История систем управления световым оборудованием

Скоро Новый год. Все мы будем любоваться разноцветными гирляндами на елках и различными световыми инсталляциями на улицах города. Самое время узнать, какие технологии лежат в основе световых шоу.

На сегодняшний день для создания светового шоу не требуются большие помещения и дорогое промышленное оборудование, достаточно иметь микроконтроллеры и светодиодные ленты. Тем не менее, так было не всегда. В этой статье расскажем о краткой истории эволюции систем для создания световых шоу с зарождения и до наших дней.

Зарождение светомузыки

Первые мысли о совмещении света и звука зародились задолго до появления электроники. Оптический клавесин, цветовой орган, светомузыкальные композиции XX века — далеко не полный список попыток «приручить» свет для шоу.

Одним из первый электронных музыкальных инструментов, который также создавал светомузыку, можно считать оптофоническое пианино (оптофон) художника Владимира Баранова, созданное в 1916 году.

Оптофоническое пианино Баранова генерировало звуки и проецировало изображение на плоские поверхности вроде стены, потолка или киноэкрана. Внутри инструмента — набор раскрашенных Барановым дисков, фильтров, отражателей и линз. Их комбинации создавали свет, который считывался фотоэлементом, соединенным с генератором звука. В итоге получался постоянный звуковой поток, дополненный калейдоскопическим шоу вращающихся дисков.

До 1970-х годов интерес к светомузыке проявляли в основном ученые и художники.

Аналоговая эпоха

В 1970-е светомузыка становится популярна среди молодежных субкультур, в частности, в рок-культуре. Успешный опыт музыкальных групп, таких как «Pink Floyd», а также развитие радиоэлектроники и снижение стоимости компонентов привело к всплеску интереса к светомузыке. За приемлемые по тем временам деньги можно было получить примитивную «домашнюю» светомузыку для дискотеки.

Чаще всего такая светомузыка была представлена в виде светодинамических устройств, которые реализуют определенные алгоритмы и демонстрируют соответствующие световые эффекты, но не имеют прямой синхронизации с музыкой.

Светомузыка, имеющая синхронизацию со звуком, делится на две группы:

• автоматические светомузыкальные устройства (АСМУ);
• программируемые синхронные автоматы (ПСА).

Чаще всего автоматические светомузыкальные приборы основаны на принципах фильтрации диапазона частот в отдельные частотные каналы, которые подаются на соответствующие световые установки. «Классическое» сопоставление частот с цветами — это линейное сопоставление частот АЧХ с порядком следования цветов в видимом спектре:

• красный — низкие частоты (диапазон до 200 Гц);
• желтый — средне-низкие частоты (диапазон от 200 до 800 Гц);
• зеленый — средние частоты (от 800 до 3500 Гц);
• синий — высокие частоты (выше 3500 Гц).

В АСМУ основным «двигателем» является звуковой сигнал, а в программируемых синхронных автоматах — фантазия и профессионализм светоинженера. Проще говоря, в ПСА за синхронизацию света и музыки ответственен человек.

Изначально в сценическом освещении в качестве пульта управления (консоли) использовалась панель с большим количеством ручных потенциометров, которые управляли фонарями. Электричество подавалось от «пульта» к источникам освещения по большим силовым кабелям. Такая система была громоздкой и не самой простой в управлении.

Первым шагом в упрощении процесса стало соединение двигателей с потенциометрами. В такой схеме инженер управляет двигателями, а двигатели — потенциометрами. Громоздкую панель можно спрятать под сцену, а в руки светотехнику дать компактный пульт управления двигателями. Однако двигатели имеют ограниченную скорость, что негативно влияет на систему.

Вскоре появились диммеры — устройства, которые по сигналу с пульта изменяют напряжение на осветительных приборах, тем самым регулируя яркость. В аналоговую эпоху не было единого стандарта, который регламентировал общение между пультами и диммерами. Для управления использовался постоянный ток низкого напряжения, а наиболее широко распространился аналоговый интерфейс 0-10 вольт.

Аналоговый интерфейс имел ряд проблем. Во-первых, использование низкого напряжения и одного провода на канал приводило к возникновению наводок в цепи. Во-вторых, с ростом количества устройств система становилась сложнее в обслуживании и устранении неисправностей. Использование техники разных производителей требовало дополнительных адаптеров и усилителей для согласования оборудования с разными интерфейсами.

С появлением компьютеров производители стали добавлять цифровую составляющую в пульты управления.

DMX512

Переход на «цифру» сопряжен с созданием множества проприетарных протоколов, несовместимых между собой. Такое положение дел не устраивало конечных потребителей, так как весь комплект оборудования должен был быть от одного производителя. В таких условиях необходимость общего стандарта очевидна.

Институт театральных технологий США (United States Institute for Theatre Technology, USITT) в 1986 году разработал стандарт DMX512, предназначенный для унификации общения пультов управления и конечных устройств.

В основе DMX512 лежит промышленный интерфейс EIA/TIA-485, более известный как RS-485. Данные отправляются в виде дифференциального сигнала, что значительно снижает влияние наводок в цепи. Стандарт предписывает использовать кабели с пятью жилами:

• экран;
• отрицательный сигнальный провод;
• положительный сигнальный провод;
• отрицательный резервный провод;
• положительный резервный провод.

