专业舞台灯光技术发展进程
摘要: 专业舞台灯光设备的发展,从 15 世纪欧洲宫廷及贵族欣赏节目演出开始;后来有了电力的发明,就促使它有了焕
Control System 控制系统
1. Analogue 0 至 10 伏的模拟世界
早期的灯光控制使用 0 至 10 伏的模拟量来代表高度 0% 至 100% ,而每一回路以一条讯号线(共用 Common 线)来处理。而回路越多也就代表线数越多,传送距离愈远讯号压降问题也就愈严重。 0 至 -10V 控制方式的出现,以正电压为共地,解决了这问题时,了解决了讯号干扰等问题。
2. Multiplex 多工传送
随着演艺事业在 50 至 60 年代的发展,灯光控制回路的使用数量一直持续增加;从十至数十回路再增加至上百回路甚至数百回路。一直源用的模拟控制线在数量增加的同时,也意味着需要一种更方便简单的连接方式来改善跟前的问题。在往后的日子里,多工传送方式就成为专业灯光系统架构的核心。
多工传送的方式主要分为两大类 ---- 模拟多工及数字多式。而多工方式中的主要参数数据为传送速率、最大可控回路数目及使用接插件类型这三种。以下列出过去 30 年中曾出现过的多工协议,有些早已淘汰,有些还大量存在并使用的老式机器上,更有些还在继续发展并在改善功能中。
3. Difference multiplex method 不同种类多工传送的分别
由上一段我们可以知道多工协议需求的由来,以下我们看一下它们的存在特性:
协议名称 开发公司 模拟 / 数字 回路数目 传送速率( Band rate )
Magnus Majour
SDX R.A.Gray
C105 TTI
S20 ADB 480Ch
PMX Pulsar 数字
D54 Strand 模拟 384Ch
AVAB(A240) AVAB 数字 252Ch 153.5K 8bit
ECMUX Strand 数字 512Ch 187.5K 8bit
ETC/LMI ETC 数字 144-1000Ch 250K
K96 Kliegl bros. 数字 512Ch 83.3K 7bit
Microplex NSI 模拟 64/96Ch
Microplex Leprecon 模拟 128Ch
AMX192 USITT 模拟 192Ch Dim Sync pulse 8uS
CMX Colortran 数字 192/384Ch 156.25K/153.6K
SMX Strand 数字
DMX512 USITT 数字 512Ch 250K 8bit
4. DMX-512协议
了解灯光的专业人员都会知道这种协议,它是现今使用最广的灯光通讯协议。源自于美国USITT协会把Colortran公司的CMX192中的Band rate从153.6Kbit/s提升至250Kbit/s及192Ch变为512Ch后发表(CMX与DMX结构大致一样)。当初发表时Mark after Break(MaB)为4uS,在随后的使用中发现常有讯号刷新的问题而把MaB延长为8uS并定义为DMX-512(1990)版本。它的广泛使用是由于结构简单、成本低、容易理解等,各大生产厂商先后把DMX-512接口加到产品上。这协议推广成功且大家乐于使用的另一大功臣却是这数十年来电脑灯具的发展迅速及大量使用于大型演出中。用的人多自然促使大家对它的加深理解,越发觉它的使用限制以及对将来整个灯光演出行业发展提升的影响。
争议较为厉害的几点为不能进行双向传输、传送速率慢、不能加载其他资料内容( DMX 只提供回路及亮度的资料)等。看到这里大家都可以比较清楚知道我们明天需要怎样功能的协议来完善灯光控制的架构。不错、在电脑工业中已经使用成熟的以太网络可算是一个方向。以内含处理蕊片的电脑调光台来处理并维持整个以太网络的通讯在今天已非难事。
5. Lighting Ethernet Network灯光以太网络
大约在二十世纪90年代初,Strand Lighting公司以他们原有的SMX协议内容(包括双向传送、错误报告等功能)发展出首个以"以太网"架构和TCP/IP平台的灯光网络系统-SHOWNET,并应用在旧金山大剧院地震后重建的工程上。在这十年里灯光以太网络的推广是艰辛的,要求灯光从业人员接受一套最新电脑的介面不太容易。他们认为灯光控制只需要回路及亮度/数值变化便已足够,其他的数据均为附属;并扬言君不见没有这些数据提供的年代演出还不是一样进行。此话不错、但时代是往前走的,大量的数据提供、并行平台、全跟踪备份、多重优先权限控制方式及资源共享等优点在现今制作复杂的节目及大型演出中提供了非常便利的工作平台。在往后的日子其他的产商相继推出他们的网络系统,大多都以"以太网"架构和TCP/IP平台为核心如ETC2NET,COMPUNET,ARTNET等。 在众多的公司的系统中,不论平台或功能都大同小异,在系统的最终端需要一个网络解码盒把网线中的回路变化值还原成DMX格式并输出。由于目前的灯具也好调光硅也好均只接受数字或模拟式多工协议如DMX-512,所以灯光网络的优点还没真正的发挥出来。且系统中以太网络的通讯协议并未统一,每家厂商使用自家的协议码,致使不同品牌的灯光网络产品不能相互连接使用。说到这里大家又期待着标准统一的网络通讯协议的产生。
6. Solution for the standard console另类的灯光以太网络
