淺析常用數字信號燈光控制協議發展

郝煜

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

【關鍵詞】 燈光控制；協議；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，每天上演著各種節目，這些節目的形式、類型不斷挑戰業內技術和設備的創新水平。燈光信號控制系統就在這個適應過程中一次次地提升性能。本文通過筆者近些年節目制作和設備更新過程中的體會，介紹數字燈具信號控制方法的一些變化。

1 DMX512到DMX512-A協議

燈光行業內最初的數字信號控制協議是大家熟知的DMX512協議。DMX512協議是由美國戲劇技術協會（USITT）于1987年發布，1990年修訂的數字燈具信號傳輸之工業標準，全稱為USITT DMX512/1990 DIGITAL DATA TRANSMISSION STANDARD FOR DIMMERS AND CONTROLERS。通過英文對照可以看出，協議最初是用于控制臺與調光器間的數據傳輸，后來才廣泛用于數字燈具。

下面簡單介紹它的技術指標。其采用5芯卡儂接口，傳輸方式為單向異步串行傳輸，即數據只能以一個方向傳送，發送端以數據幀（Frame）為單位傳送數據，并且數據幀之間的間隔時間不定，具有不規則的數據傳輸特性。傳輸速度為250 kbps，每發送一個包括512個數據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位二進制數字，即信息為00000000～11111111。換算成十進制，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據幀（通道）。如，后來的電腦燈為了定位更準確，其Pan/Tile屬性具有16位或32位精度，就是通過這個原理實現的。

那么，信息是如何到達目標設備并被接受的呢？每個設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置的地址碼）與信號包中幀序號對應后就會接收相應數據，從而設備做出相應動作。由于DMX采用RS-485的接口，早期的硬件水平要求每個DMX512接口上所控制的設備在不超過512個通道情況下，限制受控負載數量為32個。后期有所改進，但為了方便，應用中一直沿用了32個設備這一限制數量。在實際操作中，安全連接超過32個負載的解決辦法，就是加DMX信號分配放大器。這樣的數字信號讓用戶擺脫了模擬傳輸的許多不便，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、燈具狀態好壞、是否按指令進行工作（如果用戶看不到燈具）都不知道。支持半雙工（即發送與接收交錯進行）雙向傳輸的增強版DMX512-A應運而生，典型應用就是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協議

隨著終端設備功能不斷增強，對控制系統要求也更高。比如，電腦燈從以前的十幾通道變為幾十通道、上百通道；主流控臺DMX512輸出口增加到6個、8個，同時又新添了以太網口。借助于硬件的改變，更大的數據量、更高的傳輸速度、更靈活的雙向傳輸、更簡單現場布線、真正的多用戶界面操作等都在實現。更多的基于以太網的協議不斷提出，ACN、Art-Net、Shownet、ETCnet等等。功能大體相同，當初最基本的目的就是實現一根網線控制更多的設備。這里重點介紹在我國使用更普及的由Artistic Licence公司開發的Art-Net協議。

之所以其應用廣泛，主要是利用廣泛的以太網技術來傳送業界普遍使用的DMX512數據，以滿足用戶最迫切、最普遍的應用需求。硬件上的實現方法很自由，考慮到要與現有大量只支持DMX512的設備連接，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。用戶可通過各個認證廠家生產的Art-Net編解碼設備（見圖1）轉換出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據包的形式送到終端，其中每個數據包主要有以下信息：

（1）512個屬性通道的DMX值。

（2）包括DMX數據鏈號在內的5個控制字段（數據鏈號用以區分網絡上的其他數據包，告知終端是否接收）。

（3）順序號。

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

基于以太網，將采用以下四種方式發送這些數據包：

（1）廣播（Broadcast）：從一個發送端向網絡內的所有設備發送數據。

（2）單播（Unicast）：類似一對一的關系，數據只發送到到指定的IP地址（在Art-Net 1中應用的是Broadcast，到Art-Net 2中才應用Unicast）。

（3）組播（Multicast）：是一對多的關系，比如有一組20臺設備需要接受相同數據，如果用“廣播”方式，不在這組中的設備也會得到這些數據，要是用“單播”同樣數據就要發20次，都會占用過多的網絡資源。組播是一種兼顧的方法，數據只發送一次，且只有組內設備才能接受到。

（4）“自動”（Auto）：如用戶對網絡中節點情況不了解或直接忽略網絡中節點的設置，就可選擇此模式，讓系統自己選擇合適的數據發送方法。具體流程是：發送端第一次以廣播方式發送數據，得到響應的節點返回“數據已收到”的信號后，發送端之后就會以單播方式只向該節點發送數據，當超過40個節點做出響應時發送端將保持“廣播模式”繼續發送。這個網絡中稱為“握手”的過程是通過交換Art-Net 2中加入的Artpoll巡查數據包實現的。實際使用中，一個產生Art-Net控制數據的控制器（如燈光控制臺）是如何使用這些屬性的呢？以MA2為例（見圖2），可以直觀地設置傳輸模式、DMX信號數量、DMX端口號等。其中，DMX信號數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”下不必要的傳輸數據量，節省網絡帶寬。筆者在實際使用中將其設置為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備使用量，精確根據實際情況進行設置，可以帶來更順暢的操作體驗。endprint

隨著演出形態的改變，控制數據不斷增加，2011年發布的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量還要看傳輸方式（廣播/單播）和網絡的物理帶寬（100 BaseT/1 000 BaseT）。

可通過MA2控制臺中的設置，來看具體是怎么實現的。控制臺系統軟件升級后的設置界面有所改變（見圖3），將以前由Externstart（0～255）設置DMX512物理地址改為Net（1～128）+Subnet（0～15）+Universe（0～15）共同完成。可以解釋為每個Subnet包含16個Universe，即16×16=256路DMX512解碼數據，這是之前版本Art-Net協議支持的數量。Art-Net 3增加了一個Net允許設置的數值為1～128，可以理解為每個Net由16個連續的Subnet或256個連續的DMX512解碼數據組成，這樣就產生了128×16×16=32 768路DMX512解碼數據。其實，為網絡指明數據發送地址的是一個15位的二進制字符串（見圖4），相當于某人的家庭住址，郵遞員就是按照這個地址將信件（數據）送達收信人（DMX512設備）。

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

3 小結

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

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

參考文獻：

1. www.usitt.org

2. www.artisticlicence.com

3. art-net.org.uk

4. WH/T 32-2008 DMX512-A燈光控制數據傳輸協議.endprint