基于DSP的大型焰火燃放控制信號集成系統(tǒng)

大型焰火燃放活動的應(yīng)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(mào)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(yè)演出活動中也會應(yīng)用到焰火燃放，根據(jù)多年參與各種大型焰火燃放活動的經(jīng)驗，在對各種大型焰火活動應(yīng)用場景的研究中，我們發(fā)現(xiàn)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(tǒng)以及與之配套的信號控制系統(tǒng)，如何在一場演出活動中對所有表演元素進行統(tǒng)一控制，是目前大型綜合演出領(lǐng)域的一個技術(shù)難題，為更好的滿足演出活動相關(guān)演出元素同步控制的技術(shù)需求，隨著對已有的焰火燃放控制系統(tǒng)的進一步開發(fā)和研究發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)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(tǒng)一控制，關(guān)鍵需要解決兩個技術(shù)難點，第一個難點是，在各表演元素中，每個獨立的表演系統(tǒng)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(tǒng)，如燈光系統(tǒng)和水幕系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，在前期的編排設(shè)計中，因為各系統(tǒng)的獨立性，很容易導致整個演出的編排設(shè)計出現(xiàn)表演時間節(jié)點的重疊，甚至可能會出現(xiàn)激光、焰火和燈光同時在某個時間節(jié)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(tǒng)的獨立性，很容易出現(xiàn)因為各控制單元的本地時間差異所導致的演藝設(shè)備控制不同步的問題。

我們研發(fā)的這套大型焰火燃放控制信號集成系統(tǒng)，針對上述兩個技術(shù)難點進行系統(tǒng)的整體設(shè)計，通過對各個表演元素的系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)在所有的控制信號中，有模擬信號，也有數(shù)字信號，且各個演出單元的系統(tǒng)控制都有一個重要的共性技術(shù)，既以時間碼為標準來實現(xiàn)對設(shè)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(tǒng)的不兼容性以及在各獨立終端部分的可控性，我們在設(shè)計之初，主要通過以下兩個方面的設(shè)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(jù)這個思路，我們提出了兩種解決方案，這兩種方案各有優(yōu)缺點，第一個方案是我們可以通過對每個通道單獨應(yīng)用A/D（數(shù)字/模擬）信號轉(zhuǎn)換的形式來進行統(tǒng)一控制，采用該方法時，對于各演出單元的終端設(shè)備（燈具、噴火機等）還需要進行動作的系統(tǒng)控制，所有的控制信號都需要進行重復處理，雖然硬件設(shè)備的成本投入比較低，但在對表演單元終端設(shè)備控制的過程中容易造成數(shù)據(jù)丟失或終端設(shè)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(shù)保障，第二個方案則是通過在所有控制系統(tǒng)前端增加一個多通道信號控制系統(tǒng)來進行統(tǒng)一控制，而采用這種方法，則需要研發(fā)一個基于DSP平臺的技術(shù)設(shè)備，在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換的同時，還能將不同控制信號分別發(fā)送個各個對應(yīng)的演出單元控制系統(tǒng)，且完全跟隨原有的控制系統(tǒng)編排動作，不會對終端設(shè)備動作產(chǎn)生任何不良影響，但因為需要重新開發(fā)軟硬件平臺，需要投入成本比較大;其次，針對第二個技術(shù)難點，我們還需要對所有表演元素制定一個統(tǒng)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(shè)計的統(tǒng)一時間節(jié)點標準，在演出前將此時間碼標準分發(fā)到每個不同的表演單元，要求按照該標準進行編排設(shè)計和系統(tǒng)功能控制，這樣就能有效避免因為分開編排設(shè)計導致可能重疊的表演動作。

基于對系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，我們最終采用了第二種方案進行系統(tǒng)開發(fā)，采用目前通用的安卓系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)軟件平臺，使用DSP（Digital Signal Processing）技術(shù)為硬件開發(fā)平臺，采用自主研發(fā)的多通道信號集成控制設(shè)備形成一個信號系統(tǒng)控制中心，通過開發(fā)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(shù)字信號）調(diào)制成可以被各個演出單元識別和接收的數(shù)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)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(yīng)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(yīng)當有對應(yīng)的多媒體控制數(shù)據(jù)。當演出開始時，所有的控制信號統(tǒng)一由控制中心發(fā)送給多通道信號集成控制設(shè)備，并由該設(shè)備進行解調(diào)之后，變成各個演出單元控制系統(tǒng)本身能識別的信號，并發(fā)送給各個演出單元終端進行系統(tǒng)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(shè)計為可堆棧的模式，參考了比較先進的CAN—BUS總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，通過光纖或者無線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)同步功能。

為解決各個演出單元可能在演出時間節(jié)點的重疊問題，該系統(tǒng)在設(shè)計之初，就已經(jīng)約定了一個統(tǒng)一的時間碼編碼標準，所有表演元素的編碼時間節(jié)點都進行了有效的編排設(shè)計和時間節(jié)點確定，不會出現(xiàn)表演動作重疊或沖突的情況。因為采用了多通道的統(tǒng)一時間碼控制技術(shù)，由控制中心發(fā)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(diào)制解調(diào)控制信號來觸發(fā)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(tǒng)一分配和控制，從而達到所有演出單元的時間軸統(tǒng)一，在各個演出單元終端設(shè)備動作的時間性上達到完全同步。因為控制中心只將統(tǒng)一的時間軸信號發(fā)送給各演出單元的控制系統(tǒng)，每個演出單元終端設(shè)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(tǒng)獨立完成，所以該集中控制系統(tǒng)也不會對各表演元素的控制產(chǎn)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(xiàn)就職于瀏陽市北極星煙花貿(mào)易有限公司，工藝美術(shù)師職稱，主要從事大型焰火燃放編排設(shè)計、現(xiàn)場管理和綜合控制工作。