由以上灯光以太网络的说明,我们可以知道专业灯光系统发展到了今天已经是网络的年代,今后更是ACN标准的天下(详见下文)但如果某些控台机体的设计并没有网络支持功能,那事情将会如何?还有可能以什么方式来达到网络功能?答案依靠ArtNet的转换方式。 这是怎么的一回事? 在控台输出DMX-512讯号后经过英国Artistic Licence公司开发的DMX至ArtNet转换器把讯号变成TCP/IP架构的网络讯号。然后经过一般的网络处理手段分布至各地区,最后再以转换器把讯号从ArtNet变回至DMX给予灯具或调光硅使用。 从这里我们可以察觉到所谓的网络讯号只有灯光回路及亮度资料(从DMX转化而成),最多只能定义为传统DMX系统的变种;更加不能于将来直接提升为CAN规格(必须更换调光台及取消所有DMX-ArtNet-DMX转换器)。如果这是一种过渡方案的考虑下,还是可取的。但如果要考虑到长远的系统升级与支持,这种系统结构的确有商议的余地。
7. Advance Control Network ( ACN )协议
1996 年美国 ESTA ( Entertainment Services and Technology Association )娱乐服务及技术协会意识到未来共同协议的变化及需要(当时使用最普遍的是 DMX-512 ),以 Strand Lighting 的 SMX 及 ShowNet 为理论基础(市场上最早出现的灯光网络产品)。
2003 年 11 月于美国举行的 LDI 展览会位于 ESTA 的展厅上将会展示出一组以 ACN 来工作的灯光网络系统。其结构为 Strand Lighting 的调光台接上 ETC 的调光硅、 Martin 的电脑灯及 Pathway connectivity 的 ACN/DMX-512 转码器。这样搭配的目的除了是要说明 ACN 标准已开发成功外( 2003 年底发表),也让人体验到不同的网络器材可相互连接的日子已到来。
8. Comparison of ACN & DMX -512A ( ACN 与 DMX -512A 的竞争)
由以上内容可让大家明白到,无论如何双向传送是必然的要求。电脑灯、调光硅等受控器材不再沉默,它们也有发言权、它们也有话要说。这就是返回讯号,要把有用的资料反回给调光台知道。 DMX-512 ( 1990 )我们熟悉的协议在进入其十岁生辰时( 2000 年),基于它使用上的限制、要求进一步发展更新。暂名 DMX-512 ( 2000 )的协议更新计划随即展开(后更名为 DMX -512A )。首要任务为加入双向传送但又要与旧系统相容,所以传输速率保持为 250Kbit/S 。双向传送方式为原来 5 针中第 4 、 5 针作返回讯号或以原来的第 2 、 3 针兼任返回信号,即传送与返回信号都在 2 、 3 针中运作由 StartCode 来操作切换。另在 Start Code 中加入各厂商的名称编码,让调光台知道所控的器件为何品牌。由于要求相容于旧 DMX-512 系统,所以在速率上无法改进。相反的在 ACN 上的体验却是可以无限延伸与发展。将来的 ACN 格式会附带 DDL 语言,这语言格式将由调光硅或电脑灯等由 ACN 转送器材的性质、特性、厂牌、型号、软件版本及属性等资料送达调光台并建议配接方法。在调光台上可观察到所有连接在网络中的器材并对它们进行控制。
Dimmers 调光硅
1.Digital dimmer 数字调光硅
大型变压器至触发硅元件进行调光,在功能、效益、热量控制甚至体积上都有了很大的进步。早期的硅元件依靠纯硬件进行触发,当时的输入讯号只有自控推捍及 0-10V 模拟。在后来 DMX-512 数字讯号的开发成功,在传统模拟硅的前级加上数字解码器便成为当时的数字调光硅。但读者都知道这不是全数字调光,真正的全数字调光必须由数字讯号输入及三相同步讯号输入后,全部功能(配接,调光曲线,最小 / 最大输出 等)、调整及硅触发输出全部由处理器内完成。
2. Firing Method 硅的触发方式
在早期的调光硅产品中,对可控硅元件触发方式为脉波触发( Pulse Firing )。其方法为对可控硅在需要打开的相位角时(调整亮度)发出一触发脉波使其导通,在 220V 交流 50Hz 的正弦波归 0 点时自动关闭( Zero Crossing ),而在下一周期时重覆动作。在当时使用的灯具都是阴性负载及较大功率的情况下,已能满足需要。
随着电子工业的发展及较小型功率负载的使唤下,新型光电隔离触发的元件发明后一种较新的触发模式便出现 - 确定触发( Firm Firing )。它是以脉波宽度调制( PWM )的方式来改变占空比来产生连续触发脉波。这样可控硅元件便不再依靠维持电流来保持导通,而关闭导通也是由停止触发来达成(不再需要交零关闭)。今天绝大部分的调光硅都应用这种触发方式,其优点有触发可靠、稳定、最少负载功率有可能小至 40W 、有可能应付部分非线性阻抗负载、减少产品体积、降低制造成本等。
但说到要绝对在电感性 / 电磁性阻抗负载中不会引起振荡而让负载闪烁的,就必须要使用硬触发方式( Hard Firing )来处理硅导通。硬触发的工作原理与确定触发大致相约,但其触发元件就由隔离变压器来取替原先的光电隔离触发器。即以主动元件来取代被动元件,主动元件本身带有能量(变化量直接从前级而来)对可控硅进行成功的触发。而被动元件的触发能量就必须依靠负载上的电源供应,而被动元件的角色只是一个开关而已。当提供进来的电源经过非线性阻抗负载而产生振荡后,这干扰电源就不可能提供正常电力供应被动元件进行合法并成功的触发。硬触发方式的缺点为制造成本高与产品体积相对较大,在产品设计方面都是以单路硅或大型硅柜形式出现于市场上。
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