Тем не менее, ревизии стандарта 1986 и 1990 годов не определяют назначение резервной пары, поэтому допустимо ее отбросить и использовать трехжильные провода, например, микрофонный кабель. Однако фантомное питание микрофона (+48 В) способно повредить DMX-совместимое оборудование, а DMX-сигналы от консоли могут повредить микрофон. Поэтому стандарт предписывает использовать именно коннекторы XLR-5.

Одна линия DMX512 вмещает 512 каналов, то есть один провод DMX512 эквивалентен 512 проводам аналогового интерфейса 0-10 В.

Сценическое оборудование в основном многоканальное. Один канал управляет одним параметром оборудования. Так, простой RGB-прожектор будет трехканальным, где каждый канал определяет яркость соответствующей компоненты.

DMX512 поддерживает последовательное подключение устройств. Так, от пульта управления может идти одна линия, которая подключается ко входу первого устройства, а второе устройство подключается к выходному порту первого. У такого способа, однако, есть ограничения. Во-первых, суммарное «потребление» каналов не должно превышать 512 каналов. Во-вторых, на линии допустимо не более 32 устройств. Она обязательно должна заканчиваться терминатором, если в последнем устройстве нет внутренней терминации.

Стоит отметить, что DMX512 использует низковольтное маломощное соединение для управление мощными устройствами. Высоковольтный пробой в диммере может передаться в DMX-линию и привести к порче консоли. Для предотвращения таких ситуаций был разработан оптический изолятор. Это устройство конвертирует электрические сигналы DMX в оптические, а затем сразу же конвертирует оптический сигнал обратно в электрический. Таким образом, «нежный» пульт управления электрически изолирован от конечных устройств.

Консоль предоставляет несколько DMX-портов. Каждый DMX-порт, также называемый DMX-областью (DMX Universe), предоставляет до 512 каналов. Каждый канал передает ровно один байт данных, то есть число от 0 до 255. Передача DMX-кадра с максимальной длиной занимает 23 мс, что ограничивает скорость обновления до 44 раз в секунду.

Стандарт DMX512 не изменялся с 1990 года. Однако в 1998 году Ассоциация развлекательных услуг и технологий (Entertainment Services and Technology Association, ESTA) начала пересматривать стандарт с целью попасть в стандарты ANSI. В 2004 году DMX512 был стандартизирован как DMX512-A, а затем был повторно пересмотрен в 2008. Наиболее актуальная версия на момент написания статьи — «ANSI E1.11-2008, USITT DMX512-A».

С развитием техники стали появляться устройства, имеющие более 512 каналов. Возникла потребность в разработке нового стандарта, который элегантно решит эту проблему.

DMX512 over Ethernet

Решение проблемы ограниченности DMX-линий оказалось достаточно простым. Необходимо сменить среду передачи данных на Ethernet, который уже зарекомендовал себя и используется повсеместно. Благодаря такому решению можно передавать множество DMX-областей в одном кабеле. Для подключения устройств с DMX-коннекторами используются специальные конвертеры, которые извлекают из пакетов DMX-данные и отправляют подключенным устройствам.

На данный момент существуют два конкурирующих решения по отправке DMX512 в среде Ethernet:

• Art-Net;
• sACN.

Рассмотрим каждый из них.

Art-Net

Компания Artistic License в 1998 году выпустила первую версию Art-Net — протокол для передачи DMX-данных через IP. В основе протокола были широковещательные сообщения, чтобы избавить пользователей от настройки сети. Art-Net I проектировалась на сетях 10 Мбит/с, которые выдерживали в среднем до 10 DMX-областей, а эффективный предел составлял 40 Мбит/с. Однако с широким распространением RGB-светодиодов количество каналов росло, и подход с широковещательными сообщениями создавал сильную нагрузку на сети.

Чтобы хоть как-то исправить эту проблему, в 2006 вышла следующая версия — Art-Net II. В основе также лежали широковещательные сообщения, но консоль сопоставляла DMX-области с конкретными устройствами и переходила к адресной рассылке. При этом предельное количество DMX-областей расширилось до 256. В следующих релизах число выросло до 32768.

Art-Net не стал официально признанным стандартом, но используется по сей день. Современная версия Art-Net IV позволяет работать с устройствами, которые поддерживают только стандартизированный протокол sACN.

ACN и sACN

Протоколы Architecture for Control Networks (ACN) и Streaming ACN (sACN) — это стандартизированный в 2006 году набор протоколов для управления развлекательным оборудованием в живых выступлениях и/или в крупных масштабах.

ACN определяет модульную сетевую архитектуру, включающую в себя два сетевых протокола, язык для описания устройств (Device Description Language, DDL) и профили для взаимодействия (E1.17 Profiles for Interoperability). Набор протоколов ACN изначально был разработан для работы поверх UDP/IP, поэтому он будет также работать в сетях IP, Ethernet и 802.11 (Wi-Fi).

Благодаря модульности ACN легко расширяется. Одно из расширений, ANSI E1.31, также известное как Streaming ACN (sACN), используется для отправки DMX-данных через ACN-совместимые сети. В сравнении с Art-Net sACN поддерживает до 65535 DMX-областей.

Заключение

Методы создания световых шоу значительно эволюционировали с момента их появления. В аналоговую эпоху не было единого стандарта, но относительная совместимость интерфейсов смягчала проблему. С переходом на «цифру» появилось множество несовместимых проприетарных протоколов, которые были успешно вытеснены стандартизированным DMX512. На данный момент наблюдается переход DMX в среду Ethernet в виде двух конкурирующих протоколов E1.31 и Art-Net. Кто выйдет победителем — покажет время.