進行統一控制，是目前大型綜合演出領域的一個技術難題，為更好的滿足演出活動相關演出元素同步控制的技術需求，隨著對已有的焰火燃放控制系統的進一步開發和研究發現，一種基于DSP運算平臺下的大型焰火燃放控制信號集成系統能很好的解決這個問題。

如何有效的綜合所有表演元素，進行統一控制，關鍵需要解決兩個技術難點，第一個難點是，在各表演元素中，每個獨立的表演系統都有其自身所具有的一套獨立的時間碼控制信號來進行控制系統，如燈光系統和水幕系統，一般都是使用標準的DMX512時間碼來進行控制，而焰火燃放點火系統則普遍使用FSK或者是SMPTE時間碼進行點火控制，在每個不同的表演單元中，這些控制系統是完全獨立且無法兼容的;第二個難點是，每個表演元素都有獨立的編輯軟件和控制系統，在前期的編排設計中，因為各系統的獨立性，很容易導致整個演出的編排設計出現表演時間節點的重疊，甚至可能會出現激光、焰火和燈光同時在某個時間節點上進行表演，從而破壞了整個演出的效果，而且在演出過程中，因為存在各個演出單元控制系統的獨立性，很容易出現因為各控制單元的本地時間差異所導致的演藝設備控制不同步的問題。

我們研發的這套大型焰火燃放控制信號集成系統，針對上述兩個技術難點進行系統的整體設計，通過對各個表演元素的系統研究，我們發現在所有的控制信號中，有模擬信號，也有數字信號，且各個演出單元的系統控制都有一個重要的共性技術，既以時間碼為標準來實現對設備動作的可控性，每個演出單元的時間碼格式可能不是完全一致，有的使用DMX512信號，有的使用SMPTE信號等，考慮到所有表演元素各系統的不兼容性以及在各獨立終端部分的可控性，我們在設計之初，主要通過以下兩個方面的設計來解決問題，首先需要解決是多個獨立信號的集成控制問題，根據這個思路，我們提出了兩種解決方案，這兩種方案各有優缺點，第一個方案是我們可以通過對每個通道單獨應用A/D（數字/模擬）信號轉換的形式來進行統一控制，采用該方法時，對于各演出單元的終端設備（燈具、噴火機等）還需要進行動作的系統控制，所有的控制信號都需要進行重復處理，雖然硬件設備的成本投入比較低，但在對表演單元終端設備控制的過程中容易造成數據丟失或終端設備不可控的情況，這對于演出活動效果來說，就無法提供有效的技術保障，第二個方案則是通過在所有控制系統前端增加一個多通道信號控制系統來進行統一控制，而采用這種方法，則需要研發一個基于DSP平臺的技術設備，在進行數模轉換的同時，還能將不同控制信號分別發送個各個對應的演出單元控制系統，且完全跟隨原有的控制系統編排動作，不會對終端設備動作產生任何不良影響，但因為需要重新開發軟硬件平臺，需要投入成本比較大;其次，針對第二個技術難點，我們還需要對所有表演元素制定一個統一的時間碼編碼標準，并以此標準作為所有表演元素編排設計的統一時間節點標準，在演出前將此時間碼標準分發到每個不同的表演單元，要求按照該標準進行編排設計和系統功能控制，這樣就能有效避免因為分開編排設計導致可能重疊的表演動作。

基于對系統穩定性的考慮，我們最終采用了第二種方案進行系統開發，采用目前通用的安卓系統作為操作系統軟件平臺，使用DSP（Digital Signal Processing）技術為硬件開發平臺，采用自主研發的多通道信號集成控制設備形成一個信號系統控制中心，通過開發一套控制信號集中處理軟件，將所有控制信號（無論是模擬信號或者是數字信號）調制成可以被各個演出單元識別和接收的數字信號，利用控制中心的多個通道獲取與其相連接的N個演出單元的接口信息，通過網絡技術實現同步各個演出單元的時間碼同步功能，由該控制中心總控所有的時間碼控制信號。因為采用了多個控制通道，每個控制通道都將對應一個單獨的演出元素控制單元，每個獨立演出元素的控制單元則應當有對應的多媒體控制數據。當演出開始時，所有的控制信號統一由控制中心發送給多通道信號集成控制設備，并由該設備進行解調之后，變成各個演出單元控制系統本身能識別的信號，并發送給各個演出單元終端進行系統控制。針對可能存在演出場景和地點的變化問題，例如有主會場和分會場的不同，控制中心也可以設計為可堆棧的模式，參考了比較先進的CAN—BUS總線系統的結構形式，通過光纖或者無線局域網等網絡技術來實現系統同步功能。

為解決各個演出單元可能在演出時間節點的重疊問題，該系統在設計之初，就已經約定了一個統一的時間碼編碼標準，所有表演元素的編碼時間節點都進行了有效的編排設計和時間節點確定，不會出現表演動作重疊或沖突的情況。因為采用了多通道的統一時間碼控制技術，由控制中心發送唯一標準的時間碼給各個獨立通道，在整體控制過程中，控制中心負責通過調制解調控制信號來觸發各個獨立表演元素啟動或停止，通過對所有表演元素的時間碼控制信號進行統一分配和控制，從而達到所有演出單元的時間軸統一，在各個演出單元終端設備動作的時間性上達到完全同步。因為控制中心只將統一的時間軸信號發送給各演出單元的控制系統，每個演出單元終端設備的信號控制和動作指令的下達仍然是由各演出單元控制系統獨立完成，所以該集中控制系統也不會對各表演元素的控制產生交叉影響，更好的保證了整體演出的可控性。

作者簡介：

鐘勇（1975.2-），男，漢族，湖南汨羅，本科學歷，現就職于瀏陽市北極星煙花貿易有限公司，工藝美術師職稱，主要從事大型焰火燃放編排設計、現場管理和綜合控制工